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令 為一個
階矩陣。若
可逆,英國數學家凱萊 (Arthur Cayley) 於1846年提出下列變換,稱為 Cayley 變換[1]:
,
其中 與
是可交換矩陣 (證明見註解[2])。除非特別註明,以下考慮實矩陣。通過 Cayley 變換,反對稱矩陣 (anti-symmetric matrix) 或稱斜對稱矩陣 (skew-symmetric matrix) 與特殊的一類正交矩陣 (orthogonal matrix) 具有一對一的對應關係。
若 ,則
稱為反對稱矩陣,其特徵值必為零或純虛數 (見“特殊矩陣 (13):反對稱矩陣”),可知
的特徵值 (即
的特徵值加
) 不等於零,故
是可逆的。若
,則
稱為正交矩陣,其特徵值的絕對值等於
(見“特殊矩陣 (3):么正矩陣 (酉矩陣)”)。通過 Cayley 變換,反對稱矩陣
與特殊的一類正交矩陣
具有一對一的對應關係:
和
,詳述於下:任何一個不含特徵值
的正交矩陣
必可表示為
,
其中 是反對稱矩陣。相反的,任一反對稱矩陣
亦可表示為
。
我們先證明第一式的 是正交矩陣:
欲證明第二式是第一式的反函數,第一式右乘 ,可得
,乘開移項整理為
。由於
不含特徵值
,即知
不含特徵值
,因此
。
當 ,反對稱矩陣為
,對應的正交矩陣如下:
。
使用 ,以及三角學公式
,設
,可得二階反對稱矩陣和旋轉矩陣的一對一的對應關係:
。
Cayley 變換可以延伸至複矩陣。若 為一 Hermitian 矩陣 (見“特殊矩陣 (9):Hermitian 矩陣”),
,則
(
) 為一 skew-Hermitian,即
。若
是一個不含特徵值
的么正矩陣 (unitary matrix),即
且
可逆,則有
考慮這個情況: 階矩陣退化為一個純量 (見“矩陣與複數的類比”)。具體地說,skew-Hermitian 矩陣
退化為一純虛數
,
,么正矩陣
退化為複數平面單位圓上的一點
,
且
,兩者之間的關係為
。
在複數平面上,
將虛軸映至單位圓 (扣除 ),或者
將實軸映至單位圓 (扣除 ),見下圖:
註解
[1] 維基百科:Cayley transform
[2] 假設 是可逆矩陣。若
可逆,則
若 不可逆,即
有零特徵值,使用連續論證法 (見“連續論證法”)。考慮
,存在一正數
,對於任意
,
,使得
和
是可逆矩陣。根據前面的結果,
。
上式等號兩邊都是 的連續函數,令
,即證得所求。