什么是厄尔米特(Hermitian)矩阵?
厄米矩阵(Hermitian Matrix)定义
在数学和物理中,厄米矩阵是满足以下条件的复方阵:
A = A † \mathbf{A}=\mathbf{A}^\dagger A=A†
其中, A † \mathbf{A}^\dagger A†表示矩阵 A \mathbf{A} A的共轭转置,即将矩阵中的每个元素取复共轭后再转置(行变列,列变行)。
更具体地,如果矩阵 A = [ a i j ] \mathbf{A}=[a_{ij}] A=[aij]是 n × n n \times n n×n的复矩阵,则它是厄米矩阵当且仅当满足:
a i j = a j i ‾ , ∀ i , j a_{ij}=\overline{a_{ji}},\quad \forall i,j aij=aji,∀i,j
这里 a j i ‾ \overline{a_{ji}} aji表示元素 a j i a_{ji} aji的复共轭。
厄米矩阵的性质
-
实数对角元素
厄米矩阵的对角线上元素必为实数:
a i i = a i i ‾ ⟹ a i i 是实数 . a_{ii}=\overline{a_{ii}} \implies a_{ii} \text{是实数}. aii=aii⟹aii是实数. -
特征值为实数
厄米矩阵的所有特征值都为实数,这一性质在量子力学中尤为重要。 -
正定性(或半正定性)
如果 A \mathbf{A} A是厄米矩阵,那么它是否正定取决于其特征值是否全部为正。- 如果所有特征值 λ i > 0 \lambda_i>0 λi>0,则 A \mathbf{A} A是正定矩阵。
- 如果所有特征值 λ i ≥ 0 \lambda_i \geq 0 λi≥0,则 A \mathbf{A} A是半正定矩阵。
-
幺正矩阵的特例
如果 A \mathbf{A} A既是厄米矩阵,又满足 A 2 = I \mathbf{A}^2=\mathbf{I} A2=I(单位矩阵),则称其为幺正矩阵。
几何解释
- 在复数域中,厄米矩阵可以看作是实对称矩阵的推广。
- 若视线性变换为几何操作,厄米矩阵的作用是保持内积的复数形式。
厄米矩阵的物理意义
-
量子力学中的哈密顿量矩阵
量子力学中的哈密顿量(Hamiltonian)通常是厄米矩阵,这保证了系统的能量谱(特征值)为实数。 -
密度矩阵
在量子态描述中,密度矩阵也是一个厄米矩阵,其特征值描述了系统在不同态的概率分布。 -
散射矩阵(S矩阵)
在量子散射理论中,厄米矩阵用于保证散射过程的概率守恒。
示例
实数厄米矩阵
A = [ 2 − 1 − 1 3 ] \mathbf{A}=\begin{bmatrix} 2 & -1 \\ -1 & 3 \end{bmatrix} A=[2−1−13]
这是一个实对称矩阵,也是一个厄米矩阵。
复数厄米矩阵
A = [ 2 1 + i 1 − i 4 ] \mathbf{A}=\begin{bmatrix} 2 & 1+i \\ 1-i & 4 \end{bmatrix} A=[21−i1+i4]
验证条件:
- a 12 = 1 + i a_{12}=1+i a12=1+i, a 21 = 1 + i ‾ = 1 − i a_{21}=\overline{1+i}=1-i a21=1+i=1−i,满足 a 12 = a 21 ‾ a_{12}=\overline{a_{21}} a12=a21。
- 对角线元素 a 11 = 2 a_{11}=2 a11=2和 a 22 = 4 a_{22}=4 a22=4是实数。
因此,这也是一个厄米矩阵。
总结
厄米矩阵是共轭转置等于自身的复矩阵,其广泛应用于量子力学、信号处理和机器学习等领域,尤其是其特征值为实数的性质对理论和实际问题具有重要意义。
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