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双线性函数

双线性函数是对两个变量都线性的函数,是内积的推广。双线性函数自然引出对偶空间、对偶基、辛空间等概念。

线性函数(线性泛函)​

定义​

设 VV 是数域 PP 上的线性空间。映射 f:V→Pf: V \to P 若满足:

f(α+β)=f(α)+f(β),f(kα)=kf(α)f(\alpha + \beta) = f(\alpha) + f(\beta), \quad f(k\alpha) = k f(\alpha)

则称 ff 为 VV 上的一个线性函数。

线性函数的表示​

设 ε1,…,εn\varepsilon_1, \ldots, \varepsilon_n 是 VV 的基。对任意 α=∑xiεi\alpha = \sum x_i \varepsilon_i:

f(α)=∑i=1naixi,ai=f(εi)f(\alpha) = \sum_{i=1}^{n} a_i x_i, \quad a_i = f(\varepsilon_i)

即线性函数由系数向量 (a1,…,an)(a_1, \ldots, a_n) 唯一确定。

对偶空间​

定义​

VV 上全体线性函数构成的集合记作 V∗V^*,在通常的函数加法和数乘下,V∗V^* 也是一个线性空间,称为 VV 的对偶空间。

dim⁡V∗=dim⁡V\dim V^* = \dim V

对偶基​

设 ε1,…,εn\varepsilon_1, \ldots, \varepsilon_n 是 VV 的基。定义线性函数 fi∈V∗f_i \in V^*:

fi(εj)=δijf_i(\varepsilon_j) = \delta_{ij}

则 f1,…,fnf_1, \ldots, f_n 是 V∗V^* 的一基,称为 ε1,…,εn\varepsilon_1, \ldots, \varepsilon_n 的对偶基。

双线性函数​

定义​

映射 B:V×V→PB: V \times V \to P 称为双线性函数,若它对两个变量都是线性的:

  1. B(kα+lβ,γ)=kB(α,γ)+lB(β,γ)B(k\alpha + l\beta, \gamma) = kB(\alpha, \gamma) + lB(\beta, \gamma)
  2. B(γ,kα+lβ)=kB(γ,α)+lB(γ,β)B(\gamma, k\alpha + l\beta) = kB(\gamma, \alpha) + lB(\gamma, \beta)

矩阵表示​

在基 ε1,…,εn\varepsilon_1, \ldots, \varepsilon_n 下,设 Aij=B(εi,εj)A_{ij} = B(\varepsilon_i, \varepsilon_j)。则对 α=∑xiεi\alpha = \sum x_i \varepsilon_i,β=∑yjεj\beta = \sum y_j \varepsilon_j:

B(α,β)=∑i=1n∑j=1nAijxiyj=X⊤AYB(\alpha, \beta) = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} A_{ij} x_i y_j = X^\top A Y

矩阵 AA 称为 BB 在基 ε1,…,εn\varepsilon_1, \ldots, \varepsilon_n 下的度量矩阵。

基变换下度量矩阵的变换​

若基变换的过渡矩阵为 CC(新基 = 原基 ⋅C\cdot C),则新度量矩阵:

A′=C⊤ACA' = C^\top A C

这与二次型在合同变换下的变化规律一致。

双线性函数的分类​

类型条件
对称双线性函数B(α,β)=B(β,α)B(\alpha, \beta) = B(\beta, \alpha)
反对称双线性函数B(α,β)=−B(β,α)B(\alpha, \beta) = -B(\beta, \alpha)
非退化若 B(α,β)=0B(\alpha, \beta) = 0 对任意 β\beta 成立,则 α=0\alpha = 0
  • 欧氏空间的内积 = 对称正定双线性函数
  • 辛内积 = 非退化反对称双线性函数

辛空间​

定义​

带有非退化反对称双线性函数的线性空间称为辛空间(Symplectic Space)。

基本性质​

  1. 辛空间的维数必为偶数
  2. 存在基使反对称度量矩阵为:
0 & I_k \\ -I_k & 0 \end{array}\right)$$ 此基称为**辛基**。 3. 辛空间中保持辛内积的线性变换称为**辛变换**,其行列式为 $1$ ### 辛空间的意义 辛空间是经典力学(哈密顿力学)的数学基础,也是现代辛几何和辛拓扑的出发点。