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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
反对称部分对二次型没有贡献,所以总可以取
其值为实数。
2. 合同描述变量替换
令
因此二次型换坐标对应合同变换
每个 Hermite 矩阵都合同于
三元组
3. 正定性的四种语言
对 Hermite 矩阵
对所有 成立。 - 所有特征值均为正。
- 存在可逆矩阵
使 。 - 所有顺序主子式均为正(Sylvester 判据)。
半正定写作
4. Cholesky 分解与平方根
若
这就是 Cholesky 分解。若只从谱分解出发,
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
若
6. 谱分解与几何
Hermite 矩阵存在酉对角化
于是
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
7. Schur 补来自分块合同消元
若
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,
半正定版本不能只把
中间条件等价于
8. 配方法、惯性与一个完整例子
考虑
配方得到
令
合同化为
9. 正定广义特征值问题
若
可通过
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
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
必须先有 ;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。
总成立;它正定当且仅当 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。
下一章:特征值与 Jordan 标准形。