Satz von Courant-Fischer

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Der Satz von Courant-Fischer (auch Minimum-Maximum-Prinzip) ist ein mathematischer Satz aus der linearen Algebra, der eine variationelle Charakterisierung der Eigenwerte einer symmetrischen oder hermiteschen Matrix ermöglicht. Jeder Eigenwert wird dabei als minimaler beziehungsweise maximaler Rayleigh-Quotient von Vektoren aus Untervektorräumen mit bestimmten Dimensionen dargestellt. Der Satz ist nach den Mathematikern Richard Courant und Ernst Fischer benannt. Er dient unter anderem zur Eigenwertabschätzung und zur Analyse numerischer Eigenwertverfahren.

Satz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ist eine symmetrische Matrix (falls ) oder hermitesche Matrix (falls ) mit aufsteigend sortierten Eigenwerten und bezeichnet die Menge der -dimensionalen Untervektorräume von , , dann hat der -te Eigenwert von die Darstellung

,

wobei das reelle oder komplexe Standardskalarprodukt ist. Wird der Satz von Courant-Fischer mit absteigend sortierten Eigenwerten angegeben, dann vertauschen sich jeweils Minimum und Maximum.[1]

Anschauliches Beispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Satz von Courant-Fischer charakterisiert die Eigenwerte einer symmetrischen positiv definiten (3 × 3)-Matrix über Extrempunkte auf einem Ellipsoid

Für eine symmetrische positiv definite -Matrix lässt sich der Satz von Courant-Fischer folgendermaßen veranschaulichen. Da die Eigenwerte von die Quadrate der stets positiven Eigenwerte von sind und gilt, hat der -te Eigenwert von die Darstellung

,

wobei die euklidische Norm ist. Die Menge hat die Form eines Ellipsoids im dreidimensionalen Raum mit den Halbachsen , und . Der Satz von Courant-Fischer charakterisiert nun die Eigenwerte von über bestimmte Extrempunkte auf diesem Ellipsoid:

  • Für den kleinsten Eigenwert werden alle eindimensionalen Untervektorräume, also alle Ursprungsgeraden, betrachtet. Jede dieser Ursprungsgeraden schneidet das Ellipsoid an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten. Von all diesen Punkten wird einer derjenigen mit dem kleinsten Abstand zum Ursprung ausgewählt.
  • Für den zweitkleinsten Eigenwert werden alle zweidimensionalen Untervektorräume, also alle Ursprungsebenen, betrachtet. Jede dieser Ursprungsebenen schneidet das Ellipsoid in einer Ellipse. Auf jeder dieser Ellipsen wird einer der Punkte mit dem größten Abstand zum Ursprung gesucht und von all diesen Punkten einer derjenigen mit dem kleinsten Abstand zum Ursprung ausgewählt.
  • Für den größten Eigenwert wird der ganze Raum betrachtet und einer der Punkte auf dem Ellipsoid mit dem größten Abstand zum Ursprung ausgewählt.

Der Ortsvektor eines auf diese Weise ausgewählten Punkts ist dann ein Eigenvektor der Matrix und die Länge dieses Vektors der zugehörige Eigenwert.

Beweis[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Satz von Courant-Fischer stellt die Eigenwerte einer symmetrischen oder hermiteschen Matrix als minimale beziehungsweise maximale Rayleigh-Quotienten

dar. Im Folgenden wird eine obere und eine untere Schranke für den ersten Teil der Behauptung ermittelt. Die zweite Gleichung folgt analog durch Betrachtung von und der entsprechenden Komplementärräume.

Obere Schranke

Nachdem symmetrisch oder hermitesch ist, lässt sich eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren jeweils zu den Eigenwerten finden. Bezeichnet

die lineare Hülle derjenigen Eigenvektoren, deren Indizes mindestens sind. Der Schnitt von mit einem -dimensionalen Untervektorraum ist nicht , denn mit der Dimensionsformel gilt

.

Daher gibt es einen Vektor mit , der eine Basisdarstellung

mit Koeffizienten besitzt. Für einen solchen Vektor gilt nun

.

Für die Vektoren eines beliebigen -dimensionalen Untervektorraums ist daher der maximale Rayleigh-Quotient und demnach gilt auch

.

Untere Schranke

Bezeichne nun

die lineare Hülle derjenigen Eigenvektoren, deren Indizes höchstens sind. Für einen Vektor mit und der Darstellung

gilt nun

.

Der maximale Rayleigh-Quotient aller Vektoren ist also und demnach gilt

.

Durch Zusammenfassung der beiden Schranken folgt dann der erste Teil der Behauptung.[1]

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine direkte Konsequenz aus dem Satz von Courant-Fischer ist die Abschätzung

für den kleinsten und dem größten Eigenwert einer symmetrischen oder hermiteschen Matrix . Gleichheit gilt dabei jeweils genau dann, wenn ein Eigenvektor zum jeweiligen Eigenwert ist. Der kleinste und der größte Eigenwert kann demnach durch Minimierung beziehungsweise Maximierung des Rayleigh-Quotienten ermittelt werden.

Eine weitere Anwendung besteht in numerischen Stabilitätsaussagen für Eigenwertverfahren. Sind zwei symmetrische oder hermitesche Matrizen mit aufsteigend sortierten Eigenwerten und , dann gilt

für alle , wobei eine beliebige natürliche Matrixnorm ist. Wird demnach eine Matrix durch eine Matrix angenähert (deren Eigenwerte einfacher zu berechnen sind), dann ist der dadurch entstehende Fehler durch die Norm der Differenz der beiden Matrizen beschränkt.[2]

Varianten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Von dem Satz von Courant-Fischer existiert auch folgende Variante zur Darstellung der Singulärwerte einer Matrix. Ist eine (nicht notwendigerweise quadratische) Matrix mit aufsteigend sortierten Singulärwerten und bezeichnet die euklidische Norm, dann hat der -te Singulärwert von die Darstellung

,

wobei wieder die Menge der -dimensionalen Untervektorräume von ist. Dieses Resultat folgt aus dem Satz von Courant-Fischer über die Darstellung der Singulärwerte von als Wurzeln der Eigenwerte von beziehungsweise .[3]

Verallgemeinerungen dieser Aussage existieren auch zur Darstellung des Spektrums selbstadjungierter Operatoren auf Hilberträumen, was zum Beispiel beim Rayleigh-Ritz-Prinzip eingesetzt wird.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Gerschgorin-Kreise, eine Möglichkeit zur Abschätzung der Eigenwerte einer quadratischen Matrix

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Originalarbeiten

  • Ernst Fischer: Über quadratische Formen mit reellen Koeffizienten. In: Monatshefte für Mathematik und Physik. Band 16, 1905, S. 234–249.
  • Richard Courant: Über die Eigenwerte bei den Differentialgleichungen der mathematischen Physik. In: Mathematische Zeitschrift. Band 7, Nr. 1–4, 1920, S. 1–57.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Harry Dym: Linear Algebra in Action. 2. Auflage. American Mathematical Society, 2013, S. 224–225.
  2. Robert Schaback, Holger Wendland: Numerische Mathematik. Springer, 2006, S. 270.
  3. Roger A. Horn: Topics in Matrix Analysis. Cambridge University Press, 1994, S. 148.