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
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
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 ».
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
Любую симметричную матрицу A можно преобразовать в диагональную матрицу.
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
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 :
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
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
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:
- лучшее понимание 2-адической теории квадратичных форм, «локального» источника трудностей;
- решеточная точка зрения, которая в целом была принята экспертами по арифметике квадратичных форм в 1950-х годах;
- актуальные потребности в целой теории квадратичных форм в топологии для теории пересечений ;
- группа Ли и аспекты алгебраической группы .
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 ]
- ε -квадратичная форма
- Кубическая форма
- Дискриминант квадратичной формы
- Теорема Хассе-Минковского
- Квадрик
- Тернарная квадратичная форма Рамануджана
- Квадратный класс
- Группа Витта
- Теорема Витта
Примечания [ править ]
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Вавилонский Пифагор
- ^ Биография Брахмагупты
- ^ Максим Бошер (совместно с EPR DuVal) (1907) Введение в высшую алгебру , § 45 Приведение квадратичной формы к сумме квадратов через HathiTrust
- ^ Если выполняется нестрогое неравенство (с ≥ или ≤), то квадратичная форма q называется полуопределенной.
- ^ Теория квадратичных форм над полем характеристики 2 имеет важные различия, и многие определения и теоремы должны быть изменены.
- ^ 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 .
- ^ Билинейная форма, с которой связана квадратичная форма, не ограничивается симметричностью, что имеет значение, когда 2 не является единицей в R .
Ссылки [ править ]
- О'Мира, ОТ (2000), Введение в квадратичные формы , Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag , ISBN 978-3-540-66564-9
- Конвей, Джон Хортон ; Фунг, Фрэнсис Ю.К. (1997), Чувственная (квадратическая) форма , Математические монографии Каруса, Математическая ассоциация Америки, ISBN 978-0-88385-030-5
- Шафаревич, ИР ; Ремизов, АО (2012). Линейная алгебра и геометрия . Спрингер . ISBN 978-3-642-30993-9 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Кассельс, JWS (1978). Рациональные квадратичные формы . Монографии Лондонского математического общества. Том. 13. Академическая пресса . ISBN 0-12-163260-1 . Збл 0395.10029 .
- Китаока, Ёсиюки (1993). Арифметика квадратичных форм . Кембриджские трактаты по математике. Том. 106. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-40475-4 . Збл 0785.11021 .
- Лам, Цит-Юэн (2005). Введение в квадратичные формы над полями . Аспирантура по математике . Том. 67. Американское математическое общество . ISBN 0-8218-1095-2 . МР 2104929 . Збл 1068.11023 .
- Милнор, Дж .; Хусемоллер, Д. (1973). Симметричные билинейные формы . Результаты математики и ее пограничные области . Том 73. Шпрингер-Верлаг . ISBN 3-540-06009-Х . Збл 0292.10016 .
- О'Мира, О.Т. (1973). Введение в квадратичные формы . Основные положения математических наук. Том 117. Шпрингер-Верлаг . ISBN 3-540-66564-1 . Збл 0259.10018 .
- Пфистер, Альбрехт (1995). Квадратичные формы с приложениями к алгебраической геометрии и топологии . Серия конспектов лекций Лондонского математического общества. Том. 217. Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-46755-1 . Збл 0847.11014 .
Внешние ссылки [ править ]
- А.В.Малышев (2001) [1994], «Квадратичная форма» , Энциклопедия Математики , EMS Press
- А.В.Малышев (2001) [1994], «Бинарная квадратичная форма» , Энциклопедия Математики , EMS Press