Pozitivně definitní matice

Pozitivně definitní matice je taková čtvercová matice, pro kterou platí

(v oboru reálných čísel), respektive

(v oboru komplexních čísel). Pozitivně definitní matice má vždy kladná vlastní čísla. Každá symetrická (respektive hermitovská) matice, jejíž vlastní čísla jsou kladná, je pozitivně definitní.


Hlavní věta o symetrických pozitivně definitních maticíchEditovat

Nechť   je symetrická (případně hermitovská) matice. Pak následujících 10 tvrzení je ekvivalentních:

  • Matice   je pozitivně definitní.
  • Všechna vlastní čísla všech hlavních podmatic jsou kladná.
  • Všechny hlavní minory matice   jsou kladné.
  •   pro  , kde
 
tzv. Jacobiho podmínka, či Sylvestrovo kritérium.
  • Existuje dolní trojúhelníková matice   tak, že  ; viz Choleského rozklad.
  • Existuje regulární matice   tak, že  .
  • Existuje symetrická (případně hermitovská) regulární matice   tak, že  ; přičemž obvykle se značí  , viz maticové funkce.
  • Součty všech hlavních minorů k-tého stupně jsou kladné pro  .
  • Všechna vlastní čísla matice   jsou kladná.
  • Existuje ortogonální (případně unitární) matice   a diagonální matice   s kladnými prvky na diagonále tak, že  ; viz Jordanův rozklad (resp. Jordanův kanonický tvar) a Schurův rozklad.

Důkaz ekvivalence viz např. [1]

Věta dává k dispozici mnoho způsobů jak testovat pozitivní definitnost. V základním kurzu lineární algebry, při práci s malými maticemi ( ) se nejčastěji setkáme s klasickou Jacobiho podmínkou (Sylvestrovým kritériem). V praxi použitelné ( ) však nejsou žádné postupy založené na výpočtu determinantů (minorů) nebo vlastních čísel matice (podmatic). Jediný prakticky upotřebitelný postup je Choleského rozklad.

Praktické určení pozitivní definitnostiEditovat

Ve výpočetní praxi je často potřeba určit, zda je daná symetrická matice pozitivně definitní efektivním, tedy zejména numericky stabilním a časově nenáročným způsobem. Jako nejvhodnější nástroj se pro tento účel jeví Choleského rozklad (délka výpočtu je úměrná   a algoritmus je bezpodmínečně zpětně stabilní). Pokud matice není pozitivně definitní, pak dojde v průběhu výpočtu k dělení nulou nebo výpočtu odmocniny ze záporného čísla. Pokud matice pozitivně definitní je, proběhne výpočet Choleského faktoru aniž by tyto situace nastaly.

Tento test lze provést i pro matici obecně hermitovskou. Protože je při výpočtu s takovou maticí nezbytné použít aritmetiku komplexních čísel, je nezbytné speciálně ošetřit situaci výpočtu odmocniny ze záporného čísla. Pokus o výpočet takové odmocniny v komplexní aritmetice obecně neskončí chybovým hlášením programu. I v hermitovském (obecně komplexním případě) platí, že je-li matice pozitivně definitní, nedojde v průběhu výpočtu k dělení nulou nebo výpočtu odmocniny ze záporného čísla.

Podobné definiceEditovat

Analogicky jsou definovány negativně definitní matice (s obrácenou nerovností) a pozitivně a negativně semidefinitní matice (s neostrými nerovnostmi). Indefinitní matice je definována vztahem

      tak, že      

Související článkyEditovat

ReferenceEditovat

  1. Miroslav Fiedler, Speciální matice a jejich použití v numerické matematice, TKI SNTL 1981.

LiteraturaEditovat

  • Miroslav Fiedler, Speciální matice a jejich použití v numerické matematice, TKI, SNTL, 1981.
  • Rajendra Bhatia, Positive Definite Matrices, Princeton in Applied Mathematics, Princeton University Press, 2006.