MIT 18.06 linear algebra 第二十八讲笔记

MIT 18.06 linear algebra 第二十八讲笔记


  • Positive Definite Matrix
  • Tests for Minimum ( x T A x > 0 )
  • Ellipsoids in R n

假设正定矩阵 A = [ a b b c ] ,那么它满足:

  1. λ 1 > 0 , λ 2 > 0 .
  2. 主元均大于零, a > 0 , a c b 2 a > 0
  3. 子矩阵对应的行列式大于零, a > 0 , a c b 2 > 0
  4. x T A x > 0

假设有矩阵 [ 2 6 6 18 ] ,它的特征值为 λ 1 = 0 , λ 2 = 20 ,对于这样特征值均大于等于零(必须要含有零特征)矩阵称之为半正定矩阵。这个矩阵也只有一个主元为非零 p i v o t 1 = 2 , p i v o t 2 = 0
对于第四种判定方法,需要任意的 x 与之操作都大于零,那么他就是正定的。 [ x 1 x 2 ] [ 2 6 6 18 ] [ x 1 x 2 ] = [ x 1 x 2 ] [ 2 x 1 + 6 x 2 6 x 1 + 18 x 2 ] = 2 x 1 2 + 12 x 1 x 2 + 18 x 2 2 。这样就可以把一个矩阵写为二次型(quadratic form,没有常数项,也没有三四次项,每项都是二次的。)。前面的等式可以形式化为 a x 2 + 2 b x y + c y 2 ,如果对于任意的 x , y 都是大于零那么这个矩阵就是正定矩阵。

当矩阵为 [ 2 6 6 20 ] [ x 1 x 2 ] [ 2 6 6 20 ] [ x 1 x 2 ] = 2 x 1 2 + 12 x 1 x 2 + 20 x 2 2 ,这个等式在除 x = 0 外, x T A x > 0

2 x 1 2 + 12 x 1 x 2 + 20 x 2 2 = 2 ( x + 3 y ) 2 + 2 y 2 > 0 , x 0 。矩阵消元的过程 [ 2 6 6 20 ] [ 2 6 0 2 ] 。在这个消元过程中 L = [ 1 0 3 1 ] 。从前面的内容可以看出,两个主元的大小和配方法外的两个系数是一样的。内部的3和消元的因子是一样的。

例子矩阵 [ 2 1 0 1 2 1 0 1 2 ] ,它的子矩阵对应的行列式为2,3,4。主元为 2 , 3 2 , 4 3 。特征值为 2 2 , 2 , 2 + 2 x T A x = 2 x 1 2 + 2 x 2 2 + 2 x 3 2 2 x 1 x 2 2 x 2 x 3 > 0 ,对于这个方程,如果我们令其等于1,那么这样切出来的结果是一个橄榄球形的三维空间。那么这个橄榄型的主轴方向和主轴大小是由什么决定的呢?

假设 A 为对称矩阵, x T A x = x T Q Λ Q T x ,令 y = Q T x ,那么 x T A x = y T Λ y = λ 1 y 1 2 + λ 2 y 2 2 + λ 3 y 3 2 = 1 ,这样就转换成全部关于 y i 的二次式了。可见椭球的各个轴长是由 λ 决定的。由于 y = x T Q ,那么 x = Q y ,即 x 是关于特征向量的线性组合,因此轴的方向由特征向量决定。假设 Q = [ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] ,那么 y 1 = 1 λ 1 , y 2 = 1 λ 2 , y 3 = 1 λ 3 。因此, x = Q y ,其实 x 还是和 y 一样的垂直坐标系。所以说特征向量决定了椭球轴的方向。

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