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LUOYANG NORMAL UNIVERSITY
2012届 本科毕业论文
正定矩阵的性质及推广
院(系)名称 数学科学学院 专 业 名 称 数学与应用数学 学生姓名 李俊霞 学号 080414076 指导教师 黄盛 讲师 完 成 时 间 2012.5
正定矩阵的性质及推广
李俊霞
数学科学学院 数学与应用数学专业 学号: 080414076
指导教师:黄盛
摘要:正定矩阵是一类比较重要且应用广泛的矩阵,作为一种特殊的矩阵,当然有许多与其它矩阵不同的性质,本文首先给出了正定矩阵的若干性质. 其次,给出了正定矩阵在证明不等式、求函数的极值、多项式因式分解等方面的具体应用. 最后对正定矩阵作了进一步的推广,得到了广义正定矩阵的一些性质,并给出了相应的证明.
关键词:正定矩阵;广义正定矩阵;正对角矩阵;实对称矩阵
关于正定矩阵的定义
本科阶段学习的正定矩阵局限于实对称矩阵,它的常规定义为
定义 阶实对称矩阵称为正定的,如果对 ,都有.这种正定矩阵的全体记作.
年,首先提出了较广义的正定矩阵的定义,即
定义 设,如果对 ,都有,则称为正定矩阵,这种正定矩阵的全体记作.
年,佟文廷把这种矩阵推广为
定义 设,如果对,都有正对角矩阵
=,使得,则称为广义的正定矩阵,记为,若与无关,则记为.
年,夏长富对这种正定矩阵作进一步推广如下
定义 设,如果对,都存在,使得,称为广义正定矩阵,这种广义正定矩阵的集合记为,若与无关,则把这样的广义正定矩阵的集合记作.
正定矩阵的判定定理
定理 设是阶实对称矩阵,则下列命题等价
;
对,都有;
的正惯性指数为,负惯性指数为0;
的各阶顺序主子式都大于0;
存在阶可逆矩阵,使;
存在阶可逆矩阵,使=;
的各阶主子式都大于0;
存在正定矩阵,使;
所有与合同的矩阵是正定矩阵;
的特征值都大于0;
半正定且;
设,则和是正定矩阵.
存在对角元素全大于零的上三角矩阵,使.
证明 等价于
因为是实对称矩阵,所以可对角化,即存在正交矩阵,使
,
其中是的特征值,,所以
令=,则是正定矩阵且=.
反之,因为是正定矩阵,所以是正定矩阵,即是正定矩阵.
等价于
设是与合同的矩阵,正定,下证正定,对
,
作非退化线性替换,则
,
因为是正定矩阵,所以
,
即
,
所以是正定矩阵.
反之,令是正定矩阵,则
,
因为是正定矩阵,与合同,由上面的证明可知,是正定矩阵.
等价于
是正定矩阵等价于是正定矩阵,
,
,
等价于和是正定矩阵.
要证等价于,需先证明一个引理.
引理 设为一个级实矩阵,且,则可以分解成,其中是正交矩阵,是一上三角矩阵.
证明 设,其中是的列向量,因为,所以线性无关,可作为维线性空间的一组基,将其化为标准正交基,令
,
,
,
则
=,
将,,,标准化,令
,
,
,
则
,
是一组标准正交基,令
,
,
则是正交矩阵,是一上三角矩阵,且对角元素大于零.
下面证明等价于
是正定矩阵等价于存在可逆矩阵,使
,是上三角矩阵且对角元素大于0,同样的方法可证明下三角矩阵的情况. 其余等价命题参考文献.
正定矩阵的性质
性质 若是正定矩阵,则、、、也是正定矩阵.
证明 因为是正定矩阵,所以存在阶可逆矩阵,使,则
所以是正定矩阵.
另外,的特征值都大于,所以都大于,即的特征值都大于,所以也是正定矩阵.
对于任意的,,所以是正定矩阵.
因为=,所以是正定矩阵.
性质 设,是阶正定实对称矩阵,且满足,则也是正定实对称矩阵.
证明 因为,所以是实对称矩阵,设是的一个特征值,是对应于的特征向量,则
,
,
,
因为,是正定矩阵,所以,,所以,即的特征值都大于,所以也是正定实对称矩阵.
由性质的证明过程可知,正定矩阵乘积的特征值大于.
性质 若、都是正定矩阵,则是正定矩阵.
证明 显然是实对称矩阵,对于任意的
,
有
,
所以是正定矩阵.
推论 若、都是正定矩阵,则是正定矩阵.
性质 若、都是正定矩阵,则.
证明 因为是正定矩阵,所以存在可逆矩阵,使得 ,显然是对称矩阵,则可对角化,所以存在正交矩阵,使
=
因为是正定矩阵,所以,令,则
==
分别对上式两边求行列式得,
,
,
,
所以
,
因为
,
所以
.
此性质说明了对任意一个正定矩阵和一个实对称矩阵(不一定是正定的),存在可逆
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