В этом видео мы обсудим критерий Сильвестра, который по определителям матрицы позволяет понять, является ли квадратичная форма положительно определенной, отрицательно определенной и так далее. Начнем мы собственно с критерия Сильвестра, а потом расширим его для положительной и отрицательной полуопределенности. Для начала нам потребуется обозначение. Если из матрицы А вычеркнуть какие-то строчки и столбцы так, чтобы в результате остались строчки и столбцы с одинаковыми номерами, то получится некая подматрица, определитель которой играет очень важную роль. И если рассмотреть пример: мы из матрицы повычеркивали все, кроме второй и четвертой строки и второго и четвертого столбца; определитель полученной подматрицы мы обозначим m24. Например, была матрица размера четыре на четыре, мы вычеркнули первый, третий столбец, первую, третью строчку. Получили подматрицу (6, 1, 1, 8), ее определитель равен (шестью восемь минус один) 47, и вот этот определитель мы будем называть главным минором. Официальная терминология следующая: если оставили строчки и столбцы с одинаковыми номерами, то определитель полученной подматрицы называется главным минором, а если оставили строчки и столбцы с номерами подряд 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, k, то тогда определитель полученной подматрицы называется угловым минором. Размером минора (или порядком минора) называют число строк, поскольку матрица (подматрица) — квадратная, определитель считают только у квадратных матриц, то можно считать размером, порядком минора, число строк или число столбцов, это несущественно. Критерий Сильвестра. Симметричная матрица А является положительно определенной тогда и только тогда, когда все ее угловые миноры — m1 (когда оставили только первую строчку), m12 (когда оставили первую, вторую строчку; первый, второй столбец), m123 и так далее, — все строго больше нуля. Например, если мы рассмотрим матрицу А (5, 2, 3, 2, 6, 2, 3, 2, 9), то ее первый угловой минор — это пять (число с угла), m12 (второй угловой минор) — это (5, 2, 2, 6), тоже положительный определитель, и m123 (когда оставили первую, вторую, третью строчку; первый, второй, третий столбец), то получается определитель — 184 (он тоже положительный), поэтому, по критерию Сильвестра, матрица А является положительно определенной. Заметим, что если помножить на минус единичку каждый элемент матрицы А, то, конечно, миноры поменяют некоторый знак, но стоит отметить, что поменяют знак миноры нечетного размера, а миноры четного размера знак не поменяют, потому что у них в определителе минус единичка будет умножаться четное число раз. Поэтому из критерия положительной определенности легко получить критерий отрицательной определенности. Критерий Сильвестра для отрицательной определенности выглядит так: симметричная матрица А является отрицательно определенной, если и только если m1, m123, m12345, все миноры угловые нечетного размера, строго меньше нуля, а все угловые миноры четного размера, то есть m12, m1234, m123456 и так далее, все миноры четного размера угловые строго больше нуля. Например, если мы рассмотрим матрицу B, то мы видим, что m1, первый угловой минор, у нее — минус пять, отрицательный; m12, второй угловой минор, у нее положительный; m123, третий угловой минор, у нее отрицательный, значит, по критерию Сильвестра, она отрицательно определенная. Критерий положительной определенности Сильвестра можно расширить до положительной полуопределенности. Иногда это называют расширенным критерием Сильвестра. Симметричная матрица А является положительно полуопределенной, если и только если все главные миноры, не только угловые, но и все главные (все mi-ые, все mij-ые, все mijk-ые и так далее), все главные миноры больше либо равны нуля. Например, если рассмотреть матрицу А (4, 6, 6, 9), то у нее m1 (когда оставили первую строчку, первый столбец) — это четверка, больше нуля; больше нуля — это частный случай больше либо равно нулю; m2 — это девятка, тоже число больше либо равно нуля, и m12, это в данном случае сама исходная матрица, определитель (4, 6, 6, 9) получается нулевой, но ноль, как известно, больше либо равен нуля. Поэтому получается, что по расширенному критерию Сильвестра матрица А является положительно полуопределенной. Аналогично, легко дать определение отрицательной полуопределенности: если и только если все главные миноры, не только угловые, нечетного размера — меньше либо равны, а все главные миноры четного размера — больше либо равны нуля, то тогда и только тогда матрица является положительно полуопределенной. Например, матрица А (минус 4, 6, 6, минус 9), у нее m1 — минус четыре, m2 — минус девять; оба минора первого размера меньше либо равны нуля, минор второго размера m12, определитель (минус 4, 6, 6, минус 9), этот определитель равен нулю. Ноль больше либо равен нуля — критерий выполнен, поэтому матрица А является отрицательно полуопределенной. Можно подвести резюме всем критериям положительности для квадратичной формы, которые мы в результате привели. Во-первых, по определению она является положительной, если за пределами точки ноль, в любой точке, кроме нуля, она положительна; собственно, это определение положительной определенности. Другой критерий — если мы знаем собственные числа Лямбда 1, Лямбда 2 и так далее, то удачной заменой переменных перехода от x к y можно легко увидеть, что квадратичная форма положительна, только если все Лямбда строго больше нуля. И, наконец, по определителям, по угловым минорам, можно легко определить — если все угловые миноры строго больше нуля, то квадратичная форма также положительна, положительно определена. Все эти три критерия — они абсолютно эквивалентны. Аналогично мы можем сформулировать три критерия для отрицательно определенной квадратичной формы. По определению, это функция, которая принимает отрицательные значения в любой точке, кроме нуля. Все собственные числа матрицы А отрицательны, это второй эквивалентный критерий. И третий эквивалентный критерий, что нечетные угловые миноры матрицы А отрицательны, а четные — положительны. И, наконец, резюме для полуопределенности: квадратичная форма является положительно полуопределенной, если в любой точке она неотрицательна, если у нее все собственные числа неотрицательные или если все главные миноры матрицы А неотрицательны. И аналогичное резюме для отрицательной полуопределенности: квадратичная форма является отрицательно полуопределенной, если в любой точке она неположительна; если все собственные числа матрицы А неположительны, или если нечетные главные миноры матрицы А неположительны, а четные — неотрицательны. В следующем видео мы применим расширенный критерий Сильвестра к конкретной матрице, посмотрим, как выяснять определенность для конкретной матрицы.