Positive Semidefinite Matrix

本文详细介绍了半正定矩阵和半正定二次型的概念,阐述了两者之间的联系。通过定理证明,说明了一个二次型为半正定的充分必要条件是其标准形的所有系数非负,这等价于对称矩阵的特征值全为非负。此外,还讨论了满秩半正定矩阵为正定矩阵的性质。这些理论在数学和工程领域有广泛应用。

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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}\geqslant0xTAx0,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 000111

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=1nkiyi2
​ 充分性:设 ki⩾0 (i=1,2,...,n)k_i\geqslant0\ (i=1,2,...,n)ki0 (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=1nkiyi20
​ 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=0f(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)ki0 (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 AAAnnn 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: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| λ1λ2λn=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。

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