定义:一个n × n的实对称矩阵 M 是正定的当且仅当对于所有的非零实系数向量z,都有 zTMz > 0。
正定矩阵判定:
1. | 矩阵M的所有的特征值 λi都是正的。根据谱定理,M必然与一个实对角矩阵D相似(也就是说M = P − 1DP,其中P是幺正矩阵,或者说M在某 个正交基可以表示为一个实对角矩阵)。因此,M是正定阵当且仅当相应的D的对角线上元素都是正数。 |
2. | 半双线性形式 定义了一个Cn上的内积。实际上,所有Cn上的内积都可看做由某个正定阵通过此种方式得到。 |
3. | M是n个线性无关的n维向量 的Gram矩阵,其中的k为某个正整数。更精确地说,M定义为: 换句话说,M具有A*A的形式,其中A不一定是方阵,但需要是单射的。 |
4. | M的所有顺序主子式,也就是顺序主子阵的行列式都是正的(西尔维斯特准则)。明确来说,就是考察下列矩阵的行列式:
对于半正定矩阵来说,相应的条件应改为所有的主子式非负。顺序主子式非负并不能推出矩阵是半正定的。比如以下例子: |
5. | 存在唯一的下三角矩阵 L,其主对角线上的元素全是正的,使得:
其中L * 是L的共轭转置。 T这一分解被称为Cholesky分解。 |
正定矩阵性质:
若M为半正定阵,可以写作。如果M是正定阵,可以写作M > 0。这个记法来自泛函分析,其中的正定阵定义了正算子。
对于一般的埃尔米特矩阵,M、N,当且仅当。这样可以定义一个在埃尔米特矩阵集合上的偏序关系。类似地,可以定义 M > N。
1. |
每个正定阵都是可逆的,它的逆也是正定阵。如果 那么 。 |
2. | 如果M是正定阵,r > 0为正实数,那么 rM 也是正定阵。
如果 M、N 是正定阵,那么和M + N、乘积 MNM 与 NMN 都是正定的。如果 MN = NM,那么 MN 仍是正定阵。 |
3. | 如果M = (mij) > 0 那么主对角线上的系数mii 为正实数。于是有tr(M) > 0。此外还有 |
4. | 矩阵M 是正定阵当且仅当存在唯一的正定阵B > 0 使得 B2 = M。根据其唯一性可以记作B = M1 / 2,称B 为M 的平方根。对半正定阵也有类似结论。同时,如果M > N > 0 那么 M1 / 2 > N1 / 2 > 0. |
5. | 如果M,N > 0 那么 ,其中 表示克罗内克乘积。 |
6. | 对矩阵M = (mij),N = (nij),将两者同一位置上的系数相乘所得的矩阵记为,即,称为M 与 N的阿达马乘积。如果M,N > 0,那么 。如果 M,N 为实系数矩阵,则有如下不等式成立: |
7. | 设M > 0,N 为埃尔米特矩阵。如果(MN + NM > 0),那么(N > 0)。 |
8. | 如果为实系数矩阵,则。 |
9. | 如果M > 0为实系数矩阵,那么存在δ > 0 使得,其中 I 为单位矩阵。 |