厄米特矩陣

數學中的名詞

厄米特矩陣(Hermitian Matrix,又譯作“埃爾米特矩陣”或“厄米矩陣”),指的是自共軛矩陣。矩陣中每一個第i行第j列的元素都與第j行第i列的元素的共軛相等。

定義


n階復方陣A的對稱單元互為共軛,即A的共軛轉置矩陣等於它本身,則A是厄米特矩陣(Hermitian Matrix)。
例如:矩陣, A就是一個自共軛矩陣。
由定義得知,厄米特矩陣的對角線上各元素必為實數。通常厄米特矩陣並不對稱,除非所有元素均為實數。厄米特矩陣的特殊性質是其本徵值一定是實數。
在物理系統中,其可觀察的物理量(例如坐標、動量、能量等等),在量子力學中可視為一算符,此算符有對應的本徵向量和本徵值,算符所對應的本徵向量代表物理系統的狀態,物理量發的結果就是本徵值。因此,如用矩陣表示算符,則一定是厄米特矩陣,因為厄米特矩陣的本徵值為實數,所以也是可觀察的量。

性質


顯然,埃爾米特矩陣主對角線上的元素都是實數的,其特徵值也是實數。對於只包含實數元素的矩陣(實矩陣),如果它是對稱陣,即所有元素關於主對角線對稱,那麼它也是埃爾米特矩陣。也就是說,實對稱矩陣是埃爾米特矩陣的特例。
若A和B是埃爾米特矩陣,那麼它們的和也是埃爾米特矩陣;而只有在A和B滿足交換性(即)時,它們的積才是埃爾米特矩陣。
可逆的埃爾米特矩陣A的逆矩陣仍然是埃爾米特矩陣。
如果A是埃爾米特矩陣,對於正整數n,是埃爾米特矩陣。
方陣C與其共軛轉置的和是埃爾米特矩陣。
任意方陣C都可以用一個埃爾米特矩陣A與一個斜埃爾米特矩陣B的和表示。
埃爾米特矩陣是正規矩陣,因此埃爾米特矩陣可被酉對角化,而且得到的對角陣的元素都是實數。這意味著埃爾米特矩陣的特徵值都是實的,而且不同的特徵值所對應的特徵向量相互正交,因此可以在這些特徵向量中找出一組C的正交基。
n階埃爾米特矩陣的元素構成維數為 的實向量空間,因為主對角線上的元素有一個自由度,而主對角線之外的元素有兩個自由度。
如果埃爾米特矩陣的特徵值都是正數,那麼這個矩陣是正定矩陣,若它們是非負的,則這個矩陣是半正定矩陣。

推論


(1)n階厄米特矩陣A為正定(半正定)矩陣的充要條件是A的所有特徵值大於(大於等於)0。
(2)若A是n階厄米特矩陣,其特徵值對角陣為V,則存在一個酉矩陣U,使。
(3)若A是n階厄米特矩陣,其弗羅伯尼范數的平方等於其所有特徵值的平方和。
(4)主對角線元素皆為實數的埃爾米特矩陣的特徵值均為實數, 斜埃爾米特矩陣的特徵值為零或純虛數。

區別


對稱矩陣與尼米特矩陣是實踐中遇到比較多的矩陣。例如:電路中的許多矩陣,象電阻性網路中迴路方程的阻抗矩陣圖論中無向圖的鄰接矩陣等。這兩種矩陣的性質與有關定理有許多共同之處。