二次形式 ― トピック一覧   [数学についてのwebノート]

 ・定義:二次形式/正値定符号二次形式/正値定符号行列/半正値定符号二次形式/半正値定符号行列
     負値定符号二次形式/負値定符号行列/半負値定符号二次形式/半負値定符号行列
     同値な二次形式/二次形式の標準形  
 ・定理:単位ベクトル化の二次形式の計算/単位ベクトル化の二次形式の最大値・最小値定理
     二次形式の基底変換公式/二次形式の標準化   
     正値定の必要十分条件-固有値/負値定の必要十分条件-固有値/正値定の必要条件-行列式/負値定の必要条件-行列式/
     正値定の必要条件-小行列/負値定の必要条件-小行列/正値定の必要十分条件-主小行列式/負値定の必要十分条件-主小行列式  


※応用:2変数関数の極値問題/ n変数関数の極値問題 
※関連:主小行列/主小行列式/固有値 

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定理:単位ベクトル化と二次形式
定理
実n次元数ベクトルx = t(x1, x2, …, xn)の単位ベクトル化についての対称行列Aによって定まる二次形式は、
実n次元数ベクトルx=t(x1, x2, …, xn)についての対称行列Aによって定まる二次形式を、xのノルムの2乗で除したものに等しい。  
すなわち、 
 ・ A[ x/ ‖x‖  ] = A[x]/‖x‖2 
 ・t(x/‖x‖)A(x/‖x‖)=(txAx)/‖x‖2 
 ・(x1/‖(x1, x2, …, xn)‖, x2/‖(x1, x2, …, xn)‖, …, xn/‖(x1, x2, …, xn)‖)  A  t (x1/‖(x1, x2, …, xn)‖, x2/‖(x1, x2, …, xn)‖, …, xn/‖(x1, x2, …, xn)‖)
      =((x1, x2, …, xn) A t(x1, x2, …, xn))/‖(x1, x2, …, xn)‖2 
 
           
設定
この定理は、以下の舞台設定上で、成り立つ。
 R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
 Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
 x:Rnに属すすべての実n次元数ベクトル。
   ただし、縦ベクトル。
   つまり、x = t(x1, x2, …, xn)  (x1∈Rかつx2∈Rかつ…かつxn∈R )
   だから、tx は、横ベクトルを表すことになる。tx = (x1, x2, …, xn)  (x1∈Rかつx2∈Rかつ…かつxn∈R )       
 ・:自然な内積。これによって、Rnは計量実ベクトル空間となる。
 ‖‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム(自然な内積を用いて定義される) 
  d ( , ):ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離
 (Rn,d):n次元ユークリッド空間  
[文献]
・松坂『解析入門3』14.3-A定理2(p.169)の証明の冒頭。

※活用例:多変数関数の極小の十分条件
証明
A[x]/‖x‖2  =(txAx)/‖x‖2  ∵Aによって定まる二次形式を表 す記号A[ ]の定義  
       =(txAx)(1/‖x‖)(1/‖x‖)  
       =(tx/‖x‖)A(x/‖x‖) ∵行列積とスカラー積の混合式の性質 
       =t(x/‖x‖)A(x/‖x‖)∵行列のスカラー倍と転置の性質 
       =A[ x/ ‖x‖  ]  ∵Aによって定まる二次形式を表 す記号A[ ]の定義






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定理:単位ベクトル化の二次形式の最大値・最小値の存在
要旨 (1)
 実n次元数ベクトルx= t(x1, x2, …, xn)の単位ベクトル化についての対称行列Aによって定まる二次形式
   A[ x/ ‖x‖  ] 
   =t(x/‖x‖)A(x/‖x‖)
[文献]
・松坂『解析入門3』14.3-A定理2(p.169)の証明の冒頭。

※活用例:多変数関数の極小の十分条件



   =(x1/‖(x1, x2, …, xn)‖, x2/‖(x1, x2, …, xn)‖, …, xn/‖(x1, x2, …, xn)‖) A t(x1/‖(x1, x2, …, xn)‖, x2/‖(x1, x2, …, xn)‖, …, xn/‖(x1, x2, …, xn)‖) 
 は、 
  実n次元数ベクトルx=(x1, x2, …, xn)の関数として、
  定義域D={x∈Rn|x≠〇}={x∈Rn|‖x‖≠〇} において、
  最大値・最 小値を有す。
(2)
 A[x]/‖x‖2 =(txAx)/‖x‖2=( (x1, x2, …, xn) A t(x1, x2, …, xn) ) /‖(x1, x2, …, xn)‖
 
 も、
  実n次元数ベクトルx=(x1, x2, …, xn)の関数として、
  定義域D={x∈Rn|x≠〇}={x∈Rn|‖x‖≠〇} において、
  最大値・最 小値を有す。
設定
この定理は、以下の舞台設定上で、成り立つ。
 R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
 Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
 x:Rnに属すすべての実n次元数ベクトル。
   ただし、縦ベクトル。
   つまり、x = t(x1, x2, …, xn)  (x1∈Rかつx2∈Rかつ…かつxn∈R )
   だから、tx は、横ベクトルを表すことになる。tx = (x1, x2, …, xn)  (x1∈Rかつx2∈Rかつ…かつxn∈R )       
 ・:自然な内積。これによって、Rnは計量実ベクトル空間となる。
 ‖‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム(自然な内積を用いて定義される) 
  d ( , ):ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離
 (Rn,d):n次元ユークリッド空間  


証明


(1)
step1:
 A[ x/ ‖x‖  ] =t(x/‖x‖)A(x/‖x‖)は、 
   n変数n値ベクトル値関数φ(x)=x/‖x‖
   と
   n変数実数値関数ψ(x')=A[ x']= tx'Ax'
   との合成関数
 である。
 つまり、
  A[ x/ ‖x‖  ] =ψ( φ(x) )     
step2:
 φ(x)=x/‖x‖とは、xの単位ベクトル化に他ならないから、
 
任意の非零n次元数ベクトルx≠〇に対して、‖φ(x)‖=1を満たす。  
 つまり、
 定義域D={x∈Rn|x≠〇}={x∈Rn|‖x‖≠〇} に対して、
 φ(x)=x/‖x‖の値域は、 {x'∈Rn|‖x‖=1 } 。
 これは、要するに、原点を中心とする半径1のn次元球体の表面である。  
step3:
 {x'∈Rn|‖x'‖=1 } は、有界な閉集合であって、      
  ψ(x')=A[ x' ] は、{x'∈Rn|‖x'‖=1 } で連続(∵二次形式で定義される多変数関数は連続)。 
 したがって、最大値最小値定理より、
  {x'∈Rn|‖x'‖=1 }におけるψ(x')の最大値・最小値が存在する。 
step4:
 step2,step3で得られた結論をあわせて考えると、
  合成関数 ψ( φ(x) ) は、
   D={x∈Rn|x≠〇}={x∈Rn|‖x‖≠〇}  において、
  最大値・最小値を有す
 と結論できる。
step5:
 step1,step4で得られた結論をあわせて考えると、
  A[ x/ ‖x‖  ] =ψ( φ(x) ) 
は、
   D={x∈Rn|x≠〇}={x∈Rn|‖x‖≠〇}  において、
  最大値・最小値を有す

(2)
(1)と A[ x/ ‖x‖  ] = A[x]/‖x‖2 より、
A[x]/‖x‖2 も、
  実n次元数ベクトルx=(x1, x2, …, xn)の関数として、
  定義域D={x∈Rn|x≠〇}={x∈Rn|‖x‖≠〇} において、
  最大値・最 小値を有す。



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