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 和负系数个数 是唯一确定的。
- :正惯性指数
- :负惯性指数
- :二次型的秩
- :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:
即所有系数归一化为 或 。
正定二次型
定义
实二次型 称为正定的,若对任意 ,有 。
类似可定义负定()、半正定()、半负定()、不定(既有正又有负)。
正定性判定
以下条件等价( 为实对称矩阵):
| 条件 | 说明 |
|---|---|
| () | 定义 |
| 顺序主子式全 | 最常用:() |
| 特征值全为正 | () |
| , | 正惯性指数 = |
| 存在可逆矩阵 使 | Cholesky 分解 |
顺序主子式
的第 个顺序主子式是左上角 子矩阵的行列式:
负定性的判定
- 顺序主子式交错变号:(即 )
- 特征值全为负
Sylvester 判则总结
| 类型 | 顺序主子式 | 特征值 |
|---|---|---|
| 正定 | (全正) | |
| 负定 | (交错) | |
| 半正定 | (但不保证) | |
| 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 正定 顺序主子式全正。