Bagaimana cara menunjukkan bahwa matriks ini adalah semidefinit positif?


9

Membiarkan

K=(K11K12K21K22)

menjadi positif semidefinite nyata matriks simetris (PSD) dengan . Lalu, untuk ,K12=K21T|r|≤1

K∗=(K11rK12rK21K22)

juga merupakan matriks PSD. Matriks dan adalah dan menunjukkan matriks transpos. Bagaimana saya membuktikan ini?KK∗2×2K21T


2
Saya pikir pertanyaan ini perlu tag belajar mandiri.
— Michael R. Chernick

Silakan tambahkan [self-study]tag & baca wiki -nya . Kemudian beri tahu kami apa yang Anda pahami sejauh ini, apa yang telah Anda coba & di mana Anda terjebak. Kami akan memberikan petunjuk untuk membantu Anda melepaskan diri.
— gung - Reinstate Monica

1
Jika K adalah 2x2, apakah itu berarti K_21 adalah skalar? Jika demikian, mengapa Anda berbicara tentang transposnya?
— Akumulasi

Jawaban:


15

Ini adalah kesempatan yang bagus untuk menerapkan definisi: tidak ada teorema lanjut yang diperlukan.

Untuk menyederhanakan notasi, untuk angka apa pun biarkan menjadi matriks blok simetris . (Jika bekerja dengan matriks blok tidak terbiasa dengan Anda, anggap saja pada awalnya ituρ

A(ρ)=(AρBρB′D)
A, B, D, x, dan yadalah angka. Anda akan mendapatkan ide umum dari kasus ini.)

Untuk A(ρ) menjadi semidefinit positif (PSD) hanya berarti untuk semua vektor x dan y dimensi yang sesuai

(1)0≤(x′y′)SEBUAH(ρ)(xy)=(x′y′)(SEBUAHρBρB′D)(xy)=x′SEBUAHx+2ρy′B′x+y′Dy.

Ini yang harus kita buktikan kapan |ρ|≤1.

Kami diberitahu itu A(1)adalah PSD. Saya mengklaim ituA(−1)juga PSD. Ini diikuti dengan meniadakany dalam ekspresi (1): sebagai (xy) berkisar melalui semua vektor yang mungkin, (x−y) juga berkisar melalui semua vektor yang mungkin, menghasilkan

0≤(x′−y′)A(1)(x−y)=x′Ax+2(−y)′B′x+(−y)′D(−y)=x′Ax+2(−1)y′B′x+y′Dy=(x′y′)A(−1)(xy),

menunjukkan itu (1) memegang dengan ρ=−1.

Perhatikan itu A(ρ) dapat diekspresikan sebagai interpolasi linier ekstrem A(−1) dan A(1):

(2)A(ρ)=1−ρ2A(−1)+1+ρ2A(1).

Kapan |ρ|≤1, keduanya koefisien (1−ρ)/2 dan (1+ρ)/2tidak negatif. Karena itu, sejak keduanya(x′y′)A(1)(xy) dan (x′y′)A(−1)(xy) tidak negatif, begitu juga sisi kanan

(x′y′)A(ρ)(xy)=(1−ρ2)(x′y′)A(−1)(xy)+(1+ρ2)(x′y′)A(1)(xy)≥0(0)+0(0)=0.

(Saya menggunakan warna untuk membantu Anda melihat empat istilah non-negatif terpisah yang terlibat.)

Karena x dan y sewenang-wenang, kami telah membuktikan (1) untuk semua ρ dengan |ρ|≤1.


4
Ini cukup indah dalam kesederhanaannya :-)
— TenaliRaman

7

Sudah ada jawaban yang bagus oleh @whuber, jadi saya akan mencoba memberikan alternatif, bukti lebih pendek, menggunakan beberapa teorema.

  1. Untuk apapun A - PSD dan apa saja Q kita punya QTAQ - PSD
  2. Untuk A - PSD dan B - PSD juga A+B - PSD
  3. Untuk A - PSD dan q>0 juga qA - PSD

Dan sekarang:

K∗=(K1,1rK1,2rK2,1K2,2)=(K1,1rK1,2rK2,1r2K2,2)+(000qK2,2), where q=1−r2>0=(I00rI)T(K1,1K1,2K2,1K2,2)(I00rI)+q(000K2,2)

Matriks K adalah PSD menurut definisi dan begitu juga submatrix-nya K2,2


4
+1 Peragaan yang bagus! Mungkin dibuat sedikit lebih jelas dengan menggunakan "q" dari pada "r"dalam pernyataan fakta Anda (3).
— whuber
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.