Lineer Cebir · 7. Ünite: İleri Konular (Simetrik Matrisler ve Kuadratik Formlar)

Pozitif/Negatif Tanımlı Matrisler

Bir simetrik matris her yöne bir sayı atar: $Q(\vec{x})=\vec{x}^{T}A\vec{x}$. Bu sayı her yönde pozitifse matris pozitif tanımlıdır (positive definite) ve $Q$ bir çanak gibi tek bir minimuma sahiptir; bazı yönlerde pozitif bazı yönlerde negatifse yüzey bir eyerdir. Bu bölümde beş denk testi (özdeğerler, önder minörler, pivotlar, Cholesky çarpanlaması, $\vec{x}^{T}A\vec{x}$ işareti) kurup ispatlayacak, yarı tanımlı, negatif tanımlı ve belirsiz durumları ayıracak, enerji fonksiyonları, optimizasyon ve kovaryans matrislerindeki rolünü göreceğiz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Enerji, Minimum ve Varyans

  2. Kuadratik Form ve Tanımlılık Sınıfları

  3. Beş Denk Koşul ve İspatları

  4. Cholesky Çarpanlaması ve Kullanımı

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Cebirsel Özellikler ve Yarı Tanımlılık

  7. Uygulamalar: Enerji, Optimizasyon ve Kovaryans

  8. Simülasyonla Keşif

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Kuadratik form (quadratic form)
Simetrik $A$ için $Q(\vec{x})=\vec{x}^{T}A\vec{x}$ ile verilen, değişkenlerde ikinci dereceden homojen polinom.
Pozitif tanımlı (positive definite)
Her $\vec{x}\ne\vec{0}$ için $\vec{x}^{T}A\vec{x}>0$ olan simetrik matris; bütün özdeğerleri pozitiftir.
Pozitif yarı tanımlı (positive semidefinite)
Her $\vec{x}$ için $\vec{x}^{T}A\vec{x}\ge0$ olan simetrik matris; özdeğerleri $\ge0$, en az biri $0$ olabilir.
Negatif tanımlı (negative definite)
Her $\vec{x}\ne\vec{0}$ için $\vec{x}^{T}A\vec{x}<0$ olan matris; $-A$ pozitif tanımlıdır.
Belirsiz (indefinite)
Hem pozitif hem negatif $\vec{x}^{T}A\vec{x}$ değerleri alan matris; özdeğerleri zıt işaretlidir (eyer yüzeyi).
Sylvester ölçütü
Simetrik $A$ pozitif tanımlıdır $\iff$ bütün önder asal minörler $\Delta_k>0$.
Önder asal minör (leading principal minor)
$A$'nın sol üst $k\times k$ alt matrisinin determinantı $\Delta_k$.
Cholesky çarpanlaması
Pozitif tanımlı $A$ için köşegeni pozitif alt üçgensel $L$ ile $A=LL^{T}$ yazılışı; biriciktir.
Pivot
Satır değişimsiz Gauss yok etmede köşegen üzerinde kalan sayılar; $d_k=\Delta_k/\Delta_{k-1}$.
Gram matrisi
$B^{T}B$ biçimindeki matris; daima pozitif yarı tanımlıdır, $B$'nin sütunları bağımsızsa pozitif tanımlıdır.

Örnek soru

Simetrik bir $A$ matrisinin pozitif tanımlı olması aşağıdakilerden hangisiyle tanımlanır?

  1. Matrisin bütün girdilerinin pozitif olması.
  2. $\det A>0$ olması.
  3. En az bir $\vec{x}\neq\vec{0}$ için $\vec{x}^{T}A\vec{x}>0$ olması.
  4. Her $\vec{x}\neq\vec{0}$ için $\vec{x}^{T}A\vec{x}>0$ olması.
  5. Her $\vec{x}$ için $\vec{x}^{T}A\vec{x}\ge0$ olması.

Doğru cevap: D

Çözüm

Cevap: Her $\vec{x}\neq\vec{0}$ için $\vec{x}^{T}A\vec{x}>0$ olması.
1. Pozitif tanımlılık, kuadratik formun sıfırdan farklı her yönde kesin pozitif olmasıdır: $Q(\vec{x})=\vec{x}^{T}A\vec{x}>0$, $\vec{x}\neq\vec{0}$.
2. Bu koşul spektral teoremle "bütün özdeğerler pozitif" demektir, çünkü $\vec{x}^{T}A\vec{x}=\lambda_1y_1^2+\dots+\lambda_ny_n^2$ yazılır.
Çeldiriciler: "bütün girdiler pozitif" ve "$\det A>0$" gerekli ya da yeterli değildir (ör. $\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix}$ girdileri pozitif ama belirsizdir). "En az bir $\vec{x}$" koşulu belirsiz matrislerde de sağlanır. $\ge0$ koşulu ise yarı tanımlılığın tanımıdır.

Lineer Cebir: tüm konular