home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / math / 10201 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-12  |  2.8 KB  |  58 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!usc!sol.ctr.columbia.edu!destroyer!ubc-cs!unixg.ubc.ca!unixg.ubc.ca!israel
  3. From: israel@unixg.ubc.ca (Robert B. Israel)
  4. Subject: Re: Help - non-integral powers of a matrix?
  5. Message-ID: <israel.713686859@unixg.ubc.ca>
  6. Keywords: matrix
  7. Sender: news@unixg.ubc.ca (Usenet News Maintenance)
  8. Nntp-Posting-Host: unixg.ubc.ca
  9. Organization: University of British Columbia, Vancouver, B.C., Canada
  10. Date: Thu, 13 Aug 1992 06:20:59 GMT
  11. Lines: 45
  12.  
  13. In article <1992Aug12.231708.3644@galois.mit.edu> jbaez@nevanlinna.mit.edu
  14. (John C. Baez) writes:
  15.                                                                                 
  16. >In article <a_rubin.713653963@dn66> a_rubin@dsg4.dse.beckman.com (Arthur 
  17. >Rubin) writes:                      
  18. (referring to the series log A = sum_{k=1}^infinity (-1)^(k-1) (A-I)^k/k)
  19. >>log "obviously" converges if all eigenvalues of A are strictly within 1 of 1,  
  20.                                                                                 
  21. >To clarify, perhaps, let me add that this is not only "obvious", it's           
  22. >true, at least if A is diagonalizable.  If A is a                               
  23. >not-necessarily-diagonalizable matrix log A is defined if ||A - 1|| < 1;        
  24. >I don't think the eigenvalue condition above is sufficient.                     
  25.  
  26. It is sufficient.  On the other hand, |z - 1| <= 1 with z <> 1 (which I put
  27. forward in another post) is NOT enough.
  28.  
  29. We can assume without loss of generality that A has only one eigenvalue r.
  30. Then A = rI + N where N is nilpotent (say N^n = 0).  Expanding all the terms
  31. of our series in powers of N, it is enough to get convergence for the 
  32. coefficients of each N^j, 0 <= j < n.  The series for the coefficient of N^j 
  33. is
  34.     sum_{k = j}^infinity (-1)^(k-1) binom(k,j)/k (r-1)^(k-j)
  35. = ((r-1)^(-j)/j!) sum_{k = j}^infinity (-1)^(k-1) (k-1)(k-2)...(k-j+1) (r-1)^k
  36. and this converges if |r - 1| < 1.
  37.  
  38. Let's make a clear distinction between "log A is defined" (i.e. there is
  39. some (highly non-unique) B such that exp(B) = A) and "the above series
  40. converges".  For log A to exist, all you need is that A is nonsingular.
  41. Moreover, you can get log A without any infinite series.  
  42.  
  43. If, as above, A = rI + N with N^n = 0 and r <> 0, then 
  44.     log A = log r + log(I + N/r)
  45.           = log r + sum_{k=1}^{n-1} (-1)^(k-1) (N/r)^k /k 
  46. In general, for any nonsingular A, decompose the space of column vectors 
  47. into eigenspaces corresponding to each eigenvalue; on each eigenspace, A has 
  48. the above form.  Of course, finding the eigenvalues is difficult and 
  49. numerically unstable in general, so this is more of a theoretical than a 
  50. practical solution. 
  51.  
  52.  
  53. -- 
  54. Robert Israel                            israel@math.ubc.ca
  55. Department of Mathematics             or israel@unixg.ubc.ca
  56. University of British Columbia
  57. Vancouver, BC, Canada V6T 1Y4
  58.