Білінійна форма

Біліні́йна фо́рма (білінійний функціонал, білінійна функція) — це таке відображення декартового квадрата векторного простору в скалярне поле , що є лінійним за кожним зі своїх аргументів:

скалярне поле — це, зазвичай, дійсні числа чи комплексні числа .

Білінійна форма називається спряженою до форми і позначається .

Для випадку комплексних чисел цікавішими є півторалінійні форми, що є подібними до білінійних, але є спряжено-лінійними за одним з аргументів.

Скалярний добуток на є прикладом білінійної форми.[1].

Означення білінійної форми можна розширити на модулі над кільцем, де лінійне відображення замінюється гомоморфізмом модулів.

Якщо — поле комплексних чисел , тоді часто більш цікавими об'єктами є півторалінійні форми, які подібні до білінійних форм, але за одним з аргументів є лінійно-спряженими.

Координатне представлення

Нехай -вимірний векторний простір з базисом .

Матрицю розмірності , елементи якої визначаються як , називають матрицею білінійної форми у базисі .

  • Якщо — матриця представляє вектор у цьому базисі, аналогічно відповідає іншому вектору , то

де квадратна матриця з елементами .

  • Якщо деякий інший базис в , де невироджена матриця, то

Тоді при переході до нового базису матриця білінійної форми зміниться на конгруентну матрицю:

Відображення у спряжений простір

Будь-яка білінійна форма на просторі визначає пару лінійних відображень з простору у спряжений до нього простір . Визначимо як

Часто ці відображення позначається як

де вказує на слот, в який потрібно помістити аргумент результуючого лінійного функціоналу (див. каррінг).

Для скінченновимірного векторного простору , якщо будь-яке з відображень або є ізоморфізмом, то тоді обидва вони є ізоморфізмами, і білінійну форму називають невиродженою. Більш точніше, для скінченновимірного векторного простору невиродженість означає, що кожен ненульовий елемент нетривіально поєднується з якимсь іншим елементом:

для усіх передбачає, що i
для усіх передбачає, що

Відповідне поняття для модуля над комутативним кільцем полягає в тому, що білінійна форма є унімодулярною, якщо відображення є ізоморфізмом. Нехай задано скінченний породжений модуль над комутативним кільцем, утворення пар може бути ін'єктивним (отже, "невиродженим" у наведеному вище розумінні), але не унімодулярним. Наприклад, для цілих чисел утворення пар є невиродженим, але неунімодулярним, оскільки індуковане відображення з на є множенням на 2.

Якщо простір — скінченновимірний, тоді можна ототожнювати простір з двічі спряженим простором . Можна показати, що відображення є транспонуванням лінійного відображення (якщо простір нескінченновимірний, то — транспонування , обмежене образом простору у просторі ). Для заданого відображення можна визначити транспоноване до нього через білінійну форму наступним чином

Лівий і правий радикали білінійної форми є ядрами відображень і , відповідно;[2] вони є векторами, ортогональними до всього простору зліва та справа.[3]

Якщо простір — скінченновимірний, тоді ранг відображення дорівнює рангу відображення . Якщо це значення дорівнює , тоді відображення і є лінійними ізоморфізмами з простору у простір . У цьому випадку білінійна форма є невиродженою. За теоремою про ранг ядра це еквівалентно умові, що лівий та правий радикали будуть тривіальними. Для скінченновимірних просторів це часто приймається як означення невиродженості:

Означення: Відображення є невиродженим, якщо з умови , яка виконується для всіх , випливає, що .

Для будь-якого лінійного відображення можна отримати білінійну форму у просторі як

Ця форма буде невиродженою тоді і лише тоді, коли відображення є ізоморфізмом.

Якщо простір є скінченновимірним тоді, відносно деякого базису простору , білінійна форма є виродженою тоді і тільки тоді, коли визначник відповідної матриці дорівнює нулю. Аналогічно, невиродженою формою є форма для якої визначник асоційованої матриці ненульовий (матриця є несингулярною). Ці твердження не залежать від вибраного базису. Для модуля над комутативним кільцем унімодулярна форма є формою, для якої визначник асоційованої матриці дорівнює одиниці (наприклад, 1), що і обґрунтовує термінологію. Зауважимо, що форма, визначник якої не дорівнює нулю, але не є одиницею, буде невиродженою, але не унімодулярною, наприклад, форма над полем цілих чисел.

Симетрична, кососиметрична та знакозмінна форми

Визначаємо білінійну форму як

  • симетричну, якщо для всіх ;
  • знакозмінну, якщо для всіх ;
  • кососиметричну, якщо для всіх .
Твердження: Будь-яка знакозмінна форма є кососиметричною.
Доведення: Це можна побачити, розписавши .

Якщо характеристика поля не дорівнює 2, то справедливо і зворотне твердження: кожна кососиметрична форма є знакозмінною. Однак, якщо , то кососиметрична форма є такою ж як симетрична форма, і існують симетричні/кососиметричні форми, які не є знакозмінними.

Білінійна форма є симетричною (відповідно, кососиметричною) тоді і лише тоді, коли її координатна матриця (відносно будь-якого базису) є симетричною (відповідно, кососиметричною). Білінійна форма є знакозмінною тоді і тільки тоді, коли її координатна матриця є кососиметричною, а діагональні елементи дорівнюють нулю (це випливає з кососиметричності при ).

Білінійна форма є симетричною тоді і лише тоді, коли відображення рівні (), і кососиметричною тоді і лише тоді, коли вони протилежні за знаком ((). Якщо , то білінійну форму можна розкласти на симетричну та кососиметричну частини наступним чином:

де — відображення транспоноване до (визначене вище).

  • Симетрична білінійна форма називається додатновизначеною (від'ємновизначеною), якщо : або .

Додатновизначена білінійна форма задовільняє всі аксіоми скалярного добутку.

Симетрична білінійна форма

Симетричні білінійні форми тісно пов'язані з квадратичними формами.

Симетричну білінійну форму A(x,y), називають полярною до квадратичної форми A(x,x). Матриця білінійної форми збігається з матрицею полярної до неї квадратичної форми в тому ж базисі.

  • Маючи білінійну форму (не обов'язково симетричну), отримаємо квадратичну форму як:
  • І навпаки, маючи квадратичну форму , використавши правило паралелограма, отримаємо асоційовану з нею симетричну білінійну форму:

Закон інерції

Похідна квадратична форма

Для будь-якої білінійної форми існує асоційована квадратична форма , визначена як .

Якщо , то квадратична форма визначається симетричною частиною білінійної форми і не залежить від антисиметричної частини. У цьому випадку існує взаємнооднозначна відповідність між симетричною частиною білінійної форми та квадратичною формою, і є сенс говорити про симетричну білінійну форму асоційовану з квадратичною формою.

Якщо і , то такої відповідності між квадратичними формами та симетричними білінійними формами немає.

Рефлексивність та ортогональність

Означення: Білінійна форма називається рефлексивною, якщо із випливає, що і для всіх .

Означення: Нехай — рефлексивна білінійна форма. Вектори , простору є ортогональними відносно , якщо .

Білінійна форма є рефлексивною тоді і лише тоді, коли вона симетрична або кососиметрична.[4] За відсутності рефлексивності нам доводиться розрізняти ліву та праву ортогональність. У рефлексивному просторі лівий і правий радикали співпадають і називаються ядром або радикалом білінійної форми: підпростір усіх векторів, ортогональних з будь-яким іншим вектором. Вектор з матричним представленням знаходиться в радикалі білінійної форми з матричним представленням , тоді і тільки тоді, коли . Радикал — це завжди підпростір простору. Він тривіальний тоді і тільки тоді, коли матриця невироджена, і, отже, тоді і тільки тоді, коли білінійна форма є невиродженою.

Нехай є підпростором. Визначимо ортогональне доповнення[5] як

Для невироджених білінійної форми на скінченномірному просторі відображення є бієкцією і розмірність ортогонального доповнення дорівнює .

Різні простори

Більша частина теорії доступна для білінійного відображення з двох векторних просторів над тим самим базовим полем у це поле

Тут все ще маємо індуковані лінійні відображення з простору у простір і з простору у простір . Може трапитися так, що ці відображення є ізоморфізмами; припускаючи скінченновимірність, якщо одне є ізоморфізмом, інше також має бути ізоморфізмом. Коли це відбувається, білінійну форму називають досконалим утворюванням пар.

У випадку скінченних розмірностей це еквівалентно тому, що утворювання пар є невиродженим (простори обов'язково мають однакові розмірності). Для модулів (замість векторних просторів), подібно до того як зараз, невироджена форма є слабшою за унімодулярну форму, невироджене утворювання пар є слабшим поняттям ніж досконале утворювання пар. Утворювання пар може бути невиродженим, не будучи досконалим. Наприклад, вигляду є невиродженим, але індукується множення на 2 при відображенні .

Термінологія змінюється при розгляді різних білінійних форм. Наприклад, Ф. Різ Харві обговорює "вісім видів внутрішнього добутку".[6] Для їх визначення він використовує діагональні матриці , що мають лише або для ненульових елементів. Деякі з "внутрішніх добутків" є cимплектичними формами, а деякі — півторалінійними формами або ермітовими формами. Замість загального поля розлядаються поля дійсних чисел , комплексних чисел і кватерніонів . Білінійна форма

називається дійсним симетричним випадком і позначається як , де . Потім він формулює зв'язок із традиційною термінологією.[7]

Деякі дійсні симетричні випадки дуже важливі.

Додатно визначений випадок називається евклідовим простором, тоді як випадок одного мінуса, простором Лоренца.

Якщо , то простір Лоренца також називають простором Мінковського або простором-часом Мінковського.

Частинний випадок будемо називати розщепленим випадком.

Зв'язок з тензорним добутком

Згідно універсальної властивості тензорного добутку існує канонічна відповідність між білінійними формами у просторі і лінійними відображеннями . Якщо є білінійною формою у просторі , то відповідне лінійне відображення визначається як

В іншому напрямку, якщо є лінійним відображенням, то відповідна білінійна форма задається композицією з білінійним відображенням , яка відображає у .

Множина всіх лінійних відображень є спряженим простором для , тому білінійні форми можна розглядати як елементи простору , який (для скінченновимірного простору ) канонічно ізоморфний простору .

Так само симетричні білінійні форми можна розглядати як елементи з (друга симетрична степінь простору ), і знакозмінні білінійні форм як елементи з (друга зовнішня степінь простору ).

На нормованих векторних просторах

Означення: Білінійна форма на нормованому векторному просторі є обмеженою, якщо існує константа , що для всіх
Означення: Білінійна форма на нормованому векторному просторі є еліптичною, або коерцитивною, якщо існує константа , така, що для всіх

Узагальнення на модулі

Нехай задано кільце і правий -модуль та його спряжений модуль , відображення називається білінійною формою, якщо

для всіх , всіх і всіх .

Відображення відоме як природне утворювання пар, яке також називають канонічною білінійною формою на [8].

Лінійне відображення індукує білінійну форму , а лінійне відображення індукує білінійну форму .

І навпаки, білінійна форма індукує -лінійні відображення і . Тут позначає подвійний спряжений модуль для модуля .

Див. також

Цитати

Список літератури

  • Adkins, William A.; Weintraub, Steven H. (1992). Algebra: An Approach via Module Theory. Graduate Texts in Mathematics 136. Springer-Verlag. ISBN 3-540-97839-9. Zbl 0768.00003.
  • Bourbaki, N. (1970). Algebra. Springer.
  • Cooperstein, Bruce (2010). Ch 8: Bilinear Forms and Maps. Advanced Linear Algebra. CRC Press. с. 249–88. ISBN 978-1-4398-2966-0.
  • Grove, Larry C. (1997). Groups and characters. Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-16340-4.
  • Halmos, Paul R. (1974). Finite-dimensional vector spaces. Undergraduate Texts in Mathematics. Berlin, New York: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-90093-3. Zbl 0288.15002.
  • Harvey, F. Reese (1990). Chapter 2: The Eight Types of Inner Product Spaces. Spinors and calibrations. Academic Press. с. 19–40. ISBN 0-12-329650-1.
  • Popov, V. L. (1987). Bilinear form. У Hazewinkel, M. Encyclopedia of Mathematics (Kluwer Academic Publishers) 1: 390–392.. Also: Білінійна форма, с. 390, на «Google Books»
  • Jacobson, Nathan (2009). Basic Algebra I (вид. 2nd). ISBN 978-0-486-47189-1.
  • Milnor, J.; Husemoller, D. (1973). Symmetric Bilinear Forms. Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 73. Springer-Verlag. ISBN 3-540-06009-X. Zbl 0292.10016.
  • Porteous, Ian R. (1995). Clifford Algebras and the Classical Groups. Cambridge Studies in Advanced Mathematics 50. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-55177-9.
  • Shafarevich, I. R.; A. O. Remizov (2012). Linear Algebra and Geometry. Springer. ISBN 978-3-642-30993-9.
  • Shilov, Georgi E. (1977). У Silverman, Richard A. Linear Algebra. Dover. ISBN 0-486-63518-X.
  • Zhelobenko, Dmitriĭ Petrovich (2006). Principal Structures and Methods of Representation Theory. Translations of Mathematical Monographs. American Mathematical Society. ISBN 0-8218-3731-1.

Зовнішні посилання

Джерела

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.