雙線性與二次形式

形式的秩

空間中某些方向對一個形式是『隱形』的——無論搭配誰,把它們餵進去總返回零。秩衡量的是真正『起作用』的方向有多少:把這些盲方向(即根基)商去之後,形式非平凡部分的大小。滿秩的形式洞察一切;秩不足則意味著形式在某個子空間上退化。

確切地說,雙線性或二次形式的秩就是其任一格拉姆矩陣的秩。由於換基把 G 替換為合同矩陣 P^T G P(P 可逆),秩保持不變——它是合同不變量,因而是形式本身的不變量。等價地,秩等於 V 的維數減去根基的維數,根基即與 V 中所有向量都正交的向量構成的子空間。

對角化之後,秩就是非零對角元的個數。形式非退化當且僅當秩等於 dim V,當且僅當格拉姆矩陣可逆,當且僅當根基為零。在 R 上,秩等於 p + q,其中 (p, q) 是符號差;差 p - q 以符號資訊細化了秩,而單憑秩會丟棄這一資訊。

R^3 上的 Q(x, y, z) = x^2 - y^2 的對角格拉姆矩陣為 [1,0,0; 0,-1,0; 0,0,0]。其秩為 2,故 Q 退化;根基是 z 軸,其上每個向量都與整個 R^3 正交。

R^3 上一個秩為 2 的退化形式,根基為一維。