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從內積到雙線性型

第一卷給了你一種把兩個向量相乘成一個數的特殊方式:內積。現在我們剝去它額外的性質,只保留最本質的一條——對每個槽位都線性——從而抵達一般的雙線性型。

第一卷悄悄假定的東西

在第一卷中,內積 <u, v> 是你度量長度與角度的工具。但看看它實際在做什麼:它吞入兩個向量並返回一個純量,且對每個變元分別線性。點積 u^T v 就是範例。這兩點——兩個輸入、各自線性——就是全部骨架;對稱性與正性是我們現在要釋放的附加條件。

向量空間 V 上的雙線性型 B 是任意映射 B: V x V -> F,當固定第二個變元時對第一個槽位線性,當固定第一個變元時對第二個槽位線性。不要求對稱,不要求正性。內積只是一個非常乖巧的雙線性型;本專題餘下部分探索整個家族。

一旦固定基,每個型都是一個矩陣

固定一組 e_1, ..., e_n。一個雙線性型完全由 n^2 個數 a_ij = B(e_i, e_j) 決定,因為線性把型鋪展到各座標上。把它們收進格拉姆矩陣 A = [a_ij];於是對座標列向量 x, y,有 B(x, y) = x^T A y。選定基把抽象的型變成普通的矩陣運算。

B(x, y) = x^T A y      (A is the Gram matrix in this basis)

Example on R^2 with  A = [2, 1; 0, 3]:
  B(x, y) = [x1 x2] [2, 1; 0, 3] [y1; y2]
          = 2 x1 y1 + 1 x1 y2 + 0 x2 y1 + 3 x2 y2

Read it off: the coefficient of x_i y_j is exactly a_ij.
  a_11 = 2 = B(e_1, e_1)
  a_12 = 1 = B(e_1, e_2)
  a_21 = 0 = B(e_2, e_1)   <- note a_12 != a_21: NOT symmetric
  a_22 = 3 = B(e_2, e_2)
座標下的雙線性型:B(x, y) = x^T A y,每個矩陣元素對應一個係數。

退化:根與非退化型

內積絕不會讓一個非零向量對一切都給出零,但一般的型可以。B 的是所有滿足 B(v, w) = 0 對一切 w 成立的向量 v 之集——那些型根本看不見的方向。在座標下,根恰是 A 的零空間。當根僅為 {0} 時,型是非退化的,等價於 det A != 0。