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  • 1 # Mathemlogical

    一言以蔽之:二次型,其實就是雙線性形式的特殊情況,相當於內積的推廣。

    考慮域F上的線性空間V(我們在這裡要求F的特徵不等於2,實數和複數都滿足這個要求),一個雙線性形式f(u,v)其實就是V*V(V和自身的笛卡爾積)對映到F上,而且保留線性結構的對映。這是線性對映的非常自然的推廣。V*V不能說是一個線性空間,但它也有很多線性的結構。保留其中一切線性結構,這樣的對映就是雙線性形式。

    然後,一個二次型B(u),實際上與所謂的“對稱雙線性形式”一一對應。對稱雙線性形式,就是滿足f(u,v)=f(v,u)的雙線性形式。給定一個對稱雙線性形式f(u,v),我們可以構造一個二次型B(u)=f(u,u)。從二次型到對稱雙線性形式比較麻煩:f(u,v)=[B(u+v) - B(u) - B(v)]/2。很容易驗證這兩個構造都是正確的。

    那麼,對稱雙線性形式有什麼重要性呢?

    實際上,對於實數來說,對稱雙線性形式是內積的一種推廣。容易證明,對稱雙線性形式f(u,v)對應一個對稱矩陣A:f(u,v)=u^Av,這裡u^表示u的轉置(u、v都是列向量)。當A是正定的時候,f(u,v)實際上就是某組特定的基的內積,這由正定對稱矩陣的Choleski分解給出:正定對稱矩陣A可以寫成A=L^L,其中L是一個上三角矩陣。這樣的話,f(u,v)=(u^L^)(Lv)=(Lu)^(Lv),其實就相當於u和v在透過關於L的基變換之後的內積。當然,L不一定可逆,但這問題不大。這就對應於正定的二次型。

    對於一般的二次型來說,它可以整理為標準二次型x_1*x_1 + ... + x_k*x_k - y_1*y_1 - ... - y_m*y_m ,而且這種整理方法(除了變數交換之外)是唯一的。這是因為,它可以分解為兩個子空間上的兩個正定二次型。對於線性空間V上的二次型B(u),我們考慮一個極大的子空間W+,其中所有元素w都滿足B(w)>0,另一個極大的子空間W0,其中元素w滿足B(w)=0,還有W-就是V對於W+和W0的商。容易證明,W-的所有元素都滿足B(w)<0。那麼,B在W+上的限制就是一個正定二次型,而在W-上的限制就是負定二次型,也就是-1乘以一個正定二次型。那麼,只要在W+和W-上分別對二次型進行Choleski分解,就能得到將二次型整理為標準二次型的方法(由上三角矩陣L給出)。

    想清楚二次型相當於內積的推廣之後,它的應用也很明顯了。在一切需要用到內積的地方,都可以用二次型來表達甚至推廣。

    比方說在微分幾何中,因為流形的每一個區域性都相當於歐幾里德空間,我們可以用二次型去描述其中的內積,也就是距離和角度的定義。然後,透過考察內積在流形的不同點上的變化,我們就能知道流形的整體幾何性質。在許多領域中,計算一個正定二次型,實際上就是計算向量在經過某個基變換後的長度。對長度和角度的測量在很多時候都很有用,這就是為什麼我們在很多地方都能看到二次型,特別是正定二次型。

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