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从双线性映射谈起-高等代数厦门大学精品课程
从双线性映射谈起
龙岩学院 周金森 梁俊平 刘宏锦
定义1 设V、U与W都是域F的线性空间,是VU到W的一个映射,如果对于,,任意,有
(1)
(2)
则称是VU到W的双线性映射;
(i)若W=F,则称为VU上的双线性函数;
(ii)若W=F,V=U,则称为V上的双线性函数;
(iii) 若W=F,V=U,且,则称为V的一个对称双线性函数;记,称为V上的二次函数;
(iv) 若W=F=R,V=U,,且当且仅当时,则称为正定的实对称双线性函数,或称为V上一个实内积,常记为。
一、考虑V上的双线性函数与矩阵之间的一一对应关系
V中取一个基,V中向量在此基下的坐标分别为,,则
令A=,,称A是双线性函数在此基下的度量矩阵,它是由及基唯一决定,,反之,任给一个域F的一个n级矩阵,可以定义V上的一个双线性函数,满足。
命题1 (1)V上的双线性函数在V的不同基下的度量矩阵是合同的。
(2)V上的对称双线性函数在V的一个基下的度量矩阵是对称阵。
(3) 实内积在V的一个基下的度量矩阵是正定阵。
命题2 设是特征不为2的域F的n维线性空间V上的对称双线性函数,则V中存在一个基,使得在此基下的度量矩阵是对角阵。
命题3 任一对称阵都合同于对角阵。 (矩阵语言)
因为矩阵的合同关系是一个等价关系,下面从等价关系进一步考虑
命题4 (1)在复数域上,n级对称阵按合同关系分成n+1类,秩为r的代表元为,秩是完全等价不变量。
(2)在实数域上,n级对称阵按合同关系分成类,秩为r且正惯性指数为p的代表元为,秩,正惯性指数,负惯性指数,符号差是等价不变量,不是完全等价不变量,但四个量中任取两个量是完全等价不变量。
注1 在丘维声《高等代数学习指导书》中给出惯性定理中唯一性的三种证法。
在实数域上,我们考虑一个特殊的类就是正定阵
命题5 n级对称阵A是正定阵
正惯性指数=n
A合同于E
存在可逆阵P,使得A=PP
kA是正定阵 (k0)
是正定阵
A的伴随矩阵是正定阵
A的所有特征值全大于0
A的所有顺序主子式全大于0
A的所有主子式全大于0
存在主对角线上的元素全是1的上三角阵B,使得A=BDB,其中D是正定的对角阵
存在主对角线上的元素全是正的上三角阵C,使得A=CC
A的绝对值最大的元素必在主对角线上。
注2 利用必要性可以很快地判断某些矩阵不是正定阵。
注3 A的特征多项式
中的就是A的所有k阶主子式的和,其中,,而且,是A的所有特征值。
二、考虑对称双线性函数与二次型(二次函数)的关系
命题6 设V是特征不为2的域F的一个线性空间,q是V上一个二次函数,则存在V的唯一的对称双线性函数,使得,。
三、双线性函数空间
域F的线性空间V上的所有线性函数构成的集合,定义加法、纯量乘法,可以构成域F的一个线性空间,称为V上的线性函数空间(或对偶空间),记作V。
依此类推,我们把域F的线性空间V上的所有双线性函数构成的集合,定义加法、纯量乘法,易证对于函数的加法、纯量乘法构成域F的一个线性空间,称为V的双线性函数空间。由于双线性函数与它在V的一个基下的度量矩阵是一一对应关系,且保持线性运算,因此两个线性空间同构,从而。
为了构造V上的双线性函数,想法是给了V上的两个线性函数g,h,令,,容易验证是V上的双线性函数,把它记成,即,把称为线性函数g与h的张量积。
命题7 V的一个基,它的对偶基为,则(1)
是的一个基;(2)设双线性函数在基下的度量矩阵为,则双线性函数在的一个基
下的坐标为。
四、考虑VU上的所有双线性函数构成的线性空间
命题8 设V的一个基,它的对偶基为,U的一个基,它的对偶基为,则nm个双线性函数是的一个基。
命题9
五、线性空间的张量积及泛性(同调代数中一个重要性质)
定义2 设V、U与W都是域F的线性空间,是VU到W的一个双线性映射,具有这样的性质:从VU到域F上任意一个线性空间M的任一个双线性映射,存在W到M的唯一的线性映射,使得(即存在交换图),那么W就称为V与U的一个张量积。
注4 定义2中的性质称为张量积的特征性质,在同调代数中常称为泛性。
命题10 VU到的双线性映射,,具有张量积的特征性质。
命题10说明了两个线性空间的张量积存在。
命题11 设M是域F上的一个线性空间,是VU到M的双线性映射,它也具有张量积的特征性质,则有线性空间同构。
注6 命题11说明了两个线性空间的张量积在同构的意义下是唯一的,我们用表示V与U
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