stringtranslate.com

Квадратичная форма

В математике квадратичная форма — это многочлен , все члены которого имеют степень два (« форма » — другое название однородного многочлена ). Например,

является квадратичной формой от переменных x и y . Коэффициенты обычно принадлежат фиксированному полю K , такому как действительные или комплексные числа, и говорят о квадратичной форме над K. Если K = R и квадратичная форма равна нулю только тогда, когда все переменные одновременно равны нулю, то это определенная квадратичная форма ; в противном случае это изотропная квадратичная форма .

Квадратичные формы занимают центральное место в различных разделах математики, включая теорию чисел , линейную алгебру , теорию групп ( ортогональные группы ), дифференциальную геометрию ( риманова метрика , вторая фундаментальная форма ) , дифференциальную топологию ( формы пересечения четырёхмногообразий ), Теория Ли ( форма Киллинга ) и статистика (где показатель многомерного нормального распределения с нулевым средним имеет квадратичную форму )

Квадратные формы не следует путать с квадратным уравнением , которое имеет только одну переменную и включает члены степени два или меньше. Квадратичная форма — это один из случаев более общего понятия однородных многочленов .

Введение

Квадратичные формы — это однородные квадратичные многочлены от n переменных. В случаях одной, двух и трех переменных они называются унарными , бинарными и троичными и имеют следующий явный вид:

где a ,..., fкоэффициенты . [1]

Теория квадратичных форм и методы, используемые при их изучении, во многом зависят от природы коэффициентов, которые могут быть действительными или комплексными числами , рациональными числами или целыми числами . В линейной алгебре , аналитической геометрии и в большинстве приложений квадратичных форм коэффициенты являются действительными или комплексными числами. В алгебраической теории квадратичных форм коэффициенты являются элементами некоторого поля . В арифметической теории квадратичных форм коэффициенты принадлежат фиксированному коммутативному кольцу , часто это целые числа Z или p -адические целые числа Z p . [2] Бинарные квадратичные формы широко изучались в теории чисел , в частности, в теории квадратичных полей , цепных дробей и модулярных форм . Теория целых квадратичных форм от п переменных имеет важные приложения к алгебраической топологии .

Используя однородные координаты , ненулевая квадратичная форма от n переменных определяет ( n −2) -мерную квадрику в ( n −1) -мерном проективном пространстве . Это основная конструкция проективной геометрии . Таким образом, можно визуализировать трехмерные действительные квадратичные формы как конические сечения . Примером может служить трехмерное евклидово пространство и квадрат евклидовой нормы , выражающий расстояние между точкой с координатами ( x , y , z ) и началом координат:

Близкое понятие с геометрическим подтекстом — это квадратичное пространство , которое представляет собой пару ( V , q ) , где V — векторное пространство над полем K , а q  : VK — квадратичная форма на V. См. § Определения ниже для определения квадратичной формы в векторном пространстве.

История

Изучение квадратичных форм, в частности вопрос о том, может ли данное целое число быть значением квадратичной формы над целыми числами, насчитывает много столетий. Одним из таких случаев является теорема Ферма о суммах двух квадратов , которая определяет, когда целое число может быть выражено в форме x 2 + y 2 , где x , y — целые числа. Эта проблема связана с проблемой поиска пифагорейских троек , появившейся во втором тысячелетии до нашей эры. [3]

В 628 году индийский математик Брахмагупта написал «Брахмаспхутасиддханту» , включающую, среди прочего, исследование уравнений вида x 2ny 2 = c . Он рассмотрел то, что сейчас называется уравнением Пелла , x 2ny 2 = 1 , и нашел метод его решения. [4] В Европе эту проблему изучали Брункер , Эйлер и Лагранж .

В 1801 Гаусс опубликовал «Disquisitiones Arithmeticae» , большая часть которых была посвящена полной теории бинарных квадратичных форм над целыми числами . С тех пор концепция была обобщена, а связи с полями квадратичных чисел , модулярной группой и другими областями математики получили дальнейшее объяснение.

Связанная симметричная матрица

Любая матрица A размера n × n определяет квадратичную форму q A от n переменных по формуле

А знак равно ( а ij )

Пример

Рассмотрим случай квадратичных форм от трех переменных x , y , z . Матрица А имеет вид

Приведенная выше формула дает

Итак, две разные матрицы определяют одну и ту же квадратичную форму тогда и только тогда, когда они имеют одинаковые элементы на диагонали и одинаковые значения сумм b + d , c + g и f + h . В частности, квадратичная форма q A определяется единственной симметричной матрицей

Это обобщается на любое количество переменных следующим образом.

Общий случай

Учитывая квадратичную форму q A , определенную матрицей A = ( a ij ) , матрица

A ,q A.

Итак, над действительными числами (и, шире, над полем характеристики , отличной от двух) существует взаимно однозначное соответствие между квадратичными формами и определяющими их симметричными матрицами .

Действительные квадратичные формы

Фундаментальной проблемой является классификация вещественных квадратичных форм при линейной замене переменных .

Якоби доказал, что для каждой вещественной квадратичной формы существует ортогональная диагонализация ; то есть ортогональная замена переменных , которая переводит квадратичную форму в « диагональную форму » .

диагональнойλ 1 , λ 2 , ..., λ nточностью до[5]

Если замена переменных задается обратимой матрицей , которая не обязательно ортогональна, можно предположить, что все коэффициенты λ i равны 0, 1 или -1. Закон инерции Сильвестра гласит, что числа 1 и -1 являются инвариантами квадратичной формы в том смысле, что любая другая диагонализация будет содержать одинаковое количество каждого из них. Сигнатурой квадратичной формы является тройка ( n 0 , n + , n ) , где n 0 — количество нулей, а n ± — количество ±1. Закон инерции Сильвестра показывает, что это вполне определенная величина, привязанная к квадратичной форме.

Особенно важен случай, когда все λ i имеют один и тот же знак: в этом случае квадратичная форма называется положительно определенной (все 1) или отрицательно определенной (все −1). Если ни один из членов не равен 0, то форма называетсяневырожденный ; сюда входят положительно определенная, отрицательно определенная иизотропная квадратичная форма(смесь 1 и -1); эквивалентно, невырожденная квадратичная форма — это форма, связанная с которой симметричная форма являетсяневырожденной билинейной формой. Действительное векторное пространство с неопределенной невырожденной квадратичной формой индекса ( p , q ) (обозначающее p1s и q −1s) часто обозначается как Rp , q , особенно в физической теориипространства-времени.

Дискриминант квадратичной формы , точнее класс определителя представляющей матрицы в K /( K × ) 2 (с точностью до ненулевых квадратов), также может быть определен, и для вещественной квадратичной формы является более грубым инвариантом, чем сигнатура , принимая только «положительные, нулевые или отрицательные значения». Ноль соответствует вырожденной форме, а для невырожденной формы это четность числа отрицательных коэффициентов (−1) n .

Ниже эти результаты переформулированы по-другому.

Пусть q — квадратичная форма, определенная в n -мерном вещественном векторном пространстве. Пусть A — матрица квадратичной формы q в данном базисе. Это означает, что A — симметричная матрица размера n × n такая, что

xvxобратимую матрицу S размера n × nAB

Любую симметричную матрицу A можно преобразовать в диагональную матрицу.

SBSBn 0n +n A.n +n положительнымотрицательным индексами инерцииAq

Квадратичная форма q является положительно определенной, если q ( v ) > 0 (аналогично, отрицательно определенной, если q ( v ) < 0 ) для каждого ненулевого вектора v . [6] Когда q ( v ) принимает как положительные, так и отрицательные значения, q является изотропной квадратичной формой . Теоремы Якоби и Сильвестра показывают, что любую положительно определенную квадратичную форму от n переменных можно привести к сумме n квадратов подходящим обратимым линейным преобразованием: геометрически существует только одна положительно определенная вещественная квадратичная форма каждого измерения. Его группа изометрий представляет собой компактную ортогональную группу O( n ) . Это контрастирует со случаем изотропных форм, когда соответствующая группа, неопределенная ортогональная группа O( p , q ) , некомпактна. Кроме того, группы изометрий Q и Q одни и те же ( O( p , q ) ≈ O( q , p )) , но ассоциированные алгебры Клиффорда (и, следовательно, группы булавок ) различны.

Определения

Квадратичная форма над полем K — это отображение q  : VK из конечномерного K -векторного пространства в K такое, что q ( av ) = a 2 q ( v ) для всех aK , vV и функция q ( ты + v ) - q ( ты ) - q ( v ) билинейна.

Более конкретно, n -арная квадратичная форма над полем K — это однородный многочлен степени 2 от n переменных с коэффициентами из K :

Эту формулу можно переписать с использованием матриц: пусть x будет вектор-столбцом с компонентами x 1 , ..., x n и A = ( a ij ) будет матрицей размера n × n над K , элементы которой являются коэффициентами q . Затем

Вектор v = ( x 1 , ..., x n ) является нулевым вектором, если q ( v ) = 0 .

Две n -арные квадратичные формы φ и ψ над K эквивалентны , если существует неособое линейное преобразование C ∈ GL ( n , K ) такое, что

Пусть характеристика K отличается от 2. [7] Матрицу коэффициентов A для q можно заменить симметричной матрицей ( A + AT ) / 2 той же квадратичной формы , поэтому с самого начала можно предположить, что A является симметричным. При этом симметричная матрица A однозначно определяется соответствующей квадратичной формой. При эквивалентности C симметричная матрица A функции φ и симметричная матрица B функции ψ связаны следующим образом:

Соответствующая билинейная форма квадратичной формы q определяется формулой

Таким образом, b q — симметричная билинейная форма над K с матрицей A. Обратно, любая симметричная билинейная форма b определяет квадратичную форму

n

Квадратичное пространство

Для данного n -мерного векторного пространства V над полем K квадратичная форма на V — это функция Q  : VK , которая обладает следующим свойством: для некоторого базиса функция q , отображающая координаты vV в Q ( v ) — квадратичная форма. В частности, если V = Kn со стандартным базисом , то

Формулы замены базиса показывают, что свойство быть квадратичной формой не зависит от выбора конкретного базиса в V , хотя квадратичная форма q зависит от выбора базиса.

Конечномерное векторное пространство с квадратичной формой называется квадратичным пространством .

Отображение Q является однородной функцией степени 2, что означает, что оно обладает тем свойством, что для всех a в K и v в V :

Когда характеристика K не равна 2, определяется билинейное отображение B  : V × VK над K :

BB ( x , y ) = B ( y , x )xyVQQ ( x ) = B ( x , x )xV

Когда характеристика K равна 2, так что 2 не является единицей , все еще можно использовать квадратичную форму для определения симметричной билинейной формы B ′( x , y ) = Q ( x + y ) − Q ( x ) - Q ( у ) . Однако Q ( x ) уже нельзя восстановить из этого B таким же способом, поскольку B ′( x , x ) = 0 для всех x (и, таким образом, является чередующимся). [8] Альтернативно, всегда существует билинейная форма B (вообще говоря, не единственная и не симметричная) такая, что B ″( x , x ) = Q ( x ) .

Пара ( V , Q ) , состоящая из конечномерного векторного пространства V над K и квадратичного отображения Q из V в K , называется квадратичным пространством , а B , как определено здесь , является ассоциированной симметричной билинейной формой Q. Понятие квадратичного пространства представляет собой бескоординатную версию понятия квадратичной формы. Иногда Q также называют квадратичной формой.

Два n -мерных квадратичных пространства ( V , Q ) и ( V ′, Q ′) изометричны , если существует обратимое линейное преобразование T  : VV ( изометрия ) такое, что

Классы изометрии n -мерных квадратичных пространств над K соответствуют классам эквивалентности n -арных квадратичных форм над K.

Обобщение

Пусть Rкоммутативное кольцо , MR - модуль и b  : M × MR — R -билинейная форма . [9] Отображение q  : MR  : vb ( v , v ) является ассоциированной квадратичной формой b , и B  : M × MR  : ( u , v ) ↦ q ( u + v ) − q ( ты ) - q ( v ) является полярной формой q .

Квадратичная форма q  : MR может быть охарактеризована следующими эквивалентными способами:

Связанные понятия

Два элемента v и w из V называются ортогональными, если B ( v , w ) = 0 . Ядро билинейной формы B состоит из элементов , ортогональных каждому элементу V . Q несингулярен , если ядро ​​связанной с ним билинейной формы равно {0} . Если в V существует ненулевое v такое, что Q ( v ) = 0 , квадратичная форма Q изотропна , в противном случае она анизотропна . Эта терминология также применима к векторам и подпространствам квадратичного пространства. Если ограничение Q на подпространство U в V тождественно равно нулю, то U вполне сингулярно .

Ортогональная группа неособой квадратичной формы Q — это группа линейных автоморфизмов V , сохраняющих Q : то есть группа изометрий ( V , Q ) в себя.

Если квадратичное пространство ( A , Q ) имеет произведение так, что A является алгеброй над полем и удовлетворяет условиям

композиционная алгебра

Эквивалентность форм

Любая квадратичная форма q от n переменных над полем характеристики, не равной 2, эквивалентна диагональной форме

Такую диагональную форму часто обозначают a 1 , ..., an . Таким образом, классификацию всех квадратичных форм с точностью до эквивалентности можно свести к случаю диагональных форм.

Геометрический смысл

Используя декартовы координаты в трех измерениях, пусть x = ( x , y , z ) T и пусть A будет симметричной матрицей 3х3. Тогда геометрическая природа множества решений уравнения x T A x + b T x = 1 зависит от собственных значений матрицы A .

Если все собственные значения A не равны нулю, то множество решений представляет собой эллипсоид или гиперболоид . [ нужна цитация ] Если все собственные значения положительны, то это эллипсоид; если все собственные значения отрицательны, то это мнимый эллипсоид (получаем уравнение эллипсоида, но с мнимыми радиусами); если некоторые собственные значения положительны, а некоторые отрицательны, то это гиперболоид.

Если существуют одно или несколько собственных значений λ i = 0 , то форма зависит от соответствующего b i . Если соответствующий b i ≠ 0 , то множество решений представляет собой параболоид (эллиптический или гиперболический); если соответствующее b i = 0 , то размерность i вырождается и не играет роли, а геометрический смысл будет определяться другими собственными значениями и другими компонентами b . Когда множество решений представляет собой параболоид, то, является ли оно эллиптическим или гиперболическим, определяется тем, имеют ли все остальные ненулевые собственные значения одного и того же знака: если они есть, то оно эллиптическое; в противном случае оно является гиперболическим.

Целые квадратичные формы

Квадратичные формы над кольцом целых чисел называются целыми квадратичными формами , тогда как соответствующие модули являются квадратичными решетками (иногда просто решетками ). Они играют важную роль в теории чисел и топологии .

Целочисленная квадратичная форма имеет целые коэффициенты, например x 2 + xy + y 2 ; эквивалентно, если решетка Λ в векторном пространстве V (над полем с характеристикой 0, например Q или R ), квадратичная форма Q является целой относительно Λ тогда и только тогда, когда она целочисленна на Λ , что означает Q ( Икс , y ) ∈ Z , если Икс , y ∈ Λ .

Это текущее использование термина; в прошлом его иногда использовали по-другому, как подробно описано ниже.

Историческое использование

Исторически существовала некоторая путаница и разногласия по поводу того, должно ли понятие целой квадратичной формы означать:

двойки в
квадратичная форма, связанная с симметричной матрицей с целыми коэффициентами
двойки
многочлен с целыми коэффициентами (поэтому соответствующая симметричная матрица может иметь полуцелые коэффициенты вне диагонали)

Эти дебаты возникли из-за путаницы квадратичных форм (представленных полиномами) и симметричных билинейных форм (представленных матрицами), а «двойка» теперь является общепринятым соглашением; Вместо этого «двойки в» - это теория целочисленных симметричных билинейных форм (целочисленных симметричных матриц).

В «двойках» двоичные квадратичные формы имеют вид ax 2 + 2 bxy + cy 2 , представленный симметричной матрицей.

ГауссDisquisitiones Arithmeticae

В «двойке» двоичные квадратичные формы имеют вид ax 2 + bxy + cy 2 , представленный симметричной матрицей.

Несколько точек зрения означают, что двойка была принята в качестве стандартного соглашения. К ним относятся:

Универсальные квадратичные формы

Целочисленную квадратичную форму, образ которой состоит из всех натуральных чисел, иногда называют универсальной . Теорема Лагранжа о четырех квадратах показывает, что w 2 + x 2 + y 2 + z 2 является универсальным. Рамануджан обобщил это aw 2 + bx 2 + cy 2 + dz 2 и нашел 54 мультимножества { a , b , c , d } , каждое из которых может генерировать все положительные целые числа, а именно:

Существуют также формы, образ которых состоит только из целых положительных чисел, кроме одного. Например, {1, 2, 5, 5} имеет 15 в качестве исключения. Недавно теоремы 15 и 290 полностью охарактеризовали универсальные целочисленные квадратичные формы: если все коэффициенты являются целыми числами, то она представляет все положительные целые числа тогда и только тогда, когда она представляет все целые числа до 290; если у него есть целая матрица, он представляет все положительные целые числа тогда и только тогда, когда он представляет все целые числа до 15.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Традиция, восходящая к Гауссу , требует использования явно четных коэффициентов для произведений различных переменных, то есть 2 b вместо b в двоичных формах и 2 b , 2 d , 2 f вместо b , d , f в тройных формах. Оба соглашения встречаются в литературе.
  2. ^ вдали от 2 , т. е. если 2 обратима в кольце, квадратичные формы эквивалентны симметричным билинейным формам (по поляризационным тождествам ), но в 2 это разные понятия; это различие особенно важно для квадратичных форм целых чисел.
  3. ^ Вавилонский Пифагор
  4. ^ Биография Брахмагупты
  5. ^ Максим Бошер (совместно с EPR DuVal) (1907) Введение в высшую алгебру , § 45 Приведение квадратичной формы к сумме квадратов через HathiTrust
  6. ^ Если выполняется нестрогое неравенство (с ≥ или ≤), то квадратичная форма q называется полуопределенной.
  7. ^ Теория квадратичных форм над полем характеристики 2 имеет важные различия, и многие определения и теоремы должны быть изменены.
  8. ^ Эта знакопеременная форма, связанная с квадратичной формой в характеристике 2, представляет интерес, связанный с инвариантом Арфа - Ирвинг Каплански (1974), Линейная алгебра и геометрия , с. 27.
  9. ^ Билинейная форма, с которой связана квадратичная форма, не ограничивается симметричностью, что имеет значение, когда 2 не является единицей в R .

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки