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과학

유니터리행렬

유니터리행렬과학
영어
Unitary matrix
정의식
UᴴU = UUᴴ = I
역행렬
U⁻¹ = Uᴴ
보존하는 것
표준 내적과 벡터의 노름
유니터리행렬은 켤레전치가 자신의 역행렬과 같은 복소 정사각행렬이다. UᴴU = I를 만족하며 복소 벡터의 표준 내적과 길이를 보존한다. 실수 행렬에서는 직교행렬과 같은 조건이 된다.

켤레전치가 역연산

유니터리 조건에서 Uᴴ는 U가 만든 변환을 되돌린다. 따라서 유니터리행렬은 언제나 가역이다. 행렬의 모든 성분이 실수이면 켤레전치가 전치와 같아져 직교행렬의 조건으로 바뀐다.

열벡터의 정규직교성

UᴴU = I는 열벡터들의 내적 관계를 나타낸다. 각 열의 노름은 1이고 서로 다른 열의 내적은 0이다. 행벡터들도 같은 정규직교 관계를 갖는다. 여기서 사용하는 복소 내적에는 켤레가 포함되므로 성분을 그대로 곱하는 계산과 구별해야 한다.

복소수 대각행렬의 예

대각 성분이 i와 −1이고 나머지 성분이 0인 행렬 U를 생각하자. 켤레전치의 대각 성분은 −i와 −1이며 UᴴU의 대각 성분은 모두 1이 된다. 따라서 U는 유니터리행렬이지만 실수 행렬은 아니다.

길이와 내적의 보존

표준 복소 내적에서 U를 두 벡터에 함께 적용해도 내적이 바뀌지 않으며 각 벡터의 노름도 유지된다. 성분이 변하지 않는다는 뜻은 아니고 성분들이 나타내는 길이와 내적 관계가 보존된다는 뜻이다. 켤레전치와 역행렬의 관계를 통해 이 성질을 확인할 수 있다.

관련 문서

켤레전치 / 직교행렬 / 정규직교 기저 / 역행렬 / 복소수 / 내적 / 정규행렬