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二次形式にじけいしきquadratic form正定値行列せいていちぎょうれつpositive definite matrix

date2026-07-14document_iddoc_4a8d2f4f75ae889a2fd408e5b2ba1761description二次形式を対称行列が定める量として導入し、直交対角化によって正定値性と固有値の関係を整理する講義である。prerequisites対称行列と直交対角化 / 行列式 / 固有値と固有ベクトルtype講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linear-algebra-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/completing-squares-and-quadratic-forms.lecture.n.md / 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.md / data/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/eigenvalues-diagonalization-and-extensions.exercise.n.md
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Quadratic forms二次形式にじけいしき 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

この講義こうぎ重要じゅうようなのは、二次形式にじけいしきquadratic form行列ぎょうれつmatrixによってさだまる二次式にじしきであり、対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrix固有値こゆうちeigenvalueつうじて符号ふごう判定はんていできるということである。

固有値こゆうちeigenvalueは、対角化たいかくかdiagonalization計算けいさんだけのために存在そんざいする概念がいねんではない。二次形式にじけいしきquadratic form観察かんさつすると、固有値こゆうちeigenvalue曲面きょくめんびや凸性とつせい支配しはいするりょうとして確認かくにんできる。

1Introduction

The important point of this lecture is that a quadratic form二次形式にじけいしき is a quadratic expression determined by a matrix行列ぎょうれつ, and that the sign of the form can be read from the eigenvalues固有値こゆうち of a symmetric matrix対称行列たいしょうぎょうれつ.

Eigenvalues are not only tools for diagonalization. In quadratic forms they control shape, convexity, and how values grow in different directions.

2用語ようご定義ていぎ

二次形式にじけいしきQuadratic form とは、実正方行列じつせいほうぎょうれつ A によって

q(x)=xTAx

定義ていぎされる関数かんすうである。ここで xRn である。

エルミート形式けいしきHermitian form とは、複素ふくそcomplex場合ばあい

q(x)=x*Ax

りょうである。ここでは Aエルミート行列ぎょうれつHermitian matrixとする。この条件じょうけんにより、x*Ax実数じっすうreal numberとして符号ふごう判定はんていできる。

正定値行列せいていちぎょうれつPositive definite matrix とは、実対称行列じつたいしょうぎょうれつ A任意にんいx0 について

xTAx>0

たすことである。非負定値ひふていちxTAx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0負定値ふていちxTAx<0不定ふていせいにもにもなる場合ばあいである。

2Terms and definitions

A quadratic form二次形式にじけいしき associated with a real square matrix A is

q(x)=xTAx,xRn.

In the complex case, a Hermitian formエルミート形式けいしき is

q(x)=x*Ax,

where A is Hermitian. This condition ensures x*Ax is real, so positivity and negativity make sense.

A real symmetric matrix A is positive definite正定値せいていち if

xTAx>0

for every x0. It is positive semidefinite if xTAx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, negative definite if xTAx<0 for all x0, and indefinite if the expression takes both positive and negative values.

3方針ほうしん

方針ほうしんは、二次形式にじけいしきquadratic form直交対角化ちょっこうたいかくか標準形ひょうじゅんけい変換へんかんすることである。対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrix A について

A=QDQT

直交対角化ちょっこうたいかくかし、y=QTx置換ちかんすると

xTAx=yTDy=λ1y12++λnyn2

となる。したがって符号ふごう固有値こゆうちeigenvalue符号ふごう還元かんげんされる。

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3Plan

Use orthogonal diagonalization. If A=QDQT and y=QTx, then

xTAx=yTDy=λ1y12++λnyn2.

Thus the sign of the quadratic form is reduced to the signs of the eigenvalues.

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4直感的ちょっかんてき説明せつめい

二次形式にじけいしきquadratic formは、方向ほうこうごとにあたい増加ぞうか仕方しかた測定そくていする装置そうちである。正定値せいていちpositive definiteであれば、原点げんてんからどの方向ほうこう移動いどうしてもあたいせいになる。これは原点げんてんたにそこのように振舞ふるまうことに対応たいおうする。

不定ふていであれば、方向ほうこうによってあたいせいにもにもなる。鞍点あんてんのような形状けいじょう発生はっせいする。

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厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 反対称成分はんたいしょうせいぶん二次形式にじけいしきquadratic form寄与きよしない

任意にんい実正方行列じつせいほうぎょうれつ A について

A=A+AT2+A-AT2

分解ぶんかいできる。S=(A+AT)/2対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixK=(A-AT)/2反対称行列はんたいしょうぎょうれつである。反対称行列はんたいしょうぎょうれつについては

xTKx=0

であるため、

xTAx=xTSx

である。したがって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を考察こうさつすれば十分じゅうぶんである。

5.22. 正定値性せいていちせい固有値こゆうちeigenvalue

A実対称行列じつたいしょうぎょうれつとする。このときつぎ同値どうちequivalentである。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Aは正定値λi>0(i=1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],n)

理由りゆう直交対角化ちょっこうたいかくかである。A=QDQTy=QTx とすると

xTAx=λ1y12++λnyn2

である。すべての λiせいなら、x0 すなわち y0たいして xTAx>0 である。ぎゃくに、ある λi<0 なら、その固有方向こゆうほうこうあたいになる。

境界きょうかいとして、ある λi=0場合ばあい確認かくにんしておく。このとき、その固有値こゆうちeigenvalue対応たいおうする単位たんい固有ベクトルeigenvectorqi とすれば、qi0 であるにもかかわらず

qiTAqi=0

となる。したがって A正定値せいていちpositive definiteではない。つまり「λi[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0」では正定値せいていちpositive definiteには不足ふそくであり、すべての固有値こゆうちeigenvalueせいであること、すなわち λi>0必要ひつようである。

5.33. シルベスター判定法はんていほう

実対称行列じつたいしょうぎょうれつ A について、左上ひだりうえからの主小行列式しゅしょうぎょうれつしきがすべてせいであることは、A正定値せいていちpositive definiteであることと同値どうちequivalentである。

detA1>0,detA2>0,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],detAn>0

この判定法はんていほう計算上けいさんじょう有用ゆうようである。ただし、本質ほんしつ固有値こゆうちeigenvalue符号ふごうによる判定はんていである。

5.44. シルベスターの慣性法則かんせいほうそく

実対称行列じつたいしょうぎょうれつ Aたいして、可逆かぎゃくinvertible変数変換へんすうへんかん x=Pyおこなうと

xTAx=yT(PTAP)y

となる。このような変換へんかん合同変換ごうどうへんかんという。対角化たいかくかdiagonalizationによって二次形式にじけいしきquadratic form

y12++yp2-yp+12--yp+q2

のようなかたち整理せいりしても、せい平方項へいほうこう個数こすう p平方項へいほうこう個数こすう q、0 の個数こすう変化へんかしない。これをシルベスターの慣性法則かんせいほうそくという。この不変量ふへんりょうにより、二次形式にじけいしきquadratic form符号構造ふごうこうぞう座標選択ざひょうせんたく依存いぞんしない。

5Precise explanation

5.11. The skew-symmetric part does not contribute

For any real square matrix A,

A=A+AT2+A-AT2.

Let S=(A+AT)/2 be symmetric and K=(A-AT)/2 be skew-symmetric. Since

xTKx=0,

we have

xTAx=xTSx.

Thus only the symmetric part matters for a real quadratic form.

5.22. Positive definiteness and eigenvalues

For a real symmetric matrix A,

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Aispositivedefiniteλi>0(i=1,,n).

Indeed, write A=QDQT and y=QTx. Then

xTAx=λ1y12++λnyn2.

If all λi>0, then x0 implies y0, so the sum is positive. Conversely, if some λi<0, the corresponding eigenvector gives a negative value. If some λi=0, the corresponding nonzero eigenvector gives value 0, so A 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 A, positivity of all leading principal minors is equivalent to positive definiteness:

detA1>0,detA2>0,,detAn>0.

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 x=Py,

xTAx=yT(PTAP)y.

This is a congruence transformation. Even if the quadratic form is rewritten as

y12++yp2-yp+12--yp+q2,

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

A=(2112)

とする。二次形式にじけいしきquadratic form

xTAx=2x12+2x1x2+2x22

である。この行列ぎょうれつmatrix固有値こゆうちeigenvalue3,1 であり、どちらもせいである。したがって A正定値せいていちpositive definiteである。

直交対角化ちょっこうたいかくかした座標ざひょうでは

xTAx=3y12+y22

となる。交差項こうさこう 2x1x2 は、主軸しゅじく沿った座標ざひょう変換へんかんすると消去しょうきょされる。

6Concrete example

Let

A=(2112).

Then

xTAx=2x12+2x1x2+2x22.

The eigenvalues are 3 and 1, both positive, so A is positive definite. In orthogonally diagonalized coordinates,

xTAx=3y12+y22.

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

二次形式にじけいしきquadratic formは、多変数関数たへんすうかんすう二階微分にかいびぶんとも関係かんけいする。てん a停留点ていりゅうてん、すなわち f(a)=0たすとき、ヘッセ行列ぎょうれつmatrix Hf(a)正定値せいていちpositive definiteなら a狭義局所最小点きょうぎきょくしょさいしょうてんである。負定値ふていちなら狭義局所最大点きょうぎきょくしょさいだいてんであり、不定ふていなら鞍点あんてんになる。停留点ていりゅうてんであることを仮定かていしない場合ばあい、ヘッセ行列ぎょうれつmatrix正定値性せいていちせいだけでは局所極値きょくしょきょくち結論けつろんできない。

7Hessian test for extrema

Quadratic forms appear in second derivatives of multivariable functions. If a is a critical point, meaning f(a)=0, and the Hessian matrix Hf(a) is positive definite, then a is a strict local minimum. If the Hessian is negative definite, a is a strict local maximum; if it is indefinite, a 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正定値性せいていちせいは、すべての固有値こゆうちeigenvalue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、せい固有値こゆうちeigenvalue固有値こゆうちeigenvalue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正定値性せいていちせい狭義局所最小きょうぎきょくしょさいしょう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

固有値こゆうちeigenvalue正定値性せいていちせい判定はんていする議論ぎろんは、対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixまたはエルミート行列ぎょうれつmatrix基本対象きほんたいしょうにする。一般いっぱん非対称行列ひたいしょうぎょうれつでは、二次形式にじけいしきquadratic form寄与きよするのは対称部分たいしょうぶぶんである。

複素ふくそcomplexでは xTAx ではなく x*Ax使つかう。エルミート行列ぎょうれつHermitian matrixでない Aたいしては、x*Ax一般いっぱん複素数ふくそすうcomplex numberになり、せいという判定はんていがそのままでは意味いみたない。

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 x*Ax, not xTAx. If A is not Hermitian, x*Ax may be complex, so positivity is not directly meaningful.

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]q(x)=xTAx
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]xTAx=yTDy=iλiyi2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A>0λi>0foralli
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A>0detAk>0(k=1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],n)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]合同変換では慣性指数が保存される

10Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]q(x)=xTAx
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]xTAx=yTDy=iλiyi2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A>0λi>0foralli
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A>0detAk>0(k=1,,n)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Congruencetransformationspreserveinertia[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")]

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固有値こゆうちeigenvalueによって符号ふごう形状けいじょう判定はんていできる二次式にじしきである。

11In one sentence

A quadratic form二次形式にじけいしき is a quadratic expression whose sign and shape are determined by the eigenvalues of its symmetric or Hermitian matrix.

12定理ていり正定値性せいていちせい同値条件どうちじょうけん

A実対称行列じつたいしょうぎょうれつとする。つぎ同値どうちequivalentである。

  • A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せいである。
  • 直交対角化ちょっこうたいかくか A=QDQT において、D対角成分たいかくせいぶんがすべてせいである。
  • すべての左上ひだりうえ主小行列式しゅしょうぎょうれつしきせいである(シルベスター判定法はんていほう)。

証明しょうめい中心ちゅうしん直交対角化ちょっこうたいかくかである。A=QDQTy=QTx とすれば、Qながさをたもつので x0y0 であり、

xTAx=yTDy=iλiyi2

である。すべての λi>0 なら右辺うへんy0せいになる。ぎゃくλj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0 なら、y=ejることで xTAx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0 となり、正定値せいていちpositive definiteではない。

12Theorem: equivalent conditions for positive definiteness

Let A be a real symmetric matrix. The following are equivalent:

  • A is positive definite正定値せいていち.
  • All eigenvalues of A are positive.
  • In an orthogonal diagonalization A=QDQT, every diagonal entry of D is positive.
  • All leading principal minors are positive, by Sylvester's criterion.

The core proof uses orthogonal diagonalization. If A=QDQT and y=QTx, then Q preserves nonzero vectors and

xTAx=yTDy=iλiyi2.

If all λi>0, this is positive for every y0. Conversely, if some λj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0, choose y=ej to get xTAx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0, so A is not positive definite.

13境界例きょうかいれい非負定値ひふていち正定値せいていちちが

A=(1000)

では

xTAx=x12[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

である。しかし x=(0,1)T0たいして xTAx=0 なので、A非負定値ひふていちだが正定値せいていちpositive definiteではない。正定値せいていちでは、0 でない方向ほうこうたいらにのこってはいけない。

B=(100-1)

では xTBx=x12-x22 であり、方向ほうこうによってせいにもにもなる。したがって B不定ふていである。

13Boundary cases: positive semidefinite versus positive definite

For

A=(1000),

we have

xTAx=x12[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0.

But for x=(0,1)T0, xTAx=0. Thus A is positive semidefinite, not positive definite. Positive definiteness does not allow a nonzero flat direction.

For

B=(100-1),

we have xTBx=x12-x22, which can be positive or negative depending on direction. Hence B is indefinite.

142×2 行列ぎょうれつ実用判定じつようはんてい

A=(abbd)

実対称じつたいしょうなら、シルベスター判定法はんていほうにより

A>0a>0,ad-b2>0

である。これは計算けいさんでは便利べんりだが、幾何学的きかがくてきには「主軸方向しゅじくほうこうびがすべてせい」という固有値こゆうちeigenvalue条件じょうけん別形式べつけいしきあらわしたものである。

14Practical 2×2 test

For a real symmetric matrix

A=(abbd),

Sylvester's criterion gives

A>0a>0,ad-b2>0.

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

二階微分にかいびぶん判定はんていでは、停留点ていりゅうてん f(a)=0 であることが重要じゅうようである。たとえばヘッセ行列ぎょうれつmatrix正定値せいていちpositive definiteでも、勾配こうばいが 0 でなければ、そのてん局所最小きょくしょさいしょうとは結論けつろんできない。正定値せいていちなヘッセ行列ぎょうれつは「そのてんまわりでうえひら二次近似にじきんじ」を意味いみするが、一次項いちじこうのこっているとてんそのものは谷底たにぞこではない。

15Optimization warning

In the second-derivative test, the assumption f(a)=0 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.

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