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05 二次型、合同与正定矩阵

1. 二次型只看对称部分

实二次型写作 q(x)=xTAx。因为

xTAx=xTA+AT2x,

反对称部分对二次型没有贡献,所以总可以取 A=AT。复数域中对应对象是 Hermite 型

q(x)=xAx,A=A,

其值为实数。

2. 合同描述变量替换

x=Cy,则

q(x)=y(CAC)y.

因此二次型换坐标对应合同变换 ACAC,不是相似变换。相似关心线性算子;合同关心二次型的正负结构。

每个 Hermite 矩阵都合同于

diag(Ip,Iq,0r).

三元组 (p,q,r) 称为惯性。Sylvester 惯性定理断言:惯性在可逆合同变换下不变。

3. 正定性的四种语言

对 Hermite 矩阵 A,下列条件等价:

  1. xAx>0 对所有 x0 成立。
  2. 所有特征值均为正。
  3. 存在可逆矩阵 R 使 A=RR
  4. 所有顺序主子式均为正(Sylvester 判据)。

半正定写作 A0,把严格不等式改为非严格。半正定时 A=BB 仍成立,但 B 不必可逆。

4. Cholesky 分解与平方根

A0,则存在唯一的下三角矩阵 L,其对角元为正且

A=LL.

这就是 Cholesky 分解。若只从谱分解出发,A=QΛQ,还可以定义唯一的 Hermite 半正定平方根

A1/2=QΛ1/2Q.

二者用途不同:Cholesky 适合求解和数值计算;平方根适合理论变换与矩阵函数。

5. Schur 补

对分块 Hermite 矩阵

M=(ABBC),

A0,则

M0CBA1B0.

CBA1B 称为关于 A 的 Schur 补。半正定版本需要更仔细地处理可逆性;考试中不要把正定结论直接把 改成 就结束。

6. 谱分解与几何

Hermite 矩阵存在酉对角化

A=QΛQ.

于是

xAx=iλi|qix|2.

这个式子同时解释了正定判据、惯性和椭球几何:每个特征方向 qi 上的曲率由 λi 决定。

7. Schur 补来自分块合同消元

A 可逆,直接计算可得

(I0BA1I)(ABBC)(IA1B0I)=(A00CBA1B).

左右两个三角矩阵互为共轭转置,所以这是合同变换。由惯性不变性,M 的正负方向数恰好是 A 与其 Schur 补的正负方向数之和;当 A0 时,立刻得到第 5 节的正定判据。

半正定版本不能只把 换成 。若 A0 可能奇异,则正确条件是

M0{A0,(IAA)B=0,CBAB0.

中间条件等价于 range(B)range(A),它防止 B 沿 A 的零空间制造负方向。

8. 配方法、惯性与一个完整例子

考虑

q(x,y)=x2+4xy+3y2.

配方得到

q=(x+2y)2y2.

u=x+2y,v=y,这个可逆变量替换把矩阵

(1223)

合同化为 diag(1,1)。因此惯性为 (1,1,0),二次型不定。这里并未计算特征值;配方法其实就是二次型版本的高斯消元。

9. 正定广义特征值问题

A=AB0,广义特征值问题

Ax=λBx

可通过 y=B1/2x 化为普通 Hermite 问题

B1/2AB1/2y=λy.

因此所有广义特征值为实数,并且不同特征值对应的特征向量关于 B-内积

x,yB=xBy

正交。振动、有限元和带权最小二乘中的“质量矩阵”正是这样进入谱问题的。

10. 常见误区

  • A0 必须先有 A=A;非 Hermite 矩阵通常不直接谈正定。
  • 元素全部为正不推出正定,正定也不要求元素逐项为正。
  • AA0 总成立;它正定当且仅当 A 满列秩。
  • 合同保持惯性,不保持每个特征值的数值。

11. 自检

  • [ ] 能从变量替换推导合同形式。
  • [ ] 能列出正定的至少三种等价判据。
  • [ ] 能正确写出 Schur 补并说明其可逆前提。
  • [ ] 能用谱分解解释二次型的正负方向。
  • [ ] 能用分块合同分解推导 Schur 补判据。
  • [ ] 知道半正定 Schur 补为何还需要值域条件。

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