WIIS

固有値と固有ベクトル

双線型形式の定義と具体例

目次

Mailで保存
Xで共有

双線型形式

2つのベクトルからなる順序対\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right)\in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して、実数\(B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} \)を1つずつ定める多変数関数\begin{equation*}B:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が与えられた状況を想定します。このような関数\(B\)が以下の条件\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x}+\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\right) =B\left(
\boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) +B\left( \boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( b\right) \ \forall c\in \mathbb{R} ,\ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( c\boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) =cB\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( c\right) \ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}+\boldsymbol{z}\right) =B\left(
\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) +B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( d\right) \ \forall c\in \mathbb{R} ,\ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x},c\boldsymbol{z}\right) =cB\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right)
\end{eqnarray*}をすべて満たす場合には、これを双線型形式(bilinear forms)と呼びます。

条件\(\left( a\right) ,\left( b\right) \)は、\(\boldsymbol{y}\)の値を固定して\(B\)を\(\boldsymbol{x}\)を変数とする関数とみなした場合に\(B\)が線形写像であることを意味します。このような事情を踏まえた上で、\(\left( a\right) \)を\(x\)に関する加法性(additivity in the first argument)と呼び、\(\left( b\right) \)を\(x\)に関する斉次性(homogeneity in the first argument)と呼びます。同様に、条件\(\left( c\right) ,\left( d\right) \)は、\(\boldsymbol{x}\)の値を固定して\(B\)を\(\boldsymbol{y}\)を変数とする関数とみなした場合に\(B\)が線形写像であることを意味します。このような事情を踏まえた上で、\(\left( c\right) \)を\(y\)に関する加法性(additivity in the second argument)と呼び、\(\left( d\right) \)を\(y\)に関する斉次性(homogeneity in the second argument)と呼びます。条件\(\left( b\right),\left( c\right) \)を1つの条件にまとめると、双線型形式が満たすべき先の諸条件を、\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x}+\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\right) =B\left(
\boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) +B\left( \boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( b\right) \ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}+\boldsymbol{z}\right) =B\left(
\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) +B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( c\right) \ \forall c\in \mathbb{R} ,\ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( c\boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) =B\left( \boldsymbol{x},c\boldsymbol{z}\right) =cB\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right)
\end{eqnarray*}と表現することもできます。

 

正方行列から定義される双線型形式

正方行列\(A\in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right) \)が与えられたとき、2つの列ベクトルからなる順序対\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して以下の実数\begin{equation*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}
\end{equation*}を値として定める関数\begin{equation*}
B_{A}:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能です。ただし、\(\boldsymbol{x}\)は列ベクトルであるため、\begin{equation*}\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}=\boldsymbol{x}\cdot A\boldsymbol{y}
\end{equation*}が成り立ち、したがって、\begin{equation*}
B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}\cdot A\boldsymbol{y}
\end{equation*}を得ます。また、\(\boldsymbol{x},A,\boldsymbol{y}\)の成分を明示すると、\begin{eqnarray*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) &=&\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y} \\
&=&\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right)
\begin{pmatrix}
a_{11} & \cdots & a_{1n} \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
a_{n1} & \cdots & a_{nn}\end{pmatrix}\left(
\begin{array}{c}
y_{1} \\
\vdots \\
y_{n}\end{array}\right) \\
&=&\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right)
\begin{pmatrix}
a_{11}y_{1}+\cdots +a_{1n}y_{n} \\
\vdots \\
a_{n1}y_{1}+\cdots +a_{nn}y_{n}\end{pmatrix}
\\
&=&x_{1}\left( a_{11}y_{1}+\cdots +a_{1n}y_{n}\right) +\cdots +x_{n}\left(
a_{n1}y_{1}+\cdots +a_{nn}y_{n}\right) \\
&=&a_{11}x_{1}y_{1}+\cdots +a_{1n}x_{1}y_{n}+\cdots +a_{n1}x_{n}y_{1}+\cdots
+a_{nn}x_{n}y_{n} \\
&=&\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}a_{ij}x_{i}y_{j}
\end{eqnarray*}すなわち、\begin{equation*}
B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right)
=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}a_{ij}x_{i}y_{j}
\end{equation*}を得ます。以上より、\begin{equation*}
B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}=\boldsymbol{x}\cdot A\boldsymbol{y}=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}a_{ij}x_{i}y_{j}
\end{equation*}が成り立つことが明らかになりました。この関数\(B_{A}\)は双線型形式です。

命題(正方行列が生成する双線型形式)
正方行列\(A=\left( a_{ij}\right) \in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right) \)が与えられたとき、それぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して、\begin{equation*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}
\end{equation*}を定める関数\(B_{A}:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)を定義すれば、これは双線型形式である。
証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

例(正方行列が定義する双線型形式)
以下の正方行列\begin{equation*}
A=\begin{pmatrix}
2 & 1 \\
1 & 3\end{pmatrix}\in M_{2,2}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}から定義される双線型形式\begin{equation*}
B_{A}:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、以下の実数\begin{eqnarray*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) &=&\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y} \\
&=&\left( x_{1},x_{2}\right)
\begin{pmatrix}
2 & 1 \\
1 & 3\end{pmatrix}\left(
\begin{array}{c}
y_{1} \\
y_{2}\end{array}\right) \\
&=&2x_{1}y_{1}+x_{1}y_{2}+x_{2}y_{1}+3x_{2}y_{2}
\end{eqnarray*}を値として定めます。

例(正方行列が定義する双線型形式)
以下の正方行列\begin{equation*}
A=\begin{pmatrix}
2 & 4 \\
1 & 3\end{pmatrix}\in M_{2,2}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}から定義される双線型形式\begin{equation*}
B_{A}:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、以下の実数\begin{eqnarray*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) &=&\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y} \\
&=&\left( x_{1},x_{2}\right)
\begin{pmatrix}
2 & 4 \\
1 & 3\end{pmatrix}\left(
\begin{array}{c}
y_{1} \\
y_{2}\end{array}\right) \\
&=&2x_{1}y_{1}+4x_{1}y_{2}+x_{2}y_{1}+3x_{2}y_{2}
\end{eqnarray*}を値として定めます。

例(ゼロ行列が定義する双線型形式)
ゼロ正方行列\begin{equation*}
0=\begin{pmatrix}
0 & \cdots & 0 \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
0 & \cdots & 0\end{pmatrix}\in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}から定義される双線型形式\begin{equation*}
B_{0}:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して、以下の実数\begin{eqnarray*}B_{0}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) &=&\boldsymbol{x}^{t}0\boldsymbol{y} \\
&=&\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right)
\begin{pmatrix}
0 & \cdots & 0 \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
0 & \cdots & 0\end{pmatrix}\left(
\begin{array}{c}
y_{1} \\
\vdots \\
y_{n}\end{array}\right) \\
&=&0
\end{eqnarray*}を値として定めます。

例(単位行列が定義する双線型形式)
単位行列\begin{equation*}
I_{n}=\begin{pmatrix}
1 & \cdots & 0 \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
0 & \cdots & 1\end{pmatrix}\in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}から定義される双線型形式\begin{equation*}
B_{I_{n}}:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して、以下の実数\begin{eqnarray*}B_{I_{n}}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) &=&\boldsymbol{x}^{t}I_{n}\boldsymbol{y} \\
&=&\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right)
\begin{pmatrix}
1 & \cdots & 0 \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
0 & \cdots & 1\end{pmatrix}\left(
\begin{array}{c}
y_{1} \\
\vdots \\
y_{n}\end{array}\right) \\
&=&1x_{1}y_{1}+\cdots +1x_{n}y_{n} \\
&=&x_{1}y_{1}+\cdots +x_{n}y_{n} \\
&=&\sum_{i=1}^{n}x_{i}y_{i}
\end{eqnarray*}を値として定めます。

 

双線型形式は正方行列によって表現される

正方行列\(A\in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right) \)が与えられたとき、2つの列ベクトルからなる順序対\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して、\begin{equation*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}
\end{equation*}を値として定める関数\(B_{A}:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)を定義すれば、これは双線型形式になることが明らかになりました。逆に、双線型形式\(B_{A}:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられたとき、任意の\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して、\begin{equation*}B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}
\end{equation*}を満たす正方行列\(A\in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right) \)が存在することを保証できます。順番に解説します。

関数\(B:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)と\(\mathbb{R} ^{n}\)の標準基底\begin{equation*}\left\{ \boldsymbol{e}_{1},\cdots ,\boldsymbol{e}_{n}\right\} =\left\{
\left(
\begin{array}{c}
1 \\
\vdots \\
0\end{array}\right) ,\cdots ,\left(
\begin{array}{c}
0 \\
\vdots \\
1\end{array}\right) \right\}
\end{equation*}が与えられれば、それぞれの順序対\(\left( i,j\right)\in \left\{ 1,\cdots ,n\right\} \times \left\{ 1,\cdots ,n\right\} \)に対して、\begin{equation*}a_{ij}=B\left( \boldsymbol{e}_{i},\boldsymbol{e}_{j}\right)
\end{equation*}を第\(ij\)成分とする正方行列\begin{equation*}M\left( B\right) =\left( a_{ij}\right) =\left( B\left( \boldsymbol{e}_{i},\boldsymbol{e}_{j}\right) \right) \in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}が定義可能です。以上のように定義される正方行列\(M\left( B\right) \)を双線型形式\(B\)の表現行列(matrix representation of \(B\))と呼びます。

双線型形式\(B:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられたとき、任意の\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\)に対して、以下の関係\begin{equation*}B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}
\end{equation*}を満たす正方行列\(A\in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right) \)が存在するとともに、このような正方行列\(A\)が一意的に定まります。しかも、この正方行列\(A\)は\(B\)の表現行列と一致します。つまり、\begin{equation*}A=M\left( B\right)
\end{equation*}が成り立つということです。

命題(双線型形式は正方行列によって表現される)
双線型形式\(B:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられたとき、それに対して、\begin{equation*}\exists !A\in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right) ,\ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =\boldsymbol{x}^{t}A\boldsymbol{y}
\end{equation*}が成り立つ。ただし、\(\exists !\)は「一意的に存在する」ことを表す記号である。さらに、\begin{equation*}A=M\left( B\right)
\end{equation*}が成り立つ。ただし、\(M\left( B\right) \)は\(B\)の表現行列であり、\(\mathbb{R} ^{n}\)の標準基底\(\left\{ \boldsymbol{e}_{1},\cdots ,\boldsymbol{e}_{n}\right\} \)を用いて、\begin{equation*}M\left( B\right) =\left( B\left( \boldsymbol{e}_{i},\boldsymbol{e}_{j}\right) \right)
\end{equation*}と定義される。

証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

例(双線型形式の表現行列)
以下の正方行列\begin{equation*}
A=\begin{pmatrix}
2 & 1 \\
1 & 3\end{pmatrix}\in M_{2,2}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}から定義される双線型形式\begin{equation*}
B_{A}:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、以下の実数\begin{equation*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right)
=2x_{1}y_{1}+x_{1}y_{2}+x_{2}y_{1}+3x_{2}y_{2}
\end{equation*}を値として定めることは先に示した通りです。逆に、それぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、以下の実数\begin{equation*}B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right)
=2x_{1}y_{1}+x_{1}y_{2}+x_{2}y_{1}+3x_{2}y_{2}
\end{equation*}を値として定める双線型形式\begin{equation*}
B:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が与えられたとき、その表現行列は、\begin{eqnarray*}
M\left( B\right) &=&\begin{pmatrix}
B\left( \boldsymbol{e}_{1},\boldsymbol{e}_{1}\right) & B\left( \boldsymbol{e}_{1},\boldsymbol{e}_{2}\right) \\
B\left( \boldsymbol{e}_{2},\boldsymbol{e}_{1}\right) & B\left( \boldsymbol{e}_{2},\boldsymbol{e}_{2}\right)
\end{pmatrix}
\\
&=&\begin{pmatrix}
2 & 1 \\
1 & 3\end{pmatrix}
\\
&=&A
\end{eqnarray*}となるため、\begin{equation*}
B=B_{A}
\end{equation*}が成り立ちます。この結果は先の命題の主張と整合的です。

 

対称双線型形式

双線型形式\(B:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられているものとします。つまり、\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x}+\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\right) =B\left(
\boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) +B\left( \boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( b\right) \ \forall c\in \mathbb{R} ,\ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( c\boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) =cB\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( c\right) \ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}+\boldsymbol{z}\right) =B\left(
\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) +B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right) \\
&&\left( d\right) \ \forall c\in \mathbb{R} ,\ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x},c\boldsymbol{z}\right) =cB\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{z}\right)
\end{eqnarray*}が成り立つということです。以上の諸条件に加えて、以下の条件\begin{equation*}
\left( e\right) \ \forall \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\in \mathbb{R} ^{n}:B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =B\left( \boldsymbol{y},\boldsymbol{x}\right)
\end{equation*}が成り立つ場合、このような\(B\)を対称双線型形式(symmetric bilinear form)と呼びます。\(\left( e\right) \)を対称性(symmetry)と呼びます。

双線型形式\(B\)が対称双線型形式であることと、\(B\)の表現行列\(M\left( B\right) \)が対称行列であることは必要十分です。

命題(対称双線型形式の特徴づけ)
双線型形式\(B:\mathbb{R} ^{n}\times \mathbb{R} ^{n}\rightarrow \mathbb{R} \)が対称双線型形式であることと、\(B\)の表現行列\(M\left( B\right) \in M_{n,n}\left( \mathbb{R} \right) \)が対称行列であることは必要十分である。ただし、\(M\left( B\right) \)は\(\mathbb{R} ^{n}\)の標準基底\(\left\{ \boldsymbol{e}_{1},\cdots ,\boldsymbol{e}_{n}\right\} \)を用いて、\begin{equation*}M\left( B\right) =\left( B\left( \boldsymbol{e}_{i},\boldsymbol{e}_{j}\right) \right)
\end{equation*}と定義される。

証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

例(対称双線型形式)
以下の正方行列\begin{equation*}
A=\begin{pmatrix}
2 & 1 \\
1 & 3\end{pmatrix}\in M_{2,2}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}から定義される双線型形式\begin{equation*}
B_{A}:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、以下の実数\begin{equation*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right)
=2x_{1}y_{1}+x_{1}y_{2}+x_{2}y_{1}+3x_{2}y_{2}
\end{equation*}を値として定めることは先に示した通りです。\(A\)は対称行列であるため、先の命題より\(B_{A}\)は対称性を満たします。つまり、\begin{equation*}\forall \left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}:B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =B_{A}\left(
\boldsymbol{y},\boldsymbol{x}\right)
\end{equation*}が成り立ちます。

例(対称的ではない双線型形式)
以下の正方行列\begin{equation*}
A=\begin{pmatrix}
2 & 4 \\
1 & 3\end{pmatrix}\in M_{2,2}\left( \mathbb{R} \right)
\end{equation*}から定義される双線型形式\begin{equation*}
B_{A}:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、以下の実数\begin{equation*}B_{A}\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right)
=2x_{1}y_{1}+4x_{1}y_{2}+x_{2}y_{1}+3x_{2}y_{2}
\end{equation*}を値として定めることは先に示した通りです。\(A\)は対称行列ではないため、先の命題より\(B_{A}\)は対称性を満たしません。実際、以下の2つのベクトル\begin{eqnarray*}\left(
\begin{array}{c}
1 \\
0\end{array}\right) &\in &\mathbb{R} ^{2} \\
\left(
\begin{array}{c}
0 \\
1\end{array}\right) &\in &\mathbb{R} ^{2}
\end{eqnarray*}に注目したとき、\begin{eqnarray*}
B_{A}\left( \left(
\begin{array}{c}
1 \\
0\end{array}\right) ,\left(
\begin{array}{c}
0 \\
1\end{array}\right) \right) &=&4 \\
B_{A}\left( \left(
\begin{array}{c}
0 \\
1\end{array}\right) ,\left(
\begin{array}{c}
1 \\
0\end{array}\right) \right) &=&1
\end{eqnarray*}であるため、\begin{equation*}
B_{A}\left( \left(
\begin{array}{c}
1 \\
0\end{array}\right) ,\left(
\begin{array}{c}
0 \\
1\end{array}\right) \right) \not=B_{A}\left( \left(
\begin{array}{c}
0 \\
1\end{array}\right) ,\left(
\begin{array}{c}
1 \\
0\end{array}\right) \right)
\end{equation*}を得ます。

 

演習問題

問題(双線型形式の表現行列)
関数\(B:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right)
=3x_{1}y_{1}+2x_{1}y_{2}+2x_{2}y_{1}+5x_{2}y_{2}
\end{equation*}を定めるものとします。\(B\)が双線型形式であることを示してください。また、\(B\)の表現行列を求めてください。さらに、\(B\)が対称双線型形式であるか判定してください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(双線型形式の表現行列)
関数\(B:\mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\times \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}B\left( \boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\right) =4x_{1}y_{2}+4x_{2}y_{1}
\end{equation*}を定めるものとします。\(B\)が双線型形式であることを示してください。また、\(B\)の表現行列を求めてください。さらに、\(B\)が対称双線型形式であるか判定してください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

関連知識

Mailで保存
Xで共有

質問とコメント

プレミアム会員専用コンテンツです

会員登録

有料のプレミアム会員であれば、質問やコメントの投稿と閲覧、プレミアムコンテンツ(命題の証明や演習問題とその解答)へのアクセスなどが可能になります。

ワイズのユーザーは年齢・性別・学歴・社会的立場などとは関係なく「学ぶ人」として対等であり、お互いを人格として尊重することが求められます。ユーザーが快適かつ安心して「学ぶ」ことに集中できる環境を整備するため、広告やスパム投稿、他のユーザーを貶めたり威圧する発言、学んでいる内容とは関係のない不毛な議論などはブロックすることになっています。詳細はガイドラインをご覧ください。

誤字脱字、リンク切れ、内容の誤りを発見した場合にはコメントに投稿するのではなく、以下のフォームからご連絡をお願い致します。

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録