正定矩阵与二次型:能量与凸性

03-特征值与对角化 核心 约 20 分钟 #正定#二次型#特征值判别#凸性 更新 2026-10-02
当前状态:未学
本文基于模型知识整理(生成时未联网核对),关键结论建议对照 Strang §6.5 / Boyd & Vandenberghe §A.5 复核。

一句话定义

对称矩阵 A 正定 ⟺ 二次型 $x^\top A x > 0$ 对一切 $x\ne0$ 成立 ⟺ 特征值全正 ⟺ 顺序主子式全正——它定义"处处上凸的能量碗",是凸优化、最小二乘唯一性(kp-019)、高斯分布、多变量极值判别的共同语法。

为什么重要

"碗状"(凸)是优化最珍贵的性质:正定=碗底唯一、牛顿法/共轭梯度可放心用;半正定=碗底可能是平谷(无数最优)。机器学习的损失二阶条件、高斯过程的核矩阵、协方差矩阵合法性——判定正定性是这些场景的第一道检查。

前置知识

kp-015(谱定理)。

核心概念

  • 二次型:$q(x)=x^\top Ax$(A 对称)——n 元二次齐次函数。
  • 正定(PD):$x^\top Ax>0\ \forall x\ne0$;半正定(PSD):≥0;负定/不定对称定义。
  • 等价判别(对称 A):

1. 特征值全正; 2. 顺序主子式全正(Sylvester 判据,手算首选); 3. 存在 $A=B^\top B$(Cholesky 分解 $A=LL^\top$); 4. 主元全正(消元视角); 5. 所有 $x^\top Ax>0$(定义本身)。

  • 几何:$q(x)=1$ 的等高面是椭球(正定)——轴方向=特征向量、半轴长 $=1/\sqrt{\lambda_i}$(kp-015 的极性)。
  • 负定/不定:全负特征值=倒碗;混合符号=马鞍面(不定)——多元函数极值的二阶判据(Hessian,kp-021)。

原理与机制

为什么特征值判据成立:$x=Qy$ 换到特征坐标,$x^\top Ax=\sum\lambda_i y_i^2$——二次型在特征基下是"平方的加权和";全正系数 ⇒ 恒正。谱定理把抽象定义变成逐项检查——这是 kp-015 的直接红利。

为什么最小二乘的正则矩阵 $X^\top X$ 总半正定:$x^\top X^\top Xx=\|Xx\|^2\ge0$——平方和自动 PSD;且 PSD ⟺ 可写成 $B^\top B$(Cholesky 即"开平方根")。$X$ 满列秩时升级为正定(零空间只有零),正规方程唯一可解(kp-019)。

凸性与优化的接口:目标函数 Hessian 处处正定 ⇒ 严格凸 ⇒ 局部最优=全局最优、梯度=0 即解。多变量极值判据 $D_i>0$ 且 $D_{nn}>0$(Hessian 正定)本质就是逐点检查"碗性"(kp-021)。

图示

q(x) = xᵀAx ;  A=QΛQᵀ ⇒ q = Σ λᵢ yᵢ²   (特征坐标下纯平方和)
λ 全正 → 椭球碗(正定) ; 含 0 → 平谷(PSD) ; 混合 → 马鞍(不定)
判据: 特征值>0 | 顺序主子式>0 | A=LLᵀ(Cholesky) | 主元>0
2D 例: q = 5x² + 8xy + 5y² → λ=(9,1) → 椭圆

直观类比

二次型是"能量地形":正定=碗(处处上坡,唯一谷底);半正定=山谷但谷底是平走廊(多个最优点);不定=马鞍(有的方向上坡有的下坡,驻点是鞍点非极值)。特征值就是各方向的坡度倍率——有一个负坡就有溜坡方向。

实例或案例

  • 高斯分布:协方差矩阵必须 PSD(否则"方差"为负无意义);其等高线椭球形状由特征系统决定。
  • 核方法(SVM/GP):核矩阵必须 PSD 才是合法内积核——核设计的硬约束。
  • 最小二乘:$X^\top X$ 正定 ⟺ 解唯一;病态时 Cholesky 崩,转 QR/SVD(kp-023)。

常见误区

  • 误区一:"特征值全非负=正定"。那叫半正定;正定要求严格为正(零特征值给出一整个平谷方向)。
  • 误区二:"逐元素为正 ⇒ 正定"。反例:$\begin{bmatrix}1&2\\2&1\end{bmatrix}$ 元素全正但特征值 3,−1(不定)——元素与谱是两码事。
  • 误区三:"只查对角元"。对角元正只保证 $q(e_i)>0$(坐标轴向);必须查全方向(主子式/谱)。

与其他知识点的关系

  • kp-015:判据的谱证明依赖谱定理。
  • kp-019/020:最小二乘与 PCA 中的 PSD 矩阵。
  • kp-021:Hessian 与多元极值的正定判据。
  • kp-023:PD 但病态的数值陷阱。

自测题

  1. 用主子式判别 $\begin{bmatrix}2&-1\\-1&2\end{bmatrix}$。

答:一阶主子式 2>0,行列式 4−1=3>0 → 正定(特征值 1,3)。

  1. 为什么 $A=B^\top B$ 必半正定?

答:$x^\top B^\top Bx=\|Bx\|^2\ge0$——平方和天然非负;B 满列秩时正定。

  1. 二维不定二次型的等高线形状?

答:双曲线族(马鞍面水平切片)——两特征值异号,一个方向上坡一个下坡。

延伸阅读

  • Strang《Introduction to Linear Algebra》§6.5(正定与最小二乘的联系)。
  • Boyd & Vandenberghe《Convex Optimization》§A.5、§3.1(凸函数的 Hessian 判据)。
  • Axler《Linear Algebra Done Right》§7(正算子)。