第十章 双线性函数与辛空间

本章包含线性函数、对偶空间、双线性函数及辛空间相关的基础定理。

定义 线性函数

设 是数域 上的线性空间。映射 如果满足对任意 和 :

则称 为 上的线性函数。

例子:定义 线性函数 — 例子

定义 对偶空间

设 是数域 上的 维线性空间。 上全体线性函数的集合在自然的加法和数乘下构成 上的线性空间,称为 的对偶空间,记为 。。

例子:定义 对偶空间 — 例子

定义 对偶基

设 是 的一组基。 中的线性函数 使得

则 构成 的一组基,称为 的对偶基。

例子:定义 对偶基 — 例子

定义 双线性函数

设 是数域 上的线性空间。映射 如果对每个变量都是线性的,即对任意 和 :

则称 为 上的双线性函数。

例子:定义 双线性函数 — 例子

定义 度量矩阵

设 是 上的双线性函数, 是 的一组基。称矩阵

为 在基 下的度量矩阵。

例子:定义 度量矩阵 — 例子

定义 对称双线性函数

如果双线性函数 满足 (对任意 ),则称 为对称双线性函数。对称双线性函数的度量矩阵是对称矩阵。

例子:定义 对称双线性函数 — 例子

定义 反对称双线性函数

如果双线性函数 满足 (对任意 ),则称 为反对称双线性函数。反对称双线性函数的度量矩阵是反对称矩阵。

例子:定义 反对称双线性函数 — 例子

定义 辛空间

设 是实数域 上的 维线性空间, 是 上的非退化反对称双线性函数,则称 为辛空间, 称为辛形式。

例子:定义 辛空间 — 例子

定义 辛基

辛空间 中,如果基 满足

则称其为辛基(或辛正交基)。

例子:定义 辛基 — 例子

定理 线性函数的存在与唯一性

设 是 上一个 维线性空间, 是 的一组基, 是 中任意 个数,存在唯一的 上线性函数 ,使

证

存在性:对任意 ,定义 。

验证线性:,。

且 (取 ,)。

唯一性:若 也是线性函数且 ,则 ,故 。

证毕

例子:定理 线性函数的存在与唯一性 — 例子

定理 对偶空间的维数

的维数等于 的维数,而且 是 的一组基,其中 由

决定,称为 的对偶基。

证

线性无关:设 (零函数)。则对每个 ,。故 , 线性无关。

生成:对任意 ,令 。对 ,。而 。故 。

因此 是 的基,维数为 。

证毕

例子:定理 双线性函数的矩阵表示 — 例子

定理 对偶基的过渡矩阵

设 及 是线性空间 的两组基,它们的对偶基分别为 及 。如果由 到 的过渡矩阵为 ,那么由 到 的过渡矩阵为 。

证

设 ,即 。

设 ,即 。

由对偶基的定义,。计算:

.

即 ,故 ,。

证毕

例子:定理 双线性函数在不同基下的矩阵 — 例子

定理 二次对偶同构

是一个线性空间, 是 的对偶空间的对偶空间。 到 的映射

是一个同构映射。

证

定义 为 ()。

线性:,故 。

映射 是线性的:,。

单射:若 ,则对所有 ,。取 的基 和对偶基 ,(),故 的所有坐标为零,。

维数相同:维 维 维。

单射且维数相同,故是同构。

证毕

例子:定理 对称双线性函数的规范形 — 例子

定理 对称双线性函数的对角化

设 是数域 上 维线性空间, 是 上的对称双线性函数,则存在 的一组基 ,使 在这组基下的度量矩阵为对角矩阵。

推论1:设 是复数域上 维线性空间, 是 上对称双线性函数,则存在 的一组基,使

推论2:设 是实数域上 维线性空间, 是 上对称双线性函数,则存在 的一组基,使

证

对 做归纳法。 时度量矩阵已经是 对角矩阵。

设对 维空间结论成立。

情形1:存在 使 。令 。

是 的子空间(因为 是线性函数)。,故 ,维。

(直和:若 ,则 且 ,)。

在 上的限制仍是对称双线性函数,由归纳假设,存在 的基 使度量矩阵为对角形。 是 的基, 在此基下的度量矩阵为 。

情形2:对所有 ,。由 ,得 ,度量矩阵为零矩阵(对角矩阵)。

推论1:复数域中每个 可开方,令 ,则 。 对应的基向量不贡献。

推论2:实数域中, 的令 使 ; 的令 使 。

证毕

例子:定理 反对称双线性函数的规范形 — 例子

定理 反称双线性函数的标准形

设 是 维线性空间 上的反称双线性函数,则存在 的一组基 ,使

证

若 ,取 的任意基 即可。

若 ,存在 使 (反称性保证 )。用 替换 ,可使 。

令 。

是 的子空间。(直和:若 ,则 ,,故 。维数: 由2个线性条件定义,维)。

在 上的限制仍是反称双线性函数。对 重复上述过程,得到 和剩余子空间 ,在 上 。取 的基 ,则 对所有 成立(因为 在 上为零,且 , 由 的定义)。

证毕

例子:定理 辛空间的维数 — 例子

定理 辛空间中子空间正交补的维数

是辛空间, 是 的子空间,则

证

取 的基 ,则

每个条件 是关于 的坐标的一个线性方程(因为 是线性函数)。这 个线性方程的秩恰好为 (因为 非退化, 线性无关, 也线性无关)。

因此维 维 维。

证毕

例子:定理 辛基 — 例子

定理 拉格朗日子空间基的扩充

设 是辛空间 的拉格朗日子空间, 是 的基,则它可扩充为 的辛正交基。

推论:设 是 的迷向子空间, 是 的基,则它可扩充成 的辛正交基。

证

辛空间维数为 ,拉格朗日子空间 满足 且维(因为维,而 且维数相同,故 )。

,所以 对所有 。

由定理10.7,维。取 之外的一个向量 ( 的维数为 , 维数为 ,故存在 )。(否则 ),调整 使 。

令 ,则 在 上的度量矩阵为 。 是辛子空间。

的维数为 ,且 (若 ,,,,)。

(因为 , 对 ,后者需要验证:若 ,调整 减去 中的分量使 )。

在 中对 重复上述过程,最终得到辛正交基 。

推论:迷向子空间 满足 ,维。将 的基扩充为拉格朗日子空间的基,再由本定理扩充为辛正交基。

证毕

例子:定理 辛变换 — 例子

定理 辛子空间基的扩充

辛空间 的辛子空间 的一组辛正交基可扩充成 的辛正交基。

证

设 的辛正交基为 。 是辛子空间,即 ,故 。

也是辛空间( 在 上非退化:若 且 对所有 ,又 对所有 ,故 , 非退化故 )。

取 的辛正交基 ,合并即得 的辛正交基。

证毕

例子:定理 辛变换的矩阵 — 例子

定理 辛变换下的子空间对应

令 为辛空间, 和 是两个拉格朗日子空间或两个同维数的辛子空间,则有 的辛变换把 变成 。

证

拉格朗日子空间的情形:设 和 都是拉格朗日子空间,维数都是 。由定理10.8, 的基可扩充为 的辛正交基 , 的基可扩充为 的辛正交基 。

定义线性变换 :,。 将一组辛正交基映为另一组辛正交基,故是辛变换(保持 ),且 。

辛子空间的情形:设 和 是同维数的辛子空间。取 的辛正交基,扩充为 的辛正交基;取 的辛正交基,扩充为 的辛正交基。类似构造辛变换。

证毕

例子:定理 辛空间的拉格朗日子空间 — 例子

定理 辛变换特征多项式的性质

设 是 维辛空间中的辛变换, 是 在某辛正交基下矩阵。则它的特征多项式 满足

若设

则 。

证

辛变换在辛正交基下的矩阵 满足 ,其中 。故 (由 得 ,因为 )。

更直接地:

但更简洁的做法:

由 :

又 … 让我们用另一种方式:

由 :

这比较复杂。换一种方式:利用 (辛矩阵的行列式为1),

由 ,。

实际上,最简洁的证明是:

由 ,。

又 。

(取转置不改变行列式)。

由 ,,代入得 。

最终可得 。

由 ,设 ,则 。比较系数得 。

证毕

例子:定理 辛空间的自同构 — 例子

定理 辛变换特征子空间的辛正交性

设 是数域 上辛空间 上辛变换 在 中的特征值,且 。设 是 中对应于特征值 及 的特征子空间。则 ,有 ,即 与 是辛正交的。特别地,当 时, 是迷向子空间。

证

设 ,,即 ,。

是辛变换,保持 :。

但 。

故 ,即 。

由 ,。

特别地:若 ,取 ,则 (因为 ),故 对所有 成立,即 是迷向子空间。

证毕

例子:定理 辛空间的直和分解 — 例子

相关链接

来源引用