半正定矩阵(Positive Semidefinite Matrix)
半正定二次型
定义:设二次型 xTAx\boldsymbol{x^T}A\boldsymbol{x}xTAx,若对任意 x≠0\boldsymbol{x} \neq \boldsymbol{0}x=0,都有 f(x)⩾0f(\boldsymbol{x})\geqslant0f(x)⩾0,则称 fff 为半正定二次型。
半正定矩阵
定义:设实对称矩阵 AAA,若对任意 x≠0\boldsymbol{x} \neq \boldsymbol{0}x=0,都有 xTAx⩾0\boldsymbol{x^T}A\boldsymbol{x}\geqslant0xTAx⩾0,则称 AAA 为半正定矩阵。
定理:nnn 元二次型 f=xTAxf=x^TAxf=xTAx 为半正定的充分必要条件:它的标准形的 nnn 个系数全为非负,即它的规范形的 nnn 个系数全为 000 或 111。
证: 设可逆变换 x=Cyx=Cyx=Cy 使
f(x)=f(Cy)=∑i=1nkiyi2
f(x)=f(Cy)=\sum_{i=1}^{n}k_iy_i^2
f(x)=f(Cy)=i=1∑nkiyi2
充分性:设 ki⩾0 (i=1,2,...,n)k_i\geqslant0\ (i=1,2,...,n)ki⩾0 (i=1,2,...,n),故
f(x)=∑i=1nkiyi2⩾0
f(x)=\sum_{i=1}^{n}k_iy_i^2 \geqslant 0
f(x)=i=1∑nkiyi2⩾0
必要性:反证法,假设有 ks<0k_s<0ks<0,则当 y=esy=e_sy=es(单位坐标向量)时,Ces≠0Ce_s\neq0Ces=0,f(Ces)=ks<0f(Ce_s)=k_s<0f(Ces)=ks<0,这与 fff 为半正定相矛盾,即证得 ki⩾0 (i=1,2,...,n)k_i\geqslant0\ (i=1,2,...,n)ki⩾0 (i=1,2,...,n)。
推论:对称矩阵 AAA 为半正定矩阵的充分必要条件:AAA 的特征值全为非负。
证:nnn 阶对称矩阵 AAA 为半正定矩阵
⟺ \iff⟺ f(x)=xTAxf(x)=x^TAxf(x)=xTAx 为半正定二次型
⟺ \iff⟺ fff 的标准形的 nnn 个系数全为非负,而这 nnn 个系数是 AAA 的 nnn 个特征值
⟺ \iff⟺ AAA 的特征值全为非负
推论:满秩半正定矩阵为正定矩阵。
证: 设 nnn 阶满秩半正定矩阵 AAA,其特征值为 λ1,λ2,...,λn\lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_nλ1,λ2,...,λn,有
λ1λ2⋯λn=∣A∣
\lambda_1\lambda_2\cdots\lambda_n=|A|
λ1λ2⋯λn=∣A∣
由于满秩矩阵为可逆矩阵,所以 λi≠0 (i=1,2,...,n)\lambda_i\neq0\ (i=1,2,...,n)λi=0 (i=1,2,...,n);又半正定矩阵的特征值全为非负, 得 AAA 的特征值全为正,即证得 AAA 为正定矩阵。