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正定矩阵(Positivedefinitematrix)

(2018-09-28 19:10:45)
分类: 数理
在线性代数里,正定矩阵 (positive definite matrix) 有时会简称为正定阵。 
定义:A是n阶方阵,如果对任何非零向量x,都有xTAx>0,其中xT表示x的转置,就称A正定矩阵

性质:

  1. 正定矩阵的行列式恒为正
  2. 实对称矩阵A正定当且仅当A与单位矩阵合同;
  3. 两个正定矩阵的和是正定矩阵;
  4. 正实数与正定矩阵的乘积是正定矩阵。

http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/tab/tab4-1.jpg   定理2:设n阶矩阵http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image121.gif
 证:对任意取定的http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image122.gif 
    由A的正定性必有:http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image123.gif 
    证毕

  例2:http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image124.gif是不是正定二次型?
  解: http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image018.gif为非正定二次型。

http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/tab/tab4-1.jpg   定理3:设A与B是两个合同的实对称矩阵,则A为正定矩阵http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image127.gifB为正定矩阵。
证:由A与B合同,即存在可逆矩阵P,使http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image128.gif 
    如果A为正定矩阵,那么对于任何http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image131.gif这说明B正定。
    反之,当B为正定矩阵时,由合同关系的对称性,A也是B的合同矩阵,则A也是正定矩阵。证毕

  这个定理可以简述为:“正定矩阵的合同矩阵一定也是正定矩阵”或改用二次型语言:即二次型的正定性经可逆线性变换保持不变

http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/tab/tab4-1.jpg   定理4:同阶正定矩阵的正系数线性组合仍为正定矩阵。

证:设A,B是两个同阶正定矩阵,http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image132.gif为任意两个正数。
    首先http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image133.gif为正定矩阵。 证毕

  注:这里http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image132.gif中有一个为零时,结论也对。

http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/tab/tab4-1.jpg   定理5:n阶对称矩阵A是正定矩阵http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image127.gifA的n个特征值全大于零。
证:由A为n阶实对称矩阵,故存在正交矩阵P,使http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image111.gif合同。
则A正定http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image111.gif的对角元,即A的n个特征值全大于零。
    证毕。

  推论(1)n阶对称矩阵A是正定矩阵http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image127.gifA的正惯性指数为n
    (2)n阶对称矩阵A是正定矩阵http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image127.gif 正定矩阵(Positivedefinitematrix) 
    (3)任意两个同阶正定矩阵必是合同矩阵。
  证:(1)因为A的正惯性指数就是A的正特征值的个数。
所以A正定http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image127.gifn个特征值全大于零http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image127.gifA的正惯性指数为n。
    (2)由对称矩阵的惯性定理,对任意一个n阶对称矩阵A,它一定合同于对角矩阵http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image086.gif为A的正惯性指数。
由A正定http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image127.gif 正定矩阵(Positivedefinitematrix)合同于单位矩阵E。
    (3)设A和B都是n阶正定矩阵,则A与B都合同于n阶单位矩阵,则由合同关系的传递性,说明A和B都是合同矩阵。

例3:设A是n阶正定矩阵,则A为可逆矩阵,且A的逆矩阵与伴随矩阵也必是正定矩阵。
  证:(1)因为A是n阶正定矩阵,所以它的n个特征值http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image139.gif,故A必是可逆矩阵。
    (2)由设A的n个特征值为http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image140.gif也必为正定矩阵。
    (3)因http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image144.gif也必为正定矩阵。

  在例3的证明过程中,已知正定矩阵A的行列式http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image145.gif还不能保证A为正定矩阵,还需加强条件,下面我们来计论相关问题,引入概念:



http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/tab/tab4-1.jpg   定理6:n阶实对称矩阵A是正定矩阵的充分必要条件为A的n个顺序主子式全大于零。
例4:判定http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image149.gif是不是正定矩阵?
  解:A为实对称矩阵http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image151.gif 
    所在,A是正定矩阵。

  例5:http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image152.gif是不是正定二次型?
  解: http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image154.gif 
    所以http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/images/06/image018.gif不是正定二次型。

来源:http://www2.edu-edu.com.cn/lesson_crs78/self/j_4184/soft/ch0602.html


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