巡回行列の固有値分解

はじめに

今読んでいる無線通信工学の本のOFDMの項に差し掛かった。巡回行列がDFT行列で対角化されることが証明無しに用いられたので、導出してみた。

\[ % to cope with definition mismatch between MathJax and LaTeX \newcommand{\coloneq}{\mathrel{:=}} \newcommand{\eqcolon}{\mathrel{=:}} % general purpose \newcommand{\ctext}[1]{\raise0.2ex\hbox{\textcircled{\scriptsize{#1}}}} % mathematics % general purpose \DeclarePairedDelimiterX{\parens}[1]{\lparen}{\rparen}{#1} \DeclarePairedDelimiterX{\braces}[1]{\lbrace}{\rbrace}{#1} \DeclarePairedDelimiterX{\bracks}[1]{\lbrack}{\rbrack}{#1} \DeclarePairedDelimiterX{\verts}[1]{|}{|}{#1} \DeclarePairedDelimiterX{\Verts}[1]{\|}{\|}{#1} \DeclarePairedDelimiterX{\setComprehension}[2]{\lbrace}{\rbrace}{#1\,\delimsize\vert\,#2} \newcommand{\as}{{\quad\textrm{as}\quad}} \newcommand{\st}{{\textrm{ s.t. }}} \newcommand{\naturalNumbers}{\mathbb{N}} \newcommand{\integers}{\mathbb{Z}} \newcommand{\rationalNumbers}{\mathbb{Q}} \newcommand{\realNumbers}{\mathbb{R}} \newcommand{\nonNegRealNumbers}{\mathbb{R}_{\geq 0}} \newcommand{\posRealNumbers}{\mathbb{R}_{> 0}} \newcommand{\complexNumbers}{\mathbb{C}} 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norm of a vector or function \newcommand{\floor}[1]{\left\lfloor #1\right\rfloor} \newcommand{\ceil}[1]{\left\lceil#1\right\rceil} \newcommand{\sinc}{\operatorname{sinc}} \newcommand{\nrmSinc}{\operatorname{nsinc}} % normalized sinc function \newcommand{\erf}{\operatorname{erf}} % inverse trigonometric functions \newcommand{\asin}{\operatorname{Sin}^{-1}} \newcommand{\acos}{\operatorname{Cos}^{-1}} \newcommand{\atan}{\operatorname{Tan}^{-1}} % derivative \newcommand{\deriv}[3]{\frac{\mathrm{d}^{#3}#1}{\mathrm{d}{#2}^{#3}}} \newcommand{\derivLong}[3]{\frac{\mathrm{d}^{#3}}{\mathrm{d}{#2}^{#3}}#1} \newcommand{\partDeriv}[3]{\frac{\mathrm{\partial}^{#3}#1}{\mathrm{\partial}{#2}^{#3}}} \newcommand{\partDerivLong}[3]{\frac{\mathrm{\partial}^{#3}}{\mathrm{\partial}{#2}^{#3}}#1} \newcommand{\partDerivIIHetero}[3]{\frac{\mathrm{\partial}^2#1}{\partial#2\mathrm{\partial}#3}} \newcommand{\partDerivIIHeteroLong}[3]{{\frac{\mathrm{\partial}^2}{\partial#2\mathrm{\partial}#3}#1}} % integral 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See: [How to make underbracket thinner](https://tex.stackexchange.com/questions/559078/how-to-make-underbracket-thinner) \newcommand{\DecPartBW}[1]{\underbracket[0.140ex]{#1}_\mathrm{d}} \newcommand{\TotalBW}[1]{\underbracket[0.140ex]{#1}} \newcommand{\Rat}{\operatorname{Rat}} % Maps a fixed-point number to a corresponding rational number. % programming \newcommand{\plpl}{\mathrel{++}} \newcommand{\pleq}{\mathrel{+}=} \newcommand{\asteq}{\mathrel{*}=} \]

主張

$N\in\naturalNumbers,\;a_0,a_1,\dots,a_{N-1}\in\complexNumbers,\;\bm{a}\coloneqq[a_0,\dots,a_{N-1}]^\top$とする。$\bm{a}$の要素を$m\in\{0,1,\dots,N-1\}$だけ巡回シフトしたベクトル$\bm{a}_m$を次式で定義する。

\[ \bm{a}_m \coloneqq \begin{cases} \bm{a} & (m=0) \\ [a_{N-m},\dots,a_{N-1},a_0,a_1,\dots,a_{N-1-m}]^\top & (m=1,2,\dots,N-1) \end{cases} \]

$A\in\complexNumbers^{N\times N}$を次式で定義する。

\[ A \coloneqq [\bm{a}_0,\bm{a}_1,\dots,\bm{a}_{N-1}] \]

このとき$A$は次のように対角化可能である。

\[ A = \sqrt{N}W\diag\parens*{\DFT\parens*{\bm{a}}}W^* \]

ここに$W$は$N\times N$ DFT基底行列であり、第$(n,k)$要素は次式で定義される。

\[ W_{n,k} \coloneqq \frac{1}{\sqrt{N}}\exp i\frac{nk}{N}2\pi \]

$\DFT\parens*{\bm{a}}$は$\bm{a}$のDFT(離散 Fourier 変換)であり、次式で定義される。

\[ \DFT\parens*{\bm{a}} \coloneqq W^*\bm{a} \]

すなわち第$k$要素は次式である。

\[ \sum_{n=0}^{N-1}\overline{W_{k,n}}a_n \]

導出

「離散 Fourier 変換」で述べられているDFTの性質を用いる。$\bm{e}_m\in\realNumbers^N$を第$m$要素が1でそれ以外は0のベクトルとする。$\bm{a}_m$は巡回畳み込みを用いて次式で表せる。

\[ \bm{a}_m = \bm{a}\circledast \bm{e}_m \]

巡回畳み込みのDFTの性質より次式が成り立つ。

\[ \DFT\parens*{\bm{a}_m} = \sqrt{N}\DFT\parens*{\bm{a}}\HadamardProd\DFT\parens*{\bm{e}_m} = \sqrt{N}\DFT\parens*{\bm{a}}\HadamardProd W^*[:,m] \]

これより次式が成り立つ。

\begin{align*} W^*A &= [\DFT\parens*{\bm{a}_0},\DFT\parens*{\bm{a}_1},\dots,\DFT\parens*{\bm{a}_{N-1}}] \\ &= \sqrt{N}[\DFT\parens*{\bm{a}}\HadamardProd W^*[:,0],\DFT\parens*{\bm{a}}\HadamardProd W^*[:,1],\dots,\DFT\parens*{\bm{a}}\HadamardProd W^*[:,N-1]] \\ &= \sqrt{N}\diag\parens*{\DFT\parens*{\bm{a}}}W^* \end{align*}

両辺に左から$W$を掛け、$W$のユニタリ性$WW^* = I$を用いて次式を得る。

\[ A = \sqrt{N}W\diag\parens*{\DFT\parens*{\bm{a}}}W^* \]

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