二次形式 と正定値行列
Quadratic forms and positive definite matrices 正定値行列 せいていちぎょうれつ
1導入 どうにゅう
この
1Introduction
The important point of this lecture is that a
Eigenvalues are not only tools for diagonalization. In quadratic forms they control shape, convexity, and how values grow in different directions.
2用語 ようご と定義 ていぎ
と
と
を
2Terms and definitions
A
In the complex case, a
where is Hermitian. This condition ensures is real, so positivity and negativity make sense.
A real symmetric matrix is
for every . It is positive semidefinite if , negative definite if for all , and indefinite if the expression takes both positive and negative values.
3方針 ほうしん
と
となる。したがって
3Plan
Use orthogonal diagonalization. If and , then
Thus the sign of the quadratic form is reduced to the signs of the eigenvalues.
data/lecture/math/linear-algebra/symmetric-matrices-and-orthogonal-diagonalization.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/complex-inner-products-and-unitary-matrices.lecture.n.md4直感的 ちょっかんてき な説明 せつめい
4Intuitive explanation
A quadratic form measures how a value grows in each direction. If it is positive definite, moving away from the origin in any nonzero direction gives a positive value, like the bottom of a bowl. If it is indefinite, some directions give positive values and others give negative values, producing saddle behavior.
5厳密 げんみつ な説明 せつめい
5.11. 反対称成分 はんたいしょうせいぶん は二次形式 にじけいしき quadratic form に寄与 きよ しない
と
であるため、
である。したがって
5.22. 正定値性 せいていちせい と固有値 こゆうち eigenvalue
を
である。すべての が
となる。したがって は
5.33. シルベスター判定法 はんていほう
この
5.44. シルベスターの慣性法則 かんせいほうそく
となる。このような
のような
5Precise explanation
5.11. The skew-symmetric part does not contribute
For any real square matrix ,
Let be symmetric and be skew-symmetric. Since
we have
Thus only the symmetric part matters for a real quadratic form.
5.22. Positive definiteness and eigenvalues
For a real symmetric matrix ,
Indeed, write and . Then
If all , then implies , so the sum is positive. Conversely, if some , the corresponding eigenvector gives a negative value. If some , the corresponding nonzero eigenvector gives value , so is not positive definite. Thus positive semidefinite is not enough; strict positivity of all eigenvalues is required.
5.33. Sylvester's criterion
For a real symmetric matrix , positivity of all leading principal minors is equivalent to positive definiteness:
This is useful computationally, while the eigenvalue criterion explains the underlying geometry.
5.44. Sylvester's law of inertia
Under an invertible change of variables ,
This is a congruence transformation. Even if the quadratic form is rewritten as
the numbers of positive, negative, and zero square terms are invariant. This is Sylvester's law of inertia and shows that the sign structure does not depend on the chosen coordinates.
6具体例 ぐたいていれい
とする。
である。この
となる。
6Concrete example
Let
Then
The eigenvalues are and , both positive, so is positive definite. In orthogonally diagonalized coordinates,
The cross term disappears after changing to principal axes.
7ヘッセ行列 ぎょうれつ matrix による極値判定 きょくちはんてい
7Hessian test for extrema
Quadratic forms appear in second derivatives of multivariable functions. If is a critical point, meaning , and the Hessian matrix is positive definite, then is a strict local minimum. If the Hessian is negative definite, is a strict local maximum; if it is indefinite, is a saddle point. Without the critical-point assumption, positive definiteness of the Hessian alone does not imply a local extremum.
8判定基準 はんていきじゅん
二次形式 にじけいしき quadratic form では、対称部分 たいしょうぶぶん だけが寄与 きよ する。実対称行列 じつたいしょうぎょうれつ の正定値性 せいていちせい は、すべての固有値 こゆうち eigenvalue が正 せい であることと同値 どうち equivalent である。非負定値 ひふていち は、すべての固有値 こゆうち eigenvalue が 0以上 いじょう であることと同値 どうち equivalent である。不定 ふてい は、正 せい の固有値 こゆうち eigenvalue と負 ふ の固有値 こゆうち eigenvalue が混在 こんざい する状態 じょうたい である。停留点 ていりゅうてん では、ヘッセ行列 ぎょうれつ matrix の正定値性 せいていちせい が狭義局所最小 きょうぎきょくしょさいしょう の十分条件 じゅうぶんじょうけん になる。
8Criteria
- For a quadratic form, only the symmetric part of the matrix contributes.
- A real symmetric matrix is positive definite exactly when all eigenvalues are positive.
- It is positive semidefinite exactly when all eigenvalues are nonnegative.
- It is indefinite when positive and negative eigenvalues both occur.
- At a critical point, a positive definite Hessian is a sufficient condition for a strict local minimum.
9どこまで成立 せいりつ するか
9Scope and limitations
Eigenvalue tests for definiteness assume a symmetric or Hermitian matrix. For a nonsymmetric real matrix, the quadratic form only sees the symmetric part. In the complex case, use , not . If is not Hermitian, may be complex, so positivity is not directly meaningful.
10最終形 さいしゅうけい
10Final forms
11一言 ひとこと でいうと
二次形式 にじけいしき quadratic form は、対称行列 たいしょうぎょうれつ symmetric matrix の固有値 こゆうち eigenvalue によって符号 ふごう と形状 けいじょう を判定 はんてい できる二次式 にじしき である。
11In one sentence
A
12定理 ていり :正定値性 せいていちせい の同値条件 どうちじょうけん
を
- は
正定値 せいていち positive definite である。 - すべての
固有値 こゆうち eigenvalue が正 せい である。 直交対角化 ちょっこうたいかくか において、 の対角成分 たいかくせいぶん がすべて正 せい である。- すべての
左上 ひだりうえ の主小行列式 しゅしょうぎょうれつしき が正 せい である(シルベスター判定法 はんていほう )。
である。すべての なら
12Theorem: equivalent conditions for positive definiteness
Let be a real symmetric matrix. The following are equivalent:
- is
positive definite .正定値 せいていち - All eigenvalues of are positive.
- In an orthogonal diagonalization , every diagonal entry of is positive.
- All leading principal minors are positive, by Sylvester's criterion.
The core proof uses orthogonal diagonalization. If and , then preserves nonzero vectors and
If all , this is positive for every . Conversely, if some , choose to get , so is not positive definite.
13境界例 きょうかいれい :非負定値 ひふていち と正定値 せいていち の違 ちが い
では
である。しかし に
では であり、
13Boundary cases: positive semidefinite versus positive definite
For
we have
But for , . Thus is positive semidefinite, not positive definite. Positive definiteness does not allow a nonzero flat direction.
For
we have , which can be positive or negative depending on direction. Hence is indefinite.
14 行列 ぎょうれつ の実用判定 じつようはんてい
が
である。これは
14Practical test
For a real symmetric matrix
Sylvester's criterion gives
Computationally this is convenient. Geometrically it is another way of saying that all principal-axis stretch factors, namely the eigenvalues, are positive.
15最適化 さいてきか での注意 ちゅうい
15Optimization warning
In the second-derivative test, the assumption is essential. A positive definite Hessian means that the quadratic approximation opens upward near the point, but if the gradient is nonzero, a linear term remains and the point itself need not be a local minimum.