《矩阵论》第五章Hermite矩阵与正定矩阵

1、矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 第第5 5章章 HermiteHermite矩阵与正定矩阵矩阵与正定矩阵 5.1 Hermite5.1 Hermite矩阵与矩阵与HermiteHermite二次型二次型 5.4 Hermite5.4 Hermite矩阵的特征值矩阵的特征值* * 5.3 5.3 矩阵不等式矩阵不等式 5.2 Hermite5.2 Hermite正定（非负定）矩阵正定（非负定）矩阵 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 5.1 Hermite5.1 Hermite矩阵与矩阵与HermiteHermite二次型二次型 5.1.1 Hermite5.1.1 Herm

2、ite矩阵矩阵 5.1.2 5.1.2 矩阵的惯性矩阵的惯性 5.1.3 Hermite5.1.3 Hermite二次型二次型 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 5.1.1 HermiteHermite矩阵矩阵 Hermite矩阵具有如下简单性质矩阵具有如下简单性质： (1) 如果如果 A是是Hermite矩阵，则对正整数矩阵，则对正整数 k，Ak 也是也是 Hermite矩阵矩阵； (2) 如果如果 A是可逆是可逆Hermite矩阵，则矩阵，则A-1 是是Hermite矩阵矩阵； (3) 如果如果 A,B是是Hermite矩阵，则对实数矩阵，则对实数k,p, kA+pB 是是 He

3、rmite矩阵矩阵； 若若A,B是是Hermite矩阵，则矩阵，则 AB是是Hermite矩阵的矩阵的 充分必要条件是充分必要条件是AB = BA； (5) A是是Hermite矩阵的充分必要条件是对任意方阵矩阵的充分必要条件是对任意方阵 S， SH AS是是Hermite矩阵矩阵。 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 ., ,)( 是实数是实数必要条件是对任意必要条件是对任意 矩阵的充分矩阵的充分是是则则设设 AxxCx HermiteACaA Hn nn jk 设设 A为为n 阶阶Hermite矩阵，则矩阵，则 (1) A的所有特征值全是实数的所有特征值全是实数； (2) A的不同

4、特征值所对应的特征向量是互相正交的的不同特征值所对应的特征向量是互相正交的。 设设 ，则，则 A是是Hermite矩阵的充分矩阵的充分 必要条件是存在酉矩阵必要条件是存在酉矩阵U使得使得 nn CA )1 . 1 . 5(),( 21n H diagAUU 均为实数。均为实数。其中其中 n , 21 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 设 ，则则 A是实对称矩阵的充分是实对称矩阵的充分 必要条件是存在正交矩阵必要条件是存在正交矩阵Q使得使得 nn RA )2 . 1 . 5(),( 21n T diagAQQ 均为实数。均为实数。其中其中 n , 21 矩阵论第五章Hermite矩阵与

5、 正定矩阵 5.1.2 矩阵的惯性矩阵的惯性 设设 A是是n 阶阶Hermite矩阵，则矩阵，则 A相合于矩阵相合于矩阵 )3 . 1 . 5( 00 00 00 0 rn sr s O I I D 其中其中 r = rank(A)，s是是 A的正特征值（重特征值按的正特征值（重特征值按 重数计算）的个数重数计算）的个数。 (5.1.3)中矩阵称为中矩阵称为n 阶阶Hermite矩阵矩阵 A的的相合标准形。 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 定理定理5.1.6(Sylvester惯性定律）惯性定律） 设设 A,B是是n 阶阶Hermite 矩阵，则矩阵，则 A与与B相合的充分必要条件

6、是相合的充分必要条件是 )6 . 1 . 5()()(BInAIn 的的惯惯性性。为为矩矩阵阵则则称称 记记 特特征征值值按按重重数数计计算算）。轴轴上上特特征征值值的的个个数数（重重 平平面面、左左半半开开平平面面和和虚虚的的位位于于复复平平面面上上右右半半开开 分分别别表表示示和和、设设 AAIn AAAAIn AAAACA nn )( )(),(),()( )()()(, 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 5.1.3 Hermite5.1.3 Hermite二次型二次型 式式，系数为复数的二次齐，系数为复数的二次齐个复变量个复变量由由 n xxn, 1 )10. 1 . 5()

7、,( 11 1ji n i n j ijn xxaxxf ，称为，称为其中其中 jiij aa nnnnn n n x x x x aaa aaa aaa A 2 1 21 22221 11211 , 则则 A为为Hermite矩阵。称矩阵矩阵。称矩阵A为为Hermite二次型的二次型的 矩阵矩阵，并且称并且称 A的秩为的秩为Hermite二次型的秩二次型的秩。 二二次次型型。Hermite 记 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 利用利用Hermite二次型的矩阵二次型的矩阵，Hermite二次型可二次型可 表示为表示为 Axxxf H )( 设设P是是n阶可逆矩阵，作线性变换阶可逆

8、矩阵，作线性变换x = Py，则，则 ByyAxxxf HH )( .APPB H 其其中中 Hermite二次型中最简单的一种是只包含平方二次型中最简单的一种是只包含平方 项的二次型项的二次型 )12. 1 . 5( 222111nnn yyyyyy 称形如（称形如（5.1.12）的二次型为）的二次型为Hermite二次型的二次型的 标准形标准形。 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 对对Hermite二次型二次型 f (x) = xHAx，存在酉，存在酉 线性变换线性变换x = Uy（其中（其中U是酉矩阵）使得是酉矩阵）使得Hermite 二次型二次型f (x)变成标准形变成标准形

9、 nnn yyyyyy 222111 的的特特征征值值。矩矩阵阵是是其其中中AHermite n , 21 对对Hermite二次型二次型 f (x) = xHAx，存在可逆，存在可逆 线性变换线性变换x = Py 使得使得Hermite二次型二次型f (x)化为化为 rrssss H yyyyyyyyAxxxf 1111 )( 其中其中 r = rank(A)，s = (A). 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 Hermite二次型可分为五种情况二次型可分为五种情况 . 0, 0 , 0.,)1( 1 2 Axxy xyAxxnrs H n i i H 则则 若若则则规规范范形形为

10、为若若 . 0 .,)2( 1 2 AxxCx yAxxnrs Hn r i i H 都有都有 对任意对任意则规范形为则规范形为若若 . 0, 0 , 0., 0)3( 1 2 Axxy xyAxxnrs H n i i H 则则 若若则则规规范范形形为为若若 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 . 0 ., 0)4( 1 2 AxxCx yAxxnrs Hn r i i H 都有都有 对任意对任意则规范形为则规范形为若若 . 00, 0, .,0)5( 1 2 1 2 或等于或等于小于小于之值可以大于之值可以大于对不同的对不同的 则规范形为则规范形为若若 Axxx yyAxxnrs

11、H r si i s i i H 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 设设f (x) = xHAx为为Hermite二次型二次型。 为为正正定定的的； ，则则称称都都有有且且如如果果对对任任意意AxxAxxxCx HHn 0, 0)1( 的的；非非负负定定半半正正定定 为为，则则称称都都有有如如果果对对任任意意 )( 0,)2(AxxAxxCx HHn 为负定的；为负定的； ，则称，则称都有都有且且如果对任意如果对任意AxxAxxxCx HHn 0, 0)3( 半半负负定定的的； 为为，则则称称都都有有如如果果对对任任意意AxxAxxCx HHn 0,)4( . ,)5( 为为不不定定

12、的的 则则称称有有时时为为负负有有时时为为正正对对不不同同的的AxxAxxCx HHn 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 对对Hermite二次型二次型f (x) = xHAx, 有有 ；正定的充分必要条件为正定的充分必要条件为nrsAxx H )1( ；为为半正定的充分必要条件半正定的充分必要条件nrsAxx H )2( ；负定的充分必要条件为负定的充分必要条件为nrsAxx H , 0)3( ；为为半半负负定定的的充充分分必必要要条条件件nrsAxx H , 0)4( .0)5(nrsAxx H 不定的充分必要条件为不定的充分必要条件为 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵

13、 5.2 Hermite5.2 Hermite正定（非负定）矩阵正定（非负定）矩阵 . 0, )(, 0 ; 0,0, 0 , A AAxxCx AAAxxx CxHermitenA Hn H n 记记作作矩矩阵阵 半半正正定定为为非非负负定定则则称称都都有有果果对对任任意意 如如记记作作为为正正定定矩矩阵阵，则则称称都都有有 且且如如果果对对任任意意矩矩阵阵阶阶是是设设 正定（非负定）矩阵具有如下基本性质正定（非负定）矩阵具有如下基本性质： ；单单位位矩矩阵阵0)1( I ；则则数数若若0, 0, 0)2( kAkA ；则则若若0, 0, 0)3( BABA . 0, 0, 0)4( BAB

14、A则则若若 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 设设 A是是n 阶阶Hermite矩阵，则下列命题等价矩阵，则下列命题等价： (1) A是正定矩阵是正定矩阵； (2) 对任意对任意n 阶可逆矩阵阶可逆矩阵P,PHAP 都是都是Hermite正定正定 矩阵矩阵； (3) A的的n 个特征值均为正数个特征值均为正数； (4) 存在存在n 阶可逆矩阵阶可逆矩阵P使得使得PHAP = I； (5) 存在存在n 阶可逆矩阵阶可逆矩阵Q使得使得A = QHQ； (6) 存在存在n 阶可逆阶可逆Hermite矩阵矩阵S 使得使得A = S2. 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 ，则则 正正

15、定定矩矩阵阵，其其特特征征值值为为阶阶是是设设 n HermitenA , 21 是正定矩阵；是正定矩阵； 1 )1( A ; 0)2( AQQmnQ H 列列满满秩秩矩矩阵阵，则则是是任任一一如如果果 ;0)3( A . ), 2 , 1()()4(niAtr i 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 设设 A是是n 阶阶Hermite矩阵，则下列命题等价矩阵，则下列命题等价： (1) A是非负定矩阵是非负定矩阵； (2) 对任意对任意n 阶可逆矩阵阶可逆矩阵P, PHAP是是Hermite非负定非负定 矩阵矩阵； (3) A的的n 个特征值均为非负数个特征值均为非负数； );( ,

16、00 0 4 Arankr I APPPn rH 其其中中使使得得阶阶可可逆逆矩矩阵阵）存存在在（ ;)5(QQAQr H 使使得得的的矩矩阵阵存存在在秩秩为为 .6 2 SASHermiten 使使得得矩矩阵阵阶阶）存存在在（ 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 推论推论5.2.2 ，则，则 为为非负定矩阵，其特征值非负定矩阵，其特征值阶阶是是设设 n HermitenA , 21 ; 0)1( AQQmnQ H 矩矩阵阵，则则是是任任一一如如果果 ;0)2( A . ), 2 , 1()()3(niAtr i 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 n 阶阶Hermite矩阵矩

17、阵 A正定的充分必要条件是正定的充分必要条件是 A的顺序主子式均为正数，即的顺序主子式均为正数，即 nk k k A k , 10 1 1 n 阶阶Hermite矩阵矩阵 A正定的充分必要条件是正定的充分必要条件是 A的所有主子式全大于零的所有主子式全大于零。 n 阶阶Hermite矩阵矩阵 A非负定的充分必要条件非负定的充分必要条件 是是A的所有主子式均非负的所有主子式均非负。 n 阶阶Hermite矩阵矩阵 A正定的充分必要条件是正定的充分必要条件是 存在存在n 阶非奇异下三角矩阵阶非奇异下三角矩阵 L 使得使得 )3 . 2 . 5( H LLA 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩

18、阵 使得使得 和非零向量和非零向量如果存在复数如果存在复数设设 n nn Cx CBA , )5 . 2 . 5(BxAx 则称则称为为广义特征值问题广义特征值问题 的特征值，非零的特征值，非零 向量向量 x 称为对应于特征值的特征向量称为对应于特征值的特征向量。 BxAx 设设A,B 均为均为n 阶阶Hermite矩阵矩阵 ，且，且B0， 则存在非奇异矩阵则存在非奇异矩阵 P 使得使得 IBPPdiagAPP H n H ),( 1 的的特特征征值值。是是广广义义特特征征值值问问题题其其中中)5 . 2 . 5(, 21n 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 5.3 5.3 矩阵不等

19、式矩阵不等式 设设 A,B 都是都是n 阶阶Hermite矩阵，若矩阵，若AB0， 则称则称A大于或等于大于或等于B（或称（或称 B小于或等于小于或等于 A），记作），记作 AB（或（或BA）；若）；若AB0，则称，则称A大于大于B（或称（或称 B小于小于A），记作），记作AB或（或（B0， 则则 ; 1)()1( 1 ABAB 的充分必要条件是的充分必要条件是 . 1)()2( 1 ABAB 的的充充分分必必要要条条件件是是 设设A是是n 阶阶Hermite矩阵矩阵, 则则 其中其中 和和 分别表示分别表示A的最大和最小特征值。的最大和最小特征值。 IAAIA)()( maxmin )( m

20、ax A )( min A 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 推论推论5.3.1 设设A是是Hermite非负定矩阵，则非负定矩阵，则 A tr(A) I 。 设设A, B均为均为n 阶阶Hermite矩阵，则矩阵，则 ;00)1( 11 ABBA，则则若若 . 00)2( 11 ABBA，则则若若 设设A,B均为均为n 阶阶Hermite矩阵矩阵,且且AB = BA,则则 ;)1( 22 BABA ，则，则若若 .)2( 22 BABA ，则则若若 则则矩矩阵阵是是行行满满秩秩矩矩阵阵是是设设,knBnmA )()()( 1 ABAAABBB HHH .CABC km H 使得使得阵阵 矩矩要条件是存在一个要条件是存在一个其中等号成立的充分必其中等号成立的充分必 矩阵论第五章Hermite矩阵与 正定矩阵 5.4 Hermite5.4 Hermite矩阵的特征值矩阵的特征值* * 称称且且 对任意对任意矩阵矩阵阶阶为为设设 , 0 , x CxHermitenA n 0,)( x xx Axx xR H H 为为Hermite矩阵矩阵A的的Ray