Квадратичная форма

В математике квадратичная форма — это многочлен , все члены которого имеют степень два (« форма » — другое название однородного многочлена ). Например,

является квадратичной формой от переменных x и y . Коэффициенты обычно принадлежат фиксированному полю K , такому как действительные или комплексные числа, и говорят о квадратичной форме K. над Если K = R и квадратичная форма равна нулю только тогда, когда все переменные одновременно равны нулю, то это определенная квадратичная форма ; в противном случае это изотропная квадратичная форма .

Квадратичные формы занимают центральное место в различных разделах математики, включая теорию чисел , линейную алгебру , теорию групп ( ортогональные группы ), дифференциальную геометрию риманова метрика , вторая фундаментальная форма ), дифференциальную топологию ( формы пересечения многообразий ( , особенно четырёх- многообразия ), теория Ли ( форма Киллинга ) и статистика (где показатель многомерного нормального распределения с нулевым средним имеет квадратичную форму )

Квадратные формы не следует путать с квадратным уравнением , которое имеет только одну переменную и включает члены степени два или меньше. Квадратичная форма — это один из случаев более общего понятия однородных многочленов .

Введение [ править ]

Квадратичные формы — это однородные квадратичные многочлены от n переменных. В случае одной, двух и трех переменных они называются унарными , бинарными и троичными и имеют следующий явный вид:

где a ,..., f коэффициенты . [1]

Теория квадратичных форм и методы, используемые при их исследовании, во многом зависят от природы коэффициентов, которые могут быть действительными или комплексными числами , рациональными числами или целыми числами . В линейной алгебре , аналитической геометрии и в большинстве приложений квадратичных форм коэффициенты являются действительными или комплексными числами. В алгебраической теории квадратичных форм коэффициенты являются элементами некоторого поля . В арифметической теории квадратичных форм коэффициенты принадлежат фиксированному коммутативному кольцу , часто это целые числа Z или p -адические целые числа Z p . [2] Бинарные квадратичные формы широко изучаются в теории чисел , в частности, в теории квадратичных полей , цепных дробей и модулярных форм . Теория целых квадратичных форм от п переменных имеет важные приложения к алгебраической топологии .

Используя однородные координаты , ненулевая квадратичная форма от n переменных определяет ( n −2) -мерную квадрику в ( n −1) -мерном проективном пространстве . Это основная конструкция проективной геометрии . Таким образом, можно визуализировать трехмерные действительные квадратичные формы как конические сечения .Примером может служить трехмерное евклидово пространство и квадрат евклидовой нормы, выражающий расстояние между точкой с координатами ( x , y , z ) и началом координат:

Близкое понятие с геометрическим подтекстом — это квадратичное пространство , которое представляет собой пару ( V , q ) , где V — пространство над полем K , а q : V K — квадратичная форма на V. векторное См. § Определения ниже для определения квадратичной формы в векторном пространстве.

История [ править ]

Изучение квадратичных форм, в частности вопрос о том, может ли данное целое число быть значением квадратичной формы над целыми числами, насчитывает много столетий. Одним из таких случаев является теорема Ферма о суммах двух квадратов , которая определяет, когда целое число может быть выражено в форме x. 2 + и 2 , где x , y — целые числа. Эта проблема связана с проблемой поиска пифагорейских троек , появившейся во втором тысячелетии до нашей эры. [3]

В 628 году индийский математик Брахмагупта написал «Брахмаспхутасиддханту» , включающую, среди прочего, исследование уравнений вида x 2 - 2 = с . Он рассмотрел то, что сейчас называется уравнением Пелла , x 2 - 2 = 1 и нашел способ ее решения. [4] В Европе эту проблему изучали Броункер , Эйлер и Лагранж .

В 1801 Гаусс опубликовал «Disquisitiones Arithmeticae» , большая часть которых была посвящена полной теории бинарных квадратичных форм над целыми числами . С тех пор концепция была обобщена, а связи с полями квадратичных чисел , модулярной группой и другими областями математики получили дальнейшее объяснение.

Связанная симметричная матрица [ править ]

Любая размера n × n матрица A определяет квадратичную форму q A от n переменных по формуле

где А знак равно ( а ij ) .

Пример [ править ]

Рассмотрим случай квадратичных форм от трех переменных x , y , z . Матрица А имеет вид

Приведенная выше формула дает

Итак, две разные матрицы определяют одну и ту же квадратичную форму тогда и только тогда, когда они имеют одинаковые элементы на диагонали и одинаковые значения сумм b + d , c + g и f + h . В частности, квадратичная форма q A определяется единственной симметричной матрицей

Это обобщается на любое количество переменных следующим образом.

Общий случай [ править ]

Учитывая квадратичную форму q A , определенную матрицей A = ( a ij ) ,матрица

симметрична A , определяет ту же квадратичную форму, что и , и является уникальной симметричной матрицей, которая q A. определяет

Итак, над действительными числами (и, шире, над полем характеристики , отличной от двух) существует взаимно-однозначное соответствие между квадратичными формами и симметричными матрицами определяющими их .

квадратичные Действительные формы

Фундаментальной проблемой является классификация вещественных квадратичных форм при линейной замене переменных .

Якоби доказал, что для каждой вещественной квадратичной формы существует ортогональная диагонализация ; то есть ортогональная замена переменных , которая переводит квадратичную форму в « диагональную форму ».

где соответствующая симметричная матрица является диагональной . При этом коэффициенты λ 1 , λ 2 , ..., λ n определяются однозначно с до перестановки точностью . [5]

Если замена переменных задается обратимой матрицей , которая не обязательно ортогональна, можно предположить, что все коэффициенты λ i равны 0, 1 или -1. Закон инерции Сильвестра гласит, что числа 0, 1 и -1 являются инвариантами квадратичной формы в том смысле, что любая другая диагонализация будет содержать одинаковое количество каждого из них. Сигнатурой квадратичной формы является тройка ( n 0 , n + , n , где эти ) компоненты подсчитывают количество нулей, количество единиц и количество -1 соответственно. Закон инерции Сильвестра показывает, что это вполне определенная величина, привязанная к квадратичной форме.

Особенно важен случай, когда все λ i имеют один и тот же знак: в этом случае квадратичная форма называется положительно определенной (все 1) или отрицательно определенной (все −1). Если ни один из членов не равен 0, то форма называется невырожденный ; сюда входят положительно определенная, отрицательно определенная и изотропная квадратичная форма (смесь 1 и -1); эквивалентно, невырожденная квадратичная форма — это форма, связанная с которой симметричная форма является невырожденной билинейной формой . Вещественное векторное пространство с неопределенной невырожденной квадратичной формой индекса ( p , q ) (обозначающее p1s и q −1s) часто обозначается как R п , д особенно в физической теории пространства-времени .

Дискриминант квадратичной формы , точнее класс определителя представляющей матрицы в K /( K × ) 2 (вплоть до ненулевых квадратов) также могут быть определены, и для действительной квадратичной формы это более грубый инвариант, чем сигнатура, принимающая только «положительные, нулевые или отрицательные значения». Ноль соответствует вырожденной форме, а для невырожденной формы - это четность числа отрицательных коэффициентов (−1). п - .

Ниже эти результаты переформулированы по-другому.

Пусть q — квадратичная форма, определенная в n -мерном вещественном векторном пространстве. Пусть A — матрица квадратичной формы q в данном базисе. Это означает, что A — симметричная матрица размера n × n такая, что

где x — вектор-столбец координат v в выбранном базисе. При смене базиса столбец x умножается слева на размера n × n обратимую матрицу S , а симметричная квадратная матрица A преобразуется в другую симметричную квадратную матрицу B того же размера по формуле

Любую симметричную матрицу A можно преобразовать в диагональную матрицу.

подходящим выбором ортогональной матрицы S и диагональные элементы B определяются однозначно – это теорема Якоби. Если S разрешено быть любой обратимой матрицей, то можно сделать так, чтобы B имела только 0, 1 и -1 на диагонали, а количество элементов каждого типа ( n 0 для 0, n + для 1 и n зависит только от A. для −1 ) Это одна из формулировок закона инерции Сильвестра, а числа n + и n называются положительным и отрицательным индексами инерции . Хотя их определение включало выбор базиса и рассмотрение соответствующей вещественной симметричной матрицы A , закон инерции Сильвестра означает, что они являются инвариантами квадратичной формы q .

Квадратичная форма q является положительно определенной, если q ( v ) > 0 (аналогично, отрицательно определенной, если q ( v ) < 0 ) для каждого ненулевого вектора v . [6] Когда q ( v ) принимает как положительные, так и отрицательные значения, q является изотропной квадратичной формой . Теоремы Якоби и Сильвестра показывают, что любую положительно определенную квадратичную форму от n переменных можно привести к сумме n квадратов подходящим обратимым линейным преобразованием: геометрически существует только одна положительно определенная вещественная квадратичная форма каждого измерения. Его группа изометрий представляет собой компактную ортогональную группу O( n ) . Это контрастирует со случаем изотропных форм, когда соответствующая группа, неопределенная ортогональная группа O( p , q ) , некомпактна. Кроме того, группы изометрий Q и Q одни и те же ( O( p , q ) ≈ O( q , p )) , но ассоциированные алгебры Клиффорда (и, следовательно, группы булавок ) различны.

Определения [ править ]

Квадратичная форма над полем K — это отображение q : V K из конечномерного K -векторного пространства в K такое, что q ( av ) = a 2 q ( ​​v ) для всех a K , v V и функция q ( u + v ) − q ( u ) − q ( v ) билинейна.

Более конкретно, n -арная квадратичная форма над полем K — это однородный многочлен степени 2 от n переменных с коэффициентами из K :

Эту формулу можно переписать с использованием матриц: пусть x будет вектор-столбцом с компонентами x 1 , ..., x n и A = ( a ij ) будет матрицей размера n × n над K, элементы которой являются коэффициентами q . Затем

Вектор v = ( x 1 , ..., x n ) является нулевым вектором, если q ( v ) = 0 .

Две n -арные квадратичные формы φ и ψ над K эквивалентны , если существует неособое линейное преобразование C GL ( n , K ) такое, что

Пусть характеристика К . отлична от 2 [7] Матрица коэффициентов A для q может быть заменена симметричной матрицей ( A + A Т )/2 с той же квадратичной формой, поэтому можно с самого начала предположить, что A симметрично. При этом симметричная матрица A однозначно определяется соответствующей квадратичной формой. При эквивалентности C симметричная матрица φ ​​и связаны симметричная матрица ψ B A следующим образом:

Соответствующая билинейная форма квадратичной формы q определяется формулой

Таким образом, b q симметричная билинейная форма над K с A. матрицей Обратно, любая симметричная билинейная форма b определяет квадратичную форму

и эти два процесса являются обратными друг другу. Как следствие, над полем характеристики, не равной 2, теории симметричных билинейных форм и квадратичных форм от n переменных по существу совпадают.

Квадратичное пространство [ править ]

Для данного n -мерного векторного пространства V над полем K квадратичная форма на V — это функция Q : V K , которая обладает следующим свойством: для некоторого базиса функция q , отображающая координаты v V в Q ( v ) — квадратичная форма. В частности, если V = K н с его стандартным базисом , мы имеем

Формулы замены базиса показывают, что свойство быть квадратичной формой не зависит от выбора конкретного базиса в V , хотя квадратичная форма q зависит от выбора базиса.

Конечномерное векторное пространство с квадратичной формой называется квадратичным пространством .

Отображение Q является однородной функцией степени 2, что означает, что оно обладает тем свойством, что для всех a в K и v в V :

Когда характеристика K билинейное отображение B : V × V K над K не равна 2, определяется :

Эта билинейная форма B симметрична. То есть B ( x , y ) = B ( y , x ) для всех x , y в V , и это определяет Q : Q ( x ) = B ( x , x ) для всех x в V .

Когда характеристика K равна 2, так что 2 не является единицей , все еще возможно использовать квадратичную форму для определения симметричной билинейной формы B ′( x , y ) = Q ( x + y ) − Q ( x ) - Q ( у ) . Однако Q ( x ) уже нельзя восстановить из этого B таким же способом, поскольку B ′( x , x ) = 0 для всех x (и, таким образом, является чередующимся). [8] Альтернативно, всегда существует билинейная форма B (вообще говоря, не единственная и не симметричная) такая, что B ″( x , x ) = Q ( x ) .

Пара ( V , Q ), состоящая из конечномерного векторного пространства V над K и квадратичного отображения Q из V в K, называется квадратичным пространством , а B, определено здесь, является ассоциированной симметричной билинейной формой Q. как Понятие квадратичного пространства представляет собой бескоординатную версию понятия квадратичной формы. Иногда Q также называют квадратичной формой.

Два n -мерных квадратичных пространства ( V , Q ) и ( V ′, Q ′) изометричны , если существует обратимое линейное преобразование T : V V ( изометрия ) такое, что

Классы изометрии n -мерных квадратичных пространств над K соответствуют классам эквивалентности n арных квадратичных форм над K. -

Обобщение [ править ]

Пусть R коммутативное кольцо , M R - модуль и b : M × M R - билинейная — R форма. [9] Отображение q : M R : v b ( v , v ) является ассоциированной квадратичной формой b , и B : M × M R : ( u , v ) ↦ q ( u + v ) - q ( u ) - q ( v ) является формой q . полярной

Квадратичная форма q : M R может быть охарактеризована следующими эквивалентными способами:

  • Существует R -билинейная форма b : M × M R такая, что q ( v ) — ассоциированная квадратичная форма.
  • q ( из ) = а 2 q ( v ) для всех a R и v M , а полярная форма q - билинейна R .

Связанные понятия [ править ]

Два элемента v и w из V называются ортогональными, если B ( v , w ) = 0 . Ядро B билинейной формы состоит из элементов, ортогональных каждому элементу V . Q несингулярен , если ядро ​​связанной с ним билинейной формы равно {0} . Если существует ненулевое v в V такое, что Q ( v ) = 0 , квадратичная форма Q изотропна , в противном случае она определена . Эта терминология также применима к векторам и подпространствам квадратичного пространства. Если ограничение Q на подпространство U в V тождественно равно нулю, то U вполне сингулярно .

Ортогональная группа неособой квадратичной формы Q — это группа линейных автоморфизмов V , сохраняющих Q : то есть группа изометрий ( V , Q ) в себя.

Если квадратичное пространство ( A , Q ) имеет произведение так, что A является алгеброй над полем и удовлетворяет условиям

тогда это композиционная алгебра .

Эквивалентность форм [ править ]

Любая квадратичная форма q от n переменных над полем характеристики, не равной 2, эквивалентна диагональной форме

Такую диагональную форму часто обозначают a 1 , ... an , .Таким образом, классификацию всех квадратичных форм с точностью до эквивалентности можно свести к случаю диагональных форм.

Геометрический смысл [ править ]

Используя декартовы координаты в трех измерениях, пусть x = ( x , y , z ) Т и пусть A будет симметричной матрицей 3х3. Тогда геометрическая природа множества решений уравнения x Т А х + б Т x = 1 собственных значений матрицы A. зависит от

Если все собственные значения не A равны нулю, то множество решений представляет собой эллипсоид или гиперболоид . [ нужна ссылка ] Если все собственные значения положительны, то это эллипсоид; если все собственные значения отрицательны, то это мнимый эллипсоид (получаем уравнение эллипсоида, но с мнимыми радиусами); если некоторые собственные значения положительны, а некоторые отрицательны, то это гиперболоид.

Если существуют одно или несколько собственных значений λ i = 0 , то форма зависит от соответствующего b i . Если соответствующий b i ≠ 0 , то множество решений представляет собой параболоид (эллиптический или гиперболический); если соответствующее b i = 0 , то размерность i вырождается и не играет роли, а геометрический смысл будет определяться другими собственными значениями и другими компонентами b . Когда множество решений представляет собой параболоид, то, является ли оно эллиптическим или гиперболическим, определяется тем, имеют ли все остальные ненулевые собственные значения одного и того же знака: если они есть, то оно эллиптическое; в противном случае оно является гиперболическим.

квадратичные Целые формы

Квадратичные формы над кольцом целых чисел называются целыми квадратичными формами , тогда как соответствующие модули являются квадратичными решетками (иногда просто решетками ). Они играют важную роль в теории чисел и топологии .

Целочисленная квадратичная форма имеет целые коэффициенты, такие как x 2 + ху + у 2 ; эквивалентно, учитывая решетку Λ в векторном пространстве V (над полем с характеристикой 0, таким как Q или R ), квадратичная форма Q является целой относительно Λ тогда и только тогда, когда она целочисленна на Λ , что означает Q ( Икс , y ) ∈ Z , если Икс , y ∈ Λ .

Это текущее использование термина; в прошлом его иногда использовали по-другому, как подробно описано ниже.

использование Историческое

Исторически существовала некоторая путаница и разногласия по поводу того, должно ли понятие целой квадратичной формы означать:

двойки в
квадратичная форма, связанная с симметричной матрицей с целыми коэффициентами
двойки
многочлен с целыми коэффициентами (поэтому соответствующая симметричная матрица может иметь полуцелые коэффициенты вне диагонали)

Эти дебаты возникли из-за путаницы квадратичных форм (представленных полиномами) и симметричных билинейных форм (представленных матрицами), а «двойка» теперь является общепринятым соглашением; Вместо этого «двойки в» - это теория целочисленных симметричных билинейных форм (целочисленных симметричных матриц).

В «двойках» бинарные квадратичные формы имеют вид ax. 2 + 2 bxy + cy 2 , представленный симметричной матрицей

Это соглашение, которое Гаусс использует в Disquisitiones Arithmeticae .

В «двойке» бинарные квадратичные формы имеют вид ax. 2 + bxy + cy 2 , представленный симметричной матрицей

Несколько точек зрения означают, что двойка была принята в качестве стандартного соглашения. К ним относятся:

Универсальные квадратичные формы [ править ]

Целочисленную квадратичную форму, образ которой состоит из всех натуральных чисел, иногда называют универсальной . Теорема Лагранжа о четырех квадратах показывает, что w 2 + х 2 + и 2 + я 2 является универсальным. Рамануджан обобщил это 2 + бх 2 + с 2 + дел 2 и нашел 54 мультимножества { a , b , c , d } , каждое из которых может генерировать все положительные целые числа, а именно:

  • {1, 1, 1, d }, 1 ≤ d ≤ 7
  • {1, 1, 2, d }, 2 ≤ d ≤ 14
  • {1, 1, 3, d }, 3 ≤ d ≤ 6
  • {1, 2, 2, d }, 2 ≤ d ≤ 7
  • {1, 2, 3, d }, 3 ≤ d ≤ 10
  • {1, 2, 4, d }, 4 ≤ d ≤ 14
  • {1, 2, 5, d }, 6 ≤ d ≤ 10

Существуют также формы, образ которых состоит только из целых положительных чисел, кроме одного. Например, {1, 2, 5, 5} имеет 15 в качестве исключения. Недавно теоремы 15 и 290 полностью охарактеризовали универсальные целочисленные квадратичные формы: если все коэффициенты являются целыми числами, то они представляют все положительные целые числа тогда и только тогда, когда они представляют все целые числа до 290; если у него есть целая матрица, он представляет все положительные целые числа тогда и только тогда, когда он представляет все целые числа до 15.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Традиция, восходящая к Гауссу, требует использования явно четных коэффициентов для произведений различных переменных, то есть 2 b вместо b в двоичных формах и 2 b , 2 d , 2 f вместо b , d , f в тройных формах. Оба соглашения встречаются в литературе.
  2. ^ вдали от 2 , т. е. если 2 обратима в кольце, квадратичные формы эквивалентны симметричным билинейным формам (по поляризационным тождествам ), но в 2 это разные понятия; это различие особенно важно для квадратичных форм целых чисел.
  3. ^ Вавилонский Пифагор
  4. ^ Биография Брахмагупты
  5. ^ Максим Бошер (совместно с EPR DuVal) (1907) Введение в высшую алгебру , § 45 Приведение квадратичной формы к сумме квадратов через HathiTrust
  6. ^ Если выполняется нестрогое неравенство (с ≥ или ≤), то квадратичная форма q называется полуопределенной.
  7. ^ Теория квадратичных форм над полем характеристики 2 имеет важные различия, и многие определения и теоремы должны быть изменены.
  8. ^ Эта знакопеременная форма, связанная с квадратичной формой в характеристике 2, представляет интерес, связанный с инвариантом Арфа - Ирвинг Каплански (1974), Линейная алгебра и геометрия , с. 27 .
  9. ^ Билинейная форма, с которой связана квадратичная форма, не ограничивается симметричностью, что имеет значение, когда 2 не является единицей в R .

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]