У математиці для даної комплексної ермітової матриці і ненульового вектора відношення Релеятакож відоме під назвою відношення Релея — Ріца, названого на честь Вальтера Ріца і лорда Релея. визначають такHorn, R. A. and C. A. Johnson. 1985. Matrix Analysis. Cambridge University Press. pp. 176—180.Parlet B. N. The symmetric eigenvalue problem, SIAM, Classics in Applied Mathematics,1998:

Для дійсних матриць умова ермітовості матриці зводиться до її симетричності, а ермітове спряження векторів перетворюється на звичайне транспонування . Зауважте, що для будь-якої дійсної константи . Нагадаємо, що ермітова (як і симетрична дійсна) матриця має дійсні власні значення. Можна показати, що для матриці відношення Релея досягає мінімального значення (найменше власне число матриці ) коли дорівнює (відповідний власний вектор). Так само можна показати, що і . Відношення Релея використано в теоремі Куранта — Фішера про мінімакс для отримання всіх значень власних чисел. Використовується воно і в алгоритмах знаходження власних значень матриці для отримання наближення власного значення з наближення власного вектора. А саме, відношення є базою для ітерацій з відношенням Релея.

Множину значень відношення Релея називають .

Окремий випадок коваріаційних матриць Коваріаційну матрицю для багатовимірної статистичної вибірки (матриці спостережень) можна подати у вигляді добутку . Як симетрична дійсна матриця, має невід'ємні власні значення і ортогональні (або звідні до ортогональних) власні вектори.

По-перше, оскільки власні значення не від'ємні:

і, по-друге, оскільки власні вектори ортогональні один з одним:

, якщо власні значення різні; в разі однакових значень можна знайти ортогональний базис.

Тепер покажемо, що відношення Релея набуває найбільшого значення на векторі, відповідному найбільшому власному значенню. Розкладемо довільний вектор за базисом власних векторів :

, де є проєкцією на

Отже, рівність

можна переписати так:

Оскільки власні вектори ортогональні, остання рівність перетворюється на

Остання рівність показує, що відношення Релея є сумою квадратів косинусів кутів між вектором і кожним з власних векторів , помножених на відповідне власне значення.

Якщо вектор максимізує , то всі вектори, отримані з множенням на скаляр ( для ) також максимізують . Таким чином, задачу можна звести до знаходження максимуму за умови .

Оскільки всі власні числа не від'ємні, задача зводиться до знаходження максимуму опуклої функція і можна показати, що він досягається при і (власні значення впорядковані за спаданням).

Таким чином, відношення Релея досягає максимуму на власному векторі, відповідному найбільшому власному значенню.

Той самий результат з використанням множників Лагранжа Той самий результат можна отримати за допомогою множників Лагранжа. Задача полягає в знаходженні критичних точок функції

,

за сталої величини Тобто, потрібно знайти критичні точки функції

де  — множник Лагранжа.

Для стаціонарних точок функції виконується рівність

і

Таким чином, власні вектори матриці є критичними точками відношення Релея і їхні власні значення  — відповідними стаціонарними значеннями.

Ця властивість є базисом методу головних компонент і канонічної кореляції.

Використання в теорії Штурма — Ліувілля Теорія Штурма — Ліувілля полягає в дослідженні лінійного оператора

зі скалярним добутком

,

де функції задовольняють деяким специфічним граничним умовам у точках і . Відношення Релея тут набуває вигляду

Іноді це відношення подають в еквівалентному вигляді, скориставшись інтегруванням частинами:

Узагальнення Для будь-якої пари дійсних симетричних додатноозначених матриць і ненульового вектора , узагальнене відношення Релея визначається як

Узагальнене відношення Релея можна звести до відношення Релея перетворенням , де  — розклад Холецького матриці .

Див. також

Примітка

Література