高等代数 · 课程学习笔记

第 P126 集 · 具有度量的线性空间(一):正定对称矩阵、内积、实内积空间

Positive Definite Matrices, Inner Product, Real Inner Product Spaces
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P126 / 151 集 核心概念:正定对称矩阵 · 内积 · 实内积空间 · Rⁿ 标准内积 · 第八章开端
提示:数学公式渲染组件(KaTeX)加载失败,公式以源码形式显示,不影响阅读内容。联网后刷新即可正常渲染。

☰本集目录

◎学习目标

  1. 理解为什么要在线性空间中引进"度量"概念——这是对几何空间内积结构的抽象推广;
  2. 掌握正定对称双线性函数和正定对称矩阵的定义,并理解二者之间的对应关系;
  3. 掌握内积的严格定义:对称 + 双线性 + 正定(三个条件缺一不可);
  4. 理解实内积空间的概念,以及有限维实内积空间即 \(\mathbb{R}^n\) 空间(欧氏空间)的来源;
  5. 掌握 \(\mathbb{R}^n\) 上的标准内积及其度量矩阵(单位矩阵)。

1从几何空间到抽象线性空间:为什么引进度量? ⏱ 00:02

本章是课程第八章的开始,主题是"具有度量的线性空间"。丘老师从几何空间的内积概念出发,说明引进度量的动机:

几何空间的启示 在几何空间(\(\mathbb{R}^3\) 等)中,内积 \(\langle \alpha, \beta \rangle\) 是一个对称的双线性函数,并且满足:对任何向量 \(\alpha\),\(\langle \alpha, \alpha \rangle \geq 0\),等号当且仅当 \(\alpha = 0\)。有了内积,就可以:
  • 计算向量的长度:\(\|\alpha\| = \sqrt{\langle \alpha, \alpha \rangle}\);
  • 计算两个非零向量的夹角;
  • 判断两个向量是否正交(垂直)。

现在要把这套理论移植到一般的线性空间中。丘老师明确将讨论分为三个层次:⏱ 01:50

三个层次
  1. 实数域上的线性空间(实线性空间)——本节课讨论的内容;
  2. 复数域上的线性空间(复线性空间)——后续讨论;
  3. 任意域上的线性空间——一般理论。
内积概念只在实数域和复数域上有合适的定义(需要有序域来定义"正定"),在任意域上不能直接引进度量。

2正定对称双线性函数与正定矩阵 ⏱ 04:00

首先需要定义什么样的对称双线性函数可以充当"内积"的角色。

定义 1 · 正定对称双线性函数 设 \(V\) 是实数域 \(\mathbb{R}\) 上的线性空间,\(F\) 是 \(V\) 上的对称双线性函数。如果满足:
  • 对一切 \(\alpha \in V\),有 \(F(\alpha, \alpha) \geq 0\);
  • \(F(\alpha, \alpha) = 0\) 当且仅当 \(\alpha = 0\);
则称 \(F\) 为正定对称双线性函数(或简称为正定的双线性函数)。

接下来从矩阵角度刻画正定性。设 \(V\) 是 \(n\) 维实线性空间,\(F\) 在其一组基 \(\varepsilon\) 下的度量矩阵为 \(A\)。⏱ 06:30

定义 2 · 正定对称矩阵 设 \(A\) 是 \(n\) 阶实对称矩阵。如果对于一切非零列向量 \(X \in \mathbb{R}^n\)(\(X \neq 0\)),都有
\[ X^T A X > 0, \]
则称 \(A\) 为正定对称矩阵,简称正定矩阵。
命题 · 正定性的矩阵刻画 \(V\) 上的对称双线性函数 \(F\) 是正定的,当且仅当 \(F\) 在 \(V\) 的任意一组基下的度量矩阵 \(A\) 是正定矩阵。

证明思路:对任意 \(\alpha \in V\),设其在基 \(\varepsilon\) 下的坐标列为 \(X\),则 \[ F(\alpha, \alpha) = X^T A X. \] \(\alpha = 0 \iff X = 0\),因此 \(F(\alpha,\alpha) \geq 0\) 且等号当且仅当 \(\alpha=0\) 等价于 \(X^TAX > 0\) 对所有 \(X \neq 0\) 成立,即 \(A\) 正定。
判断正定性的方法 如何判断一个给定的对称矩阵是否正定?丘老师明确指出:这个问题将在下节课专门讨论(使用顺序主子式判据等方法)。本节课只做定义,不做判断方法。⏱ 11:15

3内积的定义与记号 ⏱ 12:00

有了正定对称双线性函数的概念,就可以正式定义内积了。

定义 3 · 内积 设 \(V\) 是实线性空间。\(V\) 上的一个内积就是一个正定的对称双线性函数 \(F\)。

通常将 \(F(\alpha, \beta)\) 记为 \(\langle \alpha, \beta \rangle\),以示与普通双线性函数的区别。于是内积 \(\langle \cdot, \cdot \rangle\) 满足三个条件:
  1. 双线性:对每个变量都是线性的;
  2. 对称性:\(\langle \alpha, \beta \rangle = \langle \beta, \alpha \rangle\);
  3. 正定性:\(\langle \alpha, \alpha \rangle \geq 0\),且等号当且仅当 \(\alpha = 0\)。
三个条件的关系 内积 = 对称双线性函数 + 正定性。三个条件缺一不可:
  • 缺双线性 → 不是线性结构,无法做代数运算;
  • 缺对称性 → 成为"半内积"或"内积的非对称推广",几何意义丧失;
  • 缺正定性 → 无法定义长度和角度,退化为一般的对称双线性函数。

4实内积空间与 Rⁿ 的标准内积 ⏱ 14:30

定义了内积之后,就可以引入内积空间的概念。

定义 4 · 实内积空间 给了一个实线性空间 \(V\),并指定(或定义)了一个内积 \(\langle \cdot, \cdot \rangle\),则称 \((V, \langle \cdot, \cdot \rangle)\) 为实内积空间。

有限维的实内积空间,称为欧氏空间(\(\mathbb{R}^n\) 空间)。实内积空间的维数就是它作为线性空间的维数。

最重要的例子是 \(\mathbb{R}^n\) 上的标准内积。

例子 · Rⁿ 上的标准内积 在 \(\mathbb{R}^n\) 中,对任意两个向量 \(X = (x_1, \dots, x_n)^T\),\(Y = (y_1, \dots, y_n)^T\),定义
\[ \langle X, Y \rangle = x_1y_1 + x_2y_2 + \cdots + x_ny_n = X^T Y. \]
这被称为 \(\mathbb{R}^n\) 上的标准内积(或内积空间的标准模型)。

标准内积的性质验证:⏱ 17:00

标准内积在标准基下的度量矩阵:⏱ 18:30

命题 \(\mathbb{R}^n\) 上的标准内积在标准基 \((e_1, \dots, e_n)\) 下的度量矩阵是单位矩阵\(I_n\)。

验证:\(\langle e_i, e_j \rangle = e_i^T e_j = \delta_{ij}\),所以度量矩阵 \(A = (\delta_{ij}) = I_n\)。
重要结论 标准内积的度量矩阵是单位矩阵 \(I_n\),这是一个对角矩阵(也是对角标准形的特例),且 \(I_n\) 显然是正定矩阵(\(X^T I_n X = \|X\|^2 > 0\) 对 \(X \neq 0\))。这也从矩阵角度验证了标准内积的正定性。⏱ 19:30

★重点回顾

1
内积的三个条件:双线性 + 对称 + 正定。三者缺一不可,是从几何空间内积抽象出的本质属性。
2
正定对称矩阵:\(A\) 对称且对一切 \(X \neq 0\),\(X^TAX > 0\)。正定性是矩阵的属性,与基的选择无关(但在不同基下矩阵不同)。
3
实内积空间:实线性空间 + 指定的内积。有限维实内积空间 = 欧氏空间(\(\mathbb{R}^n\) 空间)。
4
\(\mathbb{R}^n\) 的标准内积:\(\langle X, Y \rangle = X^T Y = \sum x_iy_i\),度量矩阵为 \(I_n\),是最基本的内积空间模型。
5
本章定位:第八章"具有度量的线性空间"的开端,后续将讨论内积空间的正交性、施密特正交化、正交补、度量矩阵的合同变换等核心内容。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 忽略内积定义中的"对称"条件:内积必须对称,否则不能定义夹角和长度。非对称的双线性函数不能叫内积。
  2. 混淆"正定矩阵"与"半正定矩阵":正定要求 \(X^TAX > 0\)(严格大于),半正定允许等于0(对某些非零 \(X\))。内积要求的是正定,不是半正定。
  3. 误以为任意双线性函数都可以成为内积:只有同时满足对称和正定的双线性函数才是内积。一般的对称双线性函数(如不定二次型)不能定义长度和角度。
  4. 误认为标准内积的度量矩阵不唯一:在标准基下,标准内积的度量矩阵就是 \(I_n\);换基后度量矩阵会变,但仍然是正定矩阵(合同于 \(I_n\))。
  5. 忽略域的限制:实内积只在实数域上有意义(需要有序性来定义"正定")。复数域上的内积需要改为 Hermitian 内积(共轭对称),不能直接照搬。

✎自测与思考

  1. 验证:\(\mathbb{R}^2\) 上定义的 \(F((x_1,x_2),(y_1,y_2)) = 2x_1y_1 + x_1y_2 + x_2y_1 + 3x_2y_2\) 是否构成内积?(提示:写出度量矩阵,判断是否正定。)
  2. 设 \(A = \begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}\),验证 \(A\) 是正定矩阵,并求出 \(\mathbb{R}^2\) 上以 \(A\) 为度量矩阵的内积 \(\langle X, Y \rangle_A\) 的表达式。
  3. 证明:若 \(A\) 是正定矩阵,\(P\) 是可逆矩阵,则 \(P^TAP\) 也是正定矩阵。(这说明正定性在基变换下保持不变。)
  4. (思考)\(\mathbb{R}^2\) 上定义 \(\langle (x_1,x_2), (y_1,y_2) \rangle = x_1y_1 - x_2y_2\),这是内积吗?为什么?(提示:检查正定性。)
  5. (思考)如果去掉内积定义中的"对称"条件,只要求双线性+正定,能否定义长度和角度?说明理由。
下集预告 第 P127 集将继续讨论具有度量的线性空间:内积空间中的正交性、向量长度的定义、柯西-施瓦茨不等式、三角不等式等基本性质,以及施密特正交化方法。