Skip to main content

惯性定理与正定性

惯性定理

定理陈述

惯性定理:无论用什么可逆线性替换将实二次型化为标准形,标准形中正系数个数 pp 和负系数个数 qq 是唯一确定的。

  • pp正惯性指数
  • qq负惯性指数
  • r=p+q=rankAr = p + q = \operatorname{rank} A:二次型的秩
  • pqp - q符号差

惯性定理的意义

正负惯性指数是合同变换的完全不变量——两个实对称矩阵合同当且仅当它们有相同的正负惯性指数。

规范形

标准形可进一步化为规范形

f=y12++yp2yp+12yp+q2f = y_1^2 + \cdots + y_p^2 - y_{p+1}^2 - \cdots - y_{p+q}^2

即所有系数归一化为 +1+11-1

正定二次型

定义

实二次型 f(X)=XAXf(X) = X^\top A X 称为正定的,若对任意 X0X \neq 0,有 f(X)>0f(X) > 0

类似可定义负定f<0f < 0)、半正定f0f \geq 0)、半负定f0f \leq 0)、不定(既有正又有负)。

正定性判定

以下条件等价(AA 为实对称矩阵):

条件说明
f(X)>0f(X) > 0X0\forall X \neq 0定义
顺序主子式全 >0> 0最常用detAk>0\det A_k > 0k=1,,nk = 1, \ldots, n
特征值全为正λi>0\lambda_i > 0i=1,,ni = 1, \ldots, n
p=np = nq=0q = 0正惯性指数 = nn
存在可逆矩阵 CC 使 A=CCA = C^\top CCholesky 分解

顺序主子式

AA 的第 kk顺序主子式是左上角 k×kk \times k 子矩阵的行列式:

Δk=det(a11a1kak1akk)\Delta_k = \det\left(\begin{array}{ccc} a_{11} & \cdots & a_{1k} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{k1} & \cdots & a_{kk} \end{array}\right)

负定性的判定

  • 顺序主子式交错变号Δ1<0,Δ2>0,Δ3<0,\Delta_1 < 0, \Delta_2 > 0, \Delta_3 < 0, \ldots(即 (1)kΔk>0(-1)^k \Delta_k > 0
  • 特征值全为负

Sylvester 判则总结

类型顺序主子式特征值
正定Δk>0\Delta_k > 0(全正)λi>0\lambda_i > 0
负定(1)kΔk>0(-1)^k \Delta_k > 0(交错)λi<0\lambda_i < 0
半正定Δk0\Delta_k \geq 0(但不保证)λi0\lambda_i \geq 0
不定其他情形有正有负

二次型分类图解

正定 负定
(全 > 0) (全 < 0)
| |
半正定 --+-- 不定 --+-- 半负定
(≥ 0,有0) (有正有负) (≤ 0,有0)

关键事实:对实对称矩阵,特征值全正     \iff 正定     \iff 顺序主子式全正。