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LUOYANG NORMAL UNIVERSITY 2012届 本科毕业论文 正定矩阵的性质及推广 院(系)名称 数学科学学院 专 业 名 称 数学与应用数学 学生姓名 李俊霞 学号 080414076 指导教师 黄盛 讲师 完 成 时 间 2012.5 正定矩阵的性质及推广 李俊霞 数学科学学院 数学与应用数学专业 学号: 080414076 指导教师:黄盛 摘要:正定矩阵是一类比较重要且应用广泛的矩阵,作为一种特殊的矩阵,当然有许多与其它矩阵不同的性质,本文首先给出了正定矩阵的若干性质. 其次,给出了正定矩阵在证明不等式、求函数的极值、多项式因式分解等方面的具体应用. 最后对正定矩阵作了进一步的推广,得到了广义正定矩阵的一些性质,并给出了相应的证明. 关键词:正定矩阵;广义正定矩阵;正对角矩阵;实对称矩阵 关于正定矩阵的定义 本科阶段学习的正定矩阵局限于实对称矩阵,它的常规定义为 定义 阶实对称矩阵称为正定的,如果对 ,都有.这种正定矩阵的全体记作. 年,首先提出了较广义的正定矩阵的定义,即 定义 设,如果对 ,都有,则称为正定矩阵,这种正定矩阵的全体记作. 年,佟文廷把这种矩阵推广为 定义 设,如果对,都有正对角矩阵 =,使得,则称为广义的正定矩阵,记为,若与无关,则记为. 年,夏长富对这种正定矩阵作进一步推广如下 定义 设,如果对,都存在,使得,称为广义正定矩阵,这种广义正定矩阵的集合记为,若与无关,则把这样的广义正定矩阵的集合记作. 正定矩阵的判定定理 定理 设是阶实对称矩阵,则下列命题等价 ; 对,都有; 的正惯性指数为,负惯性指数为0; 的各阶顺序主子式都大于0; 存在阶可逆矩阵,使; 存在阶可逆矩阵,使=; 的各阶主子式都大于0; 存在正定矩阵,使; 所有与合同的矩阵是正定矩阵; 的特征值都大于0; 半正定且; 设,则和是正定矩阵. 存在对角元素全大于零的上三角矩阵,使. 证明 等价于 因为是实对称矩阵,所以可对角化,即存在正交矩阵,使 , 其中是的特征值,,所以 令=,则是正定矩阵且=. 反之,因为是正定矩阵,所以是正定矩阵,即是正定矩阵. 等价于 设是与合同的矩阵,正定,下证正定,对 , 作非退化线性替换,则 , 因为是正定矩阵,所以 , 即 , 所以是正定矩阵. 反之,令是正定矩阵,则 , 因为是正定矩阵,与合同,由上面的证明可知,是正定矩阵. 等价于 是正定矩阵等价于是正定矩阵, , , 等价于和是正定矩阵. 要证等价于,需先证明一个引理. 引理 设为一个级实矩阵,且,则可以分解成,其中是正交矩阵,是一上三角矩阵. 证明 设,其中是的列向量,因为,所以线性无关,可作为维线性空间的一组基,将其化为标准正交基,令 , , , 则 =, 将,,,标准化,令 , , , 则 , 是一组标准正交基,令 , , 则是正交矩阵,是一上三角矩阵,且对角元素大于零. 下面证明等价于 是正定矩阵等价于存在可逆矩阵,使 ,是上三角矩阵且对角元素大于0,同样的方法可证明下三角矩阵的情况. 其余等价命题参考文献. 正定矩阵的性质 性质 若是正定矩阵,则、、、也是正定矩阵. 证明 因为是正定矩阵,所以存在阶可逆矩阵,使,则 所以是正定矩阵. 另外,的特征值都大于,所以都大于,即的特征值都大于,所以也是正定矩阵. 对于任意的,,所以是正定矩阵. 因为=,所以是正定矩阵. 性质 设,是阶正定实对称矩阵,且满足,则也是正定实对称矩阵. 证明 因为,所以是实对称矩阵,设是的一个特征值,是对应于的特征向量,则 , , , 因为,是正定矩阵,所以,,所以,即的特征值都大于,所以也是正定实对称矩阵. 由性质的证明过程可知,正定矩阵乘积的特征值大于. 性质 若、都是正定矩阵,则是正定矩阵. 证明 显然是实对称矩阵,对于任意的 , 有 , 所以是正定矩阵. 推论 若、都是正定矩阵,则是正定矩阵. 性质 若、都是正定矩阵,则. 证明 因为是正定矩阵,所以存在可逆矩阵,使得 ,显然是对称矩阵,则可对角化,所以存在正交矩阵,使 = 因为是正定矩阵,所以,令,则 == 分别对上式两边求行列式得, , , , 所以 , 因为 , 所以 . 此性质说明了对任意一个正定矩阵和一个实对称矩阵(不一定是正定的),存在可
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