Písomka - určuje matica skalárny súčin?

Moderator: Martin Sleziak

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5517
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Písomka - určuje matica skalárny súčin?

Post by Martin Sleziak »

Zadanie bolo vo všetkých skupinách rovnaké:
Zistite, či predpis $\langle\vec{x},\vec{y}\rangle=\vec{x}A\vec{y}^T$ určuje skalárny súčin,
Líšila sa len zadaná matica:
Skupina A:
$$A=
\begin{pmatrix}
3 & 2 & 1 \\
2 & 2 & 1 \\
1 & 1 & 1
\end{pmatrix}$$
Skupina B:
$$A=
\begin{pmatrix}
2 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 2
\end{pmatrix}$$
Skupina C:
$$A=
\begin{pmatrix}
2 &-1 & 1 \\
-1 & 2 & 1 \\
1 & 1 & 3
\end{pmatrix}$$
Martin Sleziak
Posts: 5517
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Písomka - určuje matica skalárny súčin?

Post by Martin Sleziak »

Riešenie

Prvé tri vlastnosti z definície skalárneho súčinu (ako sme si ukázali aj na prednáške) platia pre každú symetrickú maticu. Tým sa tu teda nebudem venovať.

Asi najjednoduchší spôsob, ako overiť zostávajúcu vlastnosť (kladnú definitnosť), je použiť Sylvestrovo kritérium. Zistíme, že $D_1>0$, $D_2>0$, $D_3>0$, teda ide o kladne definitnú maticu a zadaný predpis určuje skalárny súčin.
Spoiler:
Napríklad v skupine A máme:
$D_1=3$, $D_2=6-4=2$,
$D_3=
\begin{vmatrix}
3 & 2 & 1 \\
2 & 2 & 1 \\
1 & 1 & 1
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
2 & 1 & 0 \\
1 & 1 & 0 \\
1 & 1 & 1
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
2 & 1 \\
1 & 1
\end{vmatrix}=1$
Iná možnosť - ktorú mnohí z vás v riešení použili - bolo pokúsiť sa upraviť výraz $\vec x A \vec x^T$.
Napríklad v skupine A sa dal tento výraz prepísať ako
$3x_1^2+2x_2^2+x_3^2+4x_1x_2+2x_1x_3+2x_2x_3=(x_1+x_2+x_3)^2+(x_1+x_2)^2+x_1^2$
(Toto nie je jediná možnosť, ako ho upraviť na súčet troch druhých mocnín.)
Uvedený výraz je očividne nezáporný pre ľubovoľné hodnoty $x_1$, $x_2$, $x_3$, lebo je to súčet druhých mocnín.
Nule sa rovná iba v prípade, že sa výrazy vo všetkých troch zátvorkách rovnajú nule. Teda iba ak $x_1+x_2+x_3=x_1+x_2=x_1=0$, čo nám dáva $x_1=x_2=x_3=0$.
Teda to nastane iba pre nulový vektor.
Overili sme teda kladnú definitnosť.

Bodovanie

Najzaujímavejšia časť je overiť kladnú definitnosť. Ale aj tak som očakával, že aspoň spomeniete, že ostatné vlastnosti platia pre ľubovoľnú symetrickú maticu.
Keď sa neobjavila v riešenie zmienka o tom, prečo takto definovaný skalárny súčin spĺňa symetriu, tak som strhol 2 body.

Za správnu definíciu, nesprávny zvyšok, som dal 5 bodov.

Komentáre k odovzdaným riešeniam, chyby, ktoré sa objavovali

Viacerí ste tvrdili, že ak všetky čísla v symetrickej matici sú kladné, tak bude automaticky kladne definitná.

To nie je pravda. Skúste sa pozrieť na maticu
$A=
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1
\end{pmatrix}
$
Alebo aby som dal aj príklad matice, ktorá je regulárna, tak
$A=
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 2 \\
1 & 2 & 1 \\
2 & 1 & 1
\end{pmatrix}
$
obsahuje iba kladné hodnoty ale nie je kladne definitná.
Stačí skontrolovať, že jej determinant je záporný.
Alebo nájsť taký nenulový vektor, pre ktorý $\vec x A \vec x^T \le 0$. (Skúste napríklad $\vec x=(-1,0,1)$.)
Martin Sleziak
Posts: 5517
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Písomka - určuje matica skalárny súčin?

Post by Martin Sleziak »

Hoci do značnej miery opakujem podobné veci ako boli spomenuté vyššie, napíšem niečo aj k príkladu z tohtosmestrovej písomky.
Zistite či predpis $\langle \vec x,\vec y\rangle = \vec x A \vec y^T$ určuje skalárny súčin na $\mathbb R^3$, ak
$$A=
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \\
1 & 2 & 2 \\
1 & 2 & 3 \\
\end{pmatrix}.
$$
To, že dostaneme symetrickú bilineárnu formu vyplýva z toho, že pracujeme so symetrickou maticou.
Zostáva overiť kladnú definitnosť, čo môžeme urobiť pomocou Sylvestrovho kritéria.
$D_1=1$, $D_2=
\begin{vmatrix}
1 & 1 \\
1 & 2 \\
\end{vmatrix}
1$, $D_3=|A|=1$
Spoiler:
Výpočet $D_3$:
$\begin{vmatrix}
1 & 1 & 1 \\
1 & 2 & 2 \\
1 & 2 & 3 \\
\end{vmatrix}=6+2+2-2-4-3=1$
$\begin{vmatrix}
1 & 1 & 1 \\
1 & 2 & 2 \\
1 & 2 & 3 \\
\end{vmatrix}=$ $
\begin{vmatrix}
1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 2 \\
\end{vmatrix}=$ $
\begin{vmatrix}
1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 1 \\
0 & 0 & 1 \\
\end{vmatrix}=1$
Overiť, či kvadratická forma $\vec xA\vec x^T$ je kladne definitná sa dá aj úpravou na kanonický tvar. Je to možno viac roboty, ale na druhej strane sa dá urobiť skúška tým, že skontrolujeme, či sa skutočne dve vyjadrenia tejto kvadratickej formy rovnajú.
\begin{align*}
\vec xA\vec x^T
&= x_1^2 + 2x_1x_2 + 2x_1x_3 + 2x_2^2 + 4x_2x_3 + 3x_3^2 \\
&= (x_1+x_2+x_3)^2 + x_2^2 + 2x_2x_3 + 2x_3^2 \\
&= (x_1+x_2+x_3)^2 + (x_2+x_3)^2 + x_3^2
\end{align*}

Poznámky k odovzdaným riešeniam

V jednej z písomiek sa vyskytlo tvrdenie, že $\vec x A \vec x^T= 0$ platí práve vtedy, keď $\vec x A=\vec 0$. To nemusí byť nutne pravda. Jednoduchý kontrapríklad je $A=\operatorname{diag}(1,1,-1)$.

Ak počítame $D_1$, $D_2$, $D_3$ tak pracujeme s maticou $A$, t.j. v týchto determinantoch nikde nevystupujú $x_1$, $x_2$, $x_3$.

Ak kvadratickú formu upravím tak, že dostanem viac premenných než pôvodne, tak transformácia premenných nie je regulárna a rôzne znamienka nemusia automaticky znamenať, že kvadratická forma nie je kladne definitná.
Napríklad pre zadanú maticu vieme upraviť $\vec xA\vec x^T$ na tvar $(x_1+x_2)^2+(x_2+2x_3)^2-(x_1+x_3)^2+x_1^2$. Tento tvar mi však nepovie veľa o kladnej definitnosti.
Post Reply