雙線性與二次形式

雙線性形式

把它想成一台有兩個輸入口的機器:每個口各餵入一個向量,它就吐出一個純量。其關鍵特徵在於,若把一個輸入口固定住,機器在另一個口上就像普通的線性映射:該輸入翻倍則輸出翻倍,輸入相加則輸出相加。由於這一性質在每個口上各自成立——故稱『雙』線性——它正是線性泛函的兩參數自然推廣。

確切地說,設 V 是體 K 上的向量空間,雙線性形式是一個映射 B:V × V → K,使得固定第二個參數時映射 u ↦ B(u, v) 是 K-線性的,固定第一個參數時映射 v ↦ B(u, v) 也是 K-線性的。等價地,B(au + bu', v) = aB(u, v) + bB(u', v) 且 B(u, av + bv') = aB(u, v) + bB(u, v') 對一切純量 a, b 成立。一旦選定 V 的一組基,B 便由其格拉姆矩陣 G 編碼,其元素 G_ij = B(e_i, e_j),於是 B(u, v) = x^T G y,其中 x, y 是 u, v 的座標行。

雙線性形式不必對稱:B(u, v) 與 B(v, u) 可以不同。當 K 的特徵不為 2 時,任意 B 都可分解為對稱部分與交錯部分之和,而對稱部分正是產生二次形式的來源。R^n 上的點積、對任意固定矩陣 A 的形式 x^T A y、以及空間與其對偶空間之間的配對,都是典型例子。

在 R^2 上取 B(x, y) = x_1 y_1 + 2 x_1 y_2 - x_2 y_2,格拉姆矩陣為 [1, 2; 0, -1]。則 B((1,1),(1,1)) = 1 + 2 - 1 = 2,且固定第二個參數時它對第一個參數線性。

一個非對稱的雙線性形式及其格拉姆矩陣。

雙線性是相對於同一個體而言的。若映射在兩個參數上各自線性,但在其中一個上是共軛線性的(如複內積空間上那樣),那是半雙線性形式,而非雙線性形式;這一區別在 C 上至關重要。

又稱
bilinear functional双线性泛函雙線性泛函