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从内积到双线性型

第一卷给了你一种把两个向量相乘成一个数的特殊方式:内积。现在我们剥去它额外的性质,只保留最本质的一条——对每个槽位都线性——从而抵达一般的双线性型。

第一卷悄悄假定的东西

在第一卷中,内积 <u, v> 是你度量长度与角度的工具。但看看它实际在做什么:它吞入两个向量并返回一个标量,且对每个变元分别线性。点积 u^T v 就是范例。这两点——两个输入、各自线性——就是全部骨架;对称性与正性是我们现在要释放的附加条件。

向量空间 V 上的双线性型 B 是任意映射 B: V x V -> F,当固定第二个变元时对第一个槽位线性,当固定第一个变元时对第二个槽位线性。不要求对称,不要求正性。内积只是一个非常乖巧的双线性型;本专题余下部分探索整个家族。

一旦固定基,每个型都是一个矩阵

固定一组 e_1, ..., e_n。一个双线性型完全由 n^2 个数 a_ij = B(e_i, e_j) 决定,因为线性把型铺展到各坐标上。把它们收进格拉姆矩阵 A = [a_ij];于是对坐标列向量 x, y,有 B(x, y) = x^T A y。选定基把抽象的型变成普通的矩阵运算。

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)
坐标下的双线性型:B(x, y) = x^T A y,每个系数对应一个矩阵元素。

退化:根与非退化型

内积绝不会让一个非零向量对一切都给出零,但一般的型可以。B 的是所有满足 B(v, w) = 0 对一切 w 成立的向量 v 之集——那些型根本看不见的方向。在坐标下,根恰是 A 的零空间。当根仅为 {0} 时,型是非退化的,等价于 det A != 0。