双线性与二次形式

格拉姆矩阵

双线性形式是抽象的双输入机器,但要用它做计算,你需要数字。格拉姆矩阵就是记账工具:选定一组基,把形式在每一对基向量上的取值记录下来。一旦握有这张有限的表,形式在任意两个向量上的取值都可由代入坐标得到——整个无穷的形式就被一个有限矩阵所捕获。

给定 V 的一组基 e_1, …, e_n 与双线性形式 B,格拉姆矩阵 G 的元素为 G_ij = B(e_i, e_j)。于是对坐标列为 x、y 的向量有 B(u, v) = x^T G y。形式对称当且仅当 G 对称,交错当且仅当 G 交错,非退化当且仅当 G 可逆。对于实空间上的内积,G 是对称正定的。

用可逆矩阵 P 换基,会把 G 替换为 P^T G P——这是合同(congruence),不是相似(出现的是 P^T 而非 P^{-1})。因此‘不同坐标下的同一形式’的恰当概念是矩阵的合同,而形式的不变量恰好是其格拉姆矩阵的合同不变量:秩、模平方的判别式,以及在 R 上的符号差。

对 R^2 上的 B(x, y) = x_1 y_1 + x_1 y_2 + x_2 y_1 + 3 x_2 y_2,格拉姆矩阵为 [1, 1; 1, 3]。其行列式 3 - 1 = 2 > 0 且首项 1 > 0,故该形式正定。

一个通过正定性检验的 2×2 格拉姆矩阵。

又称
matrix of a bilinear form双线性形式的矩阵雙線性形式的矩陣