正定矩阵(Positive Definite Matrices)、半正定矩阵(Positive Semidefinite Matrices)

article/2025/9/20 4:03:03

正定矩阵、半正定矩阵

1.正定矩阵、半正定矩阵

推荐文章:如何理解正定矩阵和半正定矩阵

1.1 正定矩阵

1.1.1 判断正定矩阵

1.矩阵的所有特征值都为正数

下面以对称矩阵为例,对称矩阵的特征值为正数,所以对称矩阵是正定矩阵


λ 1 > 0 、 λ 2 > 0 { λ 1 λ 2 = d e t S = a c − b 2 > 0 λ 1 + λ 2 = t r S = a + c > 0 \lambda_1\gt0、\lambda_2\gt0\\ ~\\ \begin{cases} \lambda_1\lambda_2=det\ S=ac-b^2\gt0\\ \lambda_1+\lambda_2=tr\ S=a+c\gt0 \end{cases} λ1>0λ2>0 {λ1λ2=det S=acb2>0λ1+λ2=tr S=a+c>0

2.矩阵消元后的每个主元都为正数

3.矩阵的所有顺序主子式的行列式都是正的

4.对于所有非零向量(不仅仅是特征向量) x \boldsymbol{x} x,都有 x T S x > 0 \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}\gt 0 xTSx>0【在许多应用中, x T S x \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x} xTSx 的结果代表系统中的能量

S x = λ x x T S x = x T λ x x T S x = λ x T x x T S x = λ ∣ ∣ x ∣ ∣ 2 λ > 0 x T S x = λ ∣ ∣ x ∣ ∣ 2 > 0 x T S x > 0 S\boldsymbol{x}=\lambda\boldsymbol{x}\\ ~\\ \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}=\boldsymbol{x}^T\lambda\boldsymbol{x}\\ ~\\ \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}=\lambda\boldsymbol{x}^T\boldsymbol{x}\\ ~\\ \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}=\lambda||\boldsymbol{x}||^2\\ ~\\ \lambda\gt 0\\ ~\\ \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}=\lambda||\boldsymbol{x}||^2\gt0\\ ~\\ \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}\gt 0 Sx=λx xTSx=xTλx xTSx=λxTx xTSx=λ∣∣x2 λ>0 xTSx=λ∣∣x2>0 xTSx>0

5.如果矩阵A的列是线性无关的,则 S = A T A S=A^TA S=ATA是正定矩阵

x T S x = x T ( A T A ) x = ( x T A T ) ( A x ) = ( A x ) T ( A x ) = ∣ ∣ A x ∣ ∣ 2 > 0 \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}=\boldsymbol{x}^T(A^TA)\boldsymbol{x}=(\boldsymbol{x}^TA^T)(A\boldsymbol{x})=(A\boldsymbol{x})^T(A\boldsymbol{x})=||A\boldsymbol{x}||^2\gt0 xTSx=xT(ATA)x=(xTAT)(Ax)=(Ax)T(Ax)=∣∣Ax2>0

综上:矩阵正定的五个等价判定

1.2 半正定矩阵

1.2.1 判定半正定矩阵

半正定矩阵是正定矩阵的推广,相比正定矩阵,判定条件多了一个可以等于0的条件

1.所有矩阵特征值 ≥ 0 \geq 0 0
2.消元后的所有主元 ≥ 0 \geq 0 0
3.矩阵的所有顺序主子式的行列式都 ≥ 0 \geq 0 0
4.对于所有非零向量(不仅仅是特征向量) x \boldsymbol{x} x,都有 x T S x ≥ 0 \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}\geq 0 xTSx0
5.如果矩阵A的列是线性有关的,则 S = A T A S=A^TA S=ATA是正定矩阵

1.3 椭圆 a x 2 + 2 b x y + c y 2 = 1 ax^2+2bxy+cy^2=1 ax2+2bxy+cy2=1


例子:

1.3.1 与对称矩阵 S S S有关的椭圆

x T S x = 1 [ x y ] [ 5 4 4 5 ] [ x y ] = 1 S = [ 5 4 4 5 ] \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}=1\\ ~\\ \begin{bmatrix} x & y \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 5 & 4\\ 4 & 5 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix}=1\\ ~\\ S=\begin{bmatrix} 5 & 4\\ 4 & 5 \end{bmatrix} xTSx=1 [xy][5445][xy]=1 S=[5445]
求解矩阵 S S S 的特征值和特征向量
d e t S = λ 1 λ 2 = 9 t r S = λ 1 + λ 2 = 10 λ 1 = 9 、 λ 2 = 1 det\ S=\lambda_1\lambda_2=9\\ ~\\ tr\ S=\lambda_1+\lambda_2=10\\ ~\\ \lambda_1=9、\lambda_2=1\\ det S=λ1λ2=9 tr S=λ1+λ2=10 λ1=9λ2=1

S x 1 = λ 1 x 1 [ 5 4 4 5 ] [ a 1 a 2 ] = 9 [ a 1 a 2 ] a 1 = a 2 x 1 = [ 1 1 ] S\boldsymbol{x}_1=\lambda_1\boldsymbol{x}_1\\ ~\\ \begin{bmatrix} 5 & 4\\ 4 & 5 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1\\ a_2 \end{bmatrix}=9 \begin{bmatrix} a_1\\ a_2 \end{bmatrix}\\ ~\\ a_1=a_2\\ ~\\ \boldsymbol{x}_1=\begin{bmatrix} 1\\ 1 \end{bmatrix}\\ Sx1=λ1x1 [5445][a1a2]=9[a1a2] a1=a2 x1=[11]

S x 2 = λ 2 x 2 [ 5 4 4 5 ] [ a 1 a 2 ] = [ a 1 a 2 ] a 1 = − a 2 x 2 = [ 1 − 1 ] S\boldsymbol{x}_2=\lambda_2\boldsymbol{x}_2\\ ~\\ \begin{bmatrix} 5 & 4\\ 4 & 5 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1\\ a_2 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} a_1\\ a_2 \end{bmatrix}\\ ~\\ a_1=-a_2\\ ~\\ \boldsymbol{x}_2=\begin{bmatrix} 1\\ -1 \end{bmatrix}\\ Sx2=λ2x2 [5445][a1a2]=[a1a2] a1=a2 x2=[11]

q 1 = x 1 ∣ ∣ x 1 ∣ ∣ 、 q 2 = x 2 ∣ ∣ x 2 ∣ ∣ \boldsymbol{q}_1=\frac{\boldsymbol{x}_1}{||\boldsymbol{x}_1||}、\boldsymbol{q}_2=\frac{\boldsymbol{x}_2}{||\boldsymbol{x}_2||} q1=∣∣x1∣∣x1q2=∣∣x2∣∣x2

Q = [ q 1 q 2 ] = 1 2 [ 1 1 1 − 1 ] Λ = [ λ 1 0 0 λ 2 ] = [ 9 0 0 1 ] Q=[\boldsymbol{q}_1\quad\boldsymbol{q}_2]=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1 \end{bmatrix}\\ ~\\ \Lambda= \begin{bmatrix} \lambda_1 & 0\\ 0 & \lambda_2 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 9 & 0\\ 0 & 1 \end{bmatrix} Q=[q1q2]=2 1[1111] Λ=[λ100λ2]=[9001]

In xy system,axes are along the eigenvectors of S S S

1.3.2 与特征值矩阵 Λ \Lambda Λ有关的椭圆

S = Q Λ Q T ( P r i n c i p a l A x i s T h e o r e m ) x T S x = ( x T Q ) Λ ( Q T x ) = X T Λ X S=Q\Lambda Q^T(Principal\ Axis\ Theorem)\\ ~\\ \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}=(\boldsymbol{x}^TQ)\Lambda (Q^T\boldsymbol{x})=X^T\Lambda X S=QΛQTPrincipal Axis Theorem xTSx=(xTQ)Λ(QTx)=XTΛX

x T S x = [ x y ] [ 5 4 4 5 ] [ x y ] = 1 S = Q Λ Q T = 1 2 [ 1 1 1 − 1 ] [ 9 0 0 1 ] 1 2 [ 1 1 1 − 1 ] [ X Y ] = Q T [ x y ] = 1 2 [ 1 1 1 − 1 ] [ x y ] = 1 2 [ x + y x − y ] X = x + y 2 、 Y = x − y 2 \boldsymbol{x}^TS\boldsymbol{x}= \begin{bmatrix} x & y \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 5 & 4\\ 4 & 5 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix}=1\\ ~\\ S=Q\Lambda Q^T= \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 9 & 0\\ 0 & 1 \end{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1 \end{bmatrix}\\ ~\\ \begin{bmatrix} X\\ Y \end{bmatrix}=Q^T\begin{bmatrix} x\\ y \end{bmatrix}= \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y \end{bmatrix}=\frac{1}{\sqrt{2}} \begin{bmatrix} x+y\\ x-y \end{bmatrix}\\ ~\\ X=\frac{x+y}{\sqrt{2}}、Y=\frac{x-y}{\sqrt{2}} xTSx=[xy][5445][xy]=1 S=QΛQT=2 1[1111][9001]2 1[1111] [XY]=QT[xy]=2 1[1111][xy]=2 1[x+yxy] X=2 x+yY=2 xy

λ 1 X 2 + λ 2 Y 2 = 1 9 ( x + y 2 ) 2 + ( x − y 2 ) 2 = 1 \lambda_1X^2+\lambda_2 Y^2=1\\ ~\\ 9\bigg(\frac{x+y}{\sqrt{2}}\bigg)^2+\bigg(\frac{x-y}{\sqrt{2}}\bigg)^2=1 λ1X2+λ2Y2=1 9(2 x+y)2+(2 xy)2=1

In XY system,axes are along the eigenvectors of Λ \Lambda Λ

1.4 重要应用:检验最小值

矩阵正定说明其表示的二次曲面开口朝上
矩阵负定说明其表示的二次曲面开口朝下


http://chatgpt.dhexx.cn/article/S4xEPqpm.shtml

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