Кіріспе

Математикада үшбұрышты матрица – квадрат матрицаның ерекше түрі. Егер басты диагональ жоғарысындағы барлық элементтер нөлге тең болса, онда бұл квадрат матрица төменгі үшбұрышты матрица деп аталады. Сол сияқты, егер басты диагональ төменіңдегі барлық элементтер нөлге тең болса, онда бұл квадрат матрица жоғарғы үшбұрышты матрица деп аталады. Үшбұрышты матрицалары бар матрицалық теңдеулерді шешу оңай болғандықтан, олар сандық талдауда маңызды рөл атқарады. LU жіктеу алгоритмі бойынша, кері матрицаны төменгі үшбұрышты L матрицасы мен жоғарғы үшбұрышты U матрицасының көбейтіндісі түрінде жазуға болады, егер және тек қана оның барлық басты кіші анықтауыштары нөлден өзгеше болса.

Алға және артқа ауыстыру

Матрицалық теңдеулер немесе пішінінде төменгі үшбұрышты матрицалар үшін алдыңғы қосу арқылы, ал жоғары үшбұрышты матрицалар үшін оған ұқсас артқы қосу арқылы өте оңай шешіледі. Бұл процесс осылай аталуына себебі, төменгі үшбұрышты матрицалар үшін ең алдымен есептеледі, содан кейін оның мәні келесі теңдеуге қойылып, есептеледі, және осылайша жалғасады. Жоғары үшбұрышты матрицада кері бағытта жұмыс жасалады, яғни ең алдымен есептеледі, содан кейін бұл мән алдыңғы теңдеуге қойылып, есептеледі, және осылайша жалғасады.
Ескеріңіз, бұл матрицаны кері матрицаға айналдыруды қажет етпейді.

Қолданбалар

Форвардты есептеу қаржылық ботстрапингте түсімділік қисығын құру үшін қолданылады.

Біртұтас үшбұрышты матрица

Егер (жоғарғы немесе төменгі) үшбұрышты матрицаның басты диагоналіндегі элементтердің бәрі 1-ге тең болса, онда бұл матрица (жоғарғы немесе төменгі) бірлік үшбұрышты матрица деп аталады. Осы матрицалар үшін қолданылатын басқа атаулар – бірлік (жоғарғы немесе төменгі) үшбұрышты матрица немесе өте сирек нормаланған (жоғарғы немесе төменгі) үшбұрышты матрица. Дегенмен, бірлік үшбұрышты матрица бірлік матрицадан өзгеше, ал нормаланған үшбұрышты матрицаның матрица нормасы тұжырымымен ешқандай байланысы жоқ. Барлық шекті бірлік үшбұрышты матрицалар унипотентті болады.

Қатаң үшбұрышты матрица

Егер (жоғарғы немесе төменгі) үшбұрышты матрицаның басты диагоналіндегі барлық элементтері де 0 болса, онда матрица қатаң (жоғарғы немесе төменгі) үшбұрышты деп аталады. Кейли-Гамильтон теоремасының салдарынан, барлық шекті қатаң үшбұрышты матрицалар n-нен аспайтын индекске ие нильпотент болып табылады.

Атомдық үшбұрышты матрица

Атомдық (жоғарғы немесе төменгі) үшбұрышты матрица – бірлік үшбұрышты матрицаның ерекше түрі, онда диагональдан тысқы барлық элементтер нөлге тең, тек бір ғана бағандағы элементтер нөлдік емес. Мұндай матрица Фробен матрицасы, Гаусс матрицасы немесе Гаусс трансформациясы матрицасы деп те аталады.

Блоктық үшбұрышты матрица

Блоктық үшбұрышты матрица – үшбұрышты матрица түріндегі блоктық матрица (бөлімделген матрица).

Бір мезгілде үшбұрышты болу мүмкіндігі

Матрицалар жиынтығы бір мезгілде үшбұрышты болады, егер олардың барлығы жоғарғы үшбұрышты болып табылатын негіз болса; балама түрінде, егер олар бір ұқсастық матрицасы P арқылы жоғарғы үшбұрышты болатын болса. Мұндай матрицалар жиынтығын олар тудыратын матрицалар алгебрасын қарастыру арқылы жақсы түсінуге болады, яғни, олардың барлығын қамтитын полиномдар жиынтығын, белгіленген . Бір мезгілде үшбұрышты болу дегеніміз, бұл алгебра жоғарғы үшбұрышты матрицалардың Лие субалгебрасына конъюгацияланады, және бұл алгебра Борел субалгебрасының Лие субалгебрасы болып табылады. Негізгі нәтиже – (алгебралық жабық өріс үшін) ауыспалы матрицалар, немесе жалпы жағдайда, бір мезгілде үшбұрышты болады. Бұл алдымен ауыспалы матрицалардың ортақ өзіндік векторға ие екенін көрсету арқылы, содан кейін бұрынғыдай өлшем бойынша индукция жасау арқылы дәлелдеуге болады. Бұл Фробенус 1878 жылдан бастап, ауыспалы матрицалар жөніндегі талқыда көрсеткен. Жеке матрицаға келетін болсақ, комплекс сандар өрісінде оларды унитарлық матрицалармен үшбұрышты етуге болады. Ауыспалы матрицалардың ортақ өзіндік векторға ие екендігін Хилберттің Нөлдік теоремасының салдары ретінде қарастыруға болады: ауыспалы матрицалар k өлшемді аффиндік кеңістіктегі алгебралық сан алуандық ретінде қарастырылатын коммутативтік алгебра құрайды, ал (жалпы) өзіндік мәннің (содан кейін ортақ өзіндік вектордың) болуы осы сан алуандықта нүкте бар екендігіне (бос емес екендігіне) сәйкес келеді, бұл (әлсіз) Нөлдік теореманың мазмұны. Алгебралық тұрғыдан алғанда, бұл операторлар k айнымалысы бар полиномдық алгебраның алгебралық бейнелеуіне сәйкес келеді. Бұл Ли теоремасымен жалпыланады, ол шешілетін Лие алгебрасының кез келген бейнелеуі бір мезгілде жоғарғы үшбұрышты болады, ал ауыспалы матрицалардың жағдайы – абельдік Лие алгебрасының жағдайы, абельдік алгебра шешілетін болып табылады. Көбірек және дәлірек айтқанда, матрицалар жиынтығы бір мезгілде үшбұрышты болады, егер және тек егер k ауыспалы емес айнымалыларындағы барлық p полиномдары үшін матрицасы нильпотентті болса, мұнда – коммутатор; ауыспалы матрицалар үшін коммутатор нөлге тең, сондықтан бұл шарт орындалады. Бұл Дразин, Дангей және Груенберг 1951 жылы дәлелдеген, ал Прасолов 1994 жылы қысқаша дәлел келтірген. Бір бағыт анық: егер матрицалар бір мезгілде үшбұрышты болатын болса, онда ол қатаң жоғарғы үшбұрышты болады (демек, нильпотентті), және оны кез келген матрицамен немесе олардың комбинациясымен көбейтуде сақталды – үшбұрышты негізде диагональдегі 0 сақталды.

Борелдің кіші топтары мен Борелдің кіші алгебралары

Берілген түрдегі (жоғарғы немесе төменгі) инвертирленетін үшбұрышты матрицалар жиыны топты құрайды, тіпті, барлық инвертирленетін матрицалардың жалпы сызықтық тобының кіші тобы болып табылатын Ли тобы. Үшбұрышты матрица оның диагональдық элементтері инвертирленетін (нөл емес) болғанда ғана инвертирленеді. Нақты сандар жиынында бұл топ байланыссыз, әр диагональдық элементі оң немесе теріс болуына қарай компоненттерге бөлінеді. Топтасқан компоненті – диагоналінде оң элементтері бар инвертирленетін үшбұрышты матрицалар, ал барлық инвертирленетін үшбұрышты матрицалар тобы осы топтың және диагональдық элементтерінде компоненттерге сәйкес келетін диагональдық матрицалар тобының жартылай тура көбейтіндісі болып табылады. Инвертирленетін жоғарғы үшбұрышты матрицалардың Ли тобының Ли алгебрасы – барлық жоғарғы үшбұрышты матрицалар жиыны, міндетті түрде инвертирлене бермейді, және ол шешілетін Ли алгебрасы болып табылады. Бұл, тиісінше, Lie тобы GLn-нің стандартты Борель кіші тобы B және Lie алгебрасы gln-нің стандартты Борель субалгебрасы. Жоғарғы үшбұрышты матрицалар стандартты туды тұрақтандырады. Олардың арасындағы инвертирленетін матрицалар жалпы сызықтық топтың кіші тобын құрайды, оның конъюгат кіші топтары – кез келген (басқа) толық тудың тұрақтандырғышы ретінде анықталады. Бұл кіші топтар Борель кіші топтары болып табылады. Инвертирленетін төменгі үшбұрышты матрицалар тобы – осындай кіші топ болып табылады, себебі ол стандартты базиске кері ретпен байланысты стандартты тудың тұрақтандырғышы болып табылады. Стандартты тудың кейбір бөліктерін естен шығарып, алынған ішінара тудың тұрақтандырғышын жоғарғы үшбұрышты матрицалар блогының жиынтығы ретінде сипаттауға болады (бірақ оның элементтерінің бәрі үшбұрышты матрицалар емес). Мұндай топтың конъюгаттары – кез келген ішінара тудың тұрақтандырғышы ретінде анықталған кіші топтар болып табылады. Бұл топтар параболалық топтар деп аталады.

Мысалдар

2×2 жоғарғы бірлік үшбұрышты матрицалар тобы скалярлар өрісінің қосылым тобына изоморфты; кешенді сандар жағдайында ол параболалық Мёбиус түрлендірулерінен тұратын топқа сәйкес келеді; 3×3 жоғарғы бірлік үшбұрышты матрицалар Гейзенберг тобын құрайды.