Алгебра phys 2 сентябрь–октябрь

3  Билинейная и полилинейная алгебра

3.1  Векторные пространства с ¯-билинейной формой

3.1.1  ¯-Билинейные формы

• Пространство билинейных форм $\mathrm {Bi} (V)$. Примеры: $(v,w)\mapsto v^{\mathtt {T}}\!\cdot s\cdot w$ ($V=K^n$, $s\in \mathrm {Mat} (n,K)$), $(f,g)\mapsto\!\int_\alpha^\beta\!\!sfg$ ($V=\mathrm C^0\!([\alpha;\beta],\mathbb R)$, $s\in V$).
• Поля с инволюцией. Пространство ${\overline {V}}$: $c\overline\cdot v=\overline c\,v$. Пространство ¯-билинейных (полуторалинейных, если $\overline{\phantom c}\ne\mathrm{id}_K$) форм: ${\overline {\mathrm {Bi} }}(V)=\mathrm {Bi} (V,{\overline {V}},K)$.
• Матрица Грама формы $\sigma$: $(\sigma _{e,e})_{j_{1},j_{2}}\!=\sigma (e_{j_{1}}\!,e_{j_{2}})$ ($e\in V^{n}$). ¯-Билинейная форма в координатах: $\sigma (v,w)=(v^{e})^{\mathtt {T}}\!\cdot \sigma _{e,e}\!\cdot {\overline {w^{e}}}=\sum _{j_{1}=1}^{n}\sum _{j_{2}=1}^{n}\sigma _{j_{1},j_{2}}v^{j_{1}}{\overline {w^{j_{2}}}}$.
• Изоморфизм ${\biggl (}\!{\begin{aligned}{\overline {\mathrm {Bi} }}(V)&\to \mathrm {Mat} (n,K)\\\sigma &\mapsto \sigma _{e,e}\end{aligned}}\!{\biggr )}$ ($e\in \mathrm {OB} (V)$). Преобразов.-я при замене базиса: $\sigma _{{\tilde {e}},{\tilde {e}}}=(\mathrm {c} _{\tilde {e}}^{e})^{\mathtt {T}}\!\cdot \sigma _{e,e}\!\cdot {\overline {\mathrm {c} _{\tilde {e}}^{e}}}$ и $\sigma _{{\tilde {j_{1}}},{\tilde {j_{2}}}}\!=\sum _{l_{1}=1}^{n}\sum _{l_{2}=1}^{n}(e_{\tilde {j_{1}}})^{l_{1}}{\overline {(e_{\tilde {j_{2}}})^{l_{2}}}}\,\sigma _{l_{1},l_{2}}$.
• Простр.-ва (над полем $\{c\in K\mid c={\overline {c}}\}$) ${\overline {\mathrm {SBi} }}(V)=\{\sigma \in {\overline {\mathrm {Bi} }}(V)\mid \forall \,v,w\in V\;{\bigl (}\sigma (w,v)={\overline {\sigma (v,w)}}{\bigr )}\}$ и ${\overline {\mathrm {S} }}\mathrm {Mat} (n,K)=\{s\in \mathrm {Mat} (n,K)\mid s^{\mathtt {T}}\!={\overline {s}}\}$.
• Пр.-ва (над полем $\{c\in K\mid c={\overline {c}}\}$) ${\overline {\mathrm {ABi} }}(V)=\{\sigma \in {\overline {\mathrm {Bi} }}(V)\mid \forall \,v,w\in V\;{\bigl (}\sigma (w,v)=-{\overline {\sigma (v,w)}}{\bigr )}\}$ и ${\overline {\mathrm {A} }}\mathrm {Mat} (n,K)=\{s\in \mathrm {Mat} (n,K)\mid s^{\mathtt {T}}\!=-{\overline {s}}\}$.
• $\mathrm {Hom} ((V,\sigma ),(Y,\varphi ))=\{a\in \mathrm {Hom} (V,Y)\mid \forall \,v,w\in V\;{\bigl (}\sigma (v,w)=\varphi (a(v),a(w)){\bigr )}\}$, $\mathrm {Iso} ((V,\sigma ),(Y,\varphi ))=\mathrm {Hom} ((V,\sigma ),(Y,\varphi ))\cap \mathrm {Bij} (V,Y)$.
• Группа автоморфизмов простр.-ва с формой: $\mathrm {Aut} (V,\sigma )=\mathrm {Iso} ((V,\sigma ),(V,\sigma ))$ и $\mathrm {Aut} (n,K,s)=\{a\in \mathrm {GL} (n,K)\mid a^{\mathtt {T}}\!\cdot s\cdot {\overline {a}}=s\}$ ($s\in \mathrm {Mat} (n,K)$).

3.1.2  ¯-Квадратичные формы

• Пространство ¯-квадратичных форм: ${\overline {\mathrm {Quad} }}(V)=\{\kappa \in \mathrm {Map} (V,K)\mid \exists \,\sigma \in {\overline {\mathrm {Bi} }}(V)\;\forall \,v\in V\;{\bigl (}\kappa (v)=\sigma (v,v){\bigr )}\}$. Утверждение: $\kappa(c\,v)=c\,\overline c\,\kappa(v)$.
• ¯-Квадратичная форма в коорд.: $\kappa (v)=(v^{e})^{\mathtt {T}}\!\cdot \sigma _{e,e}\!\cdot {\overline {v^{e}}}=\sum _{j_{1}=1}^{n}\sum _{j_{2}=1}^{n}\sigma _{j_{1},j_{2}}v^{j_{1}}{\overline {v^{j_{2}}}}$; если $\overline{\phantom c}=\mathrm{id}_K$, то $\kappa(v)$ — однор. многочлен степени $2$ от $v^{1},\ldots ,v^{n}$.
• Гиперповерхность второго порядка в пространстве $V$: множество вида $\{v\in V\mid \kappa (v)+2\,\lambda (v)+c=0\}$, где $\kappa \in \mathrm {Quad} (V)\!\setminus \!\{0\}$, $\lambda \in V^{*}$, $c\in K$.
• Примеры кривых второго порядка ($\dim V=2$, $e\in \mathrm {OB} (V)$): $\{v\in V\mid(v^1)^2+(v^2)^2=1\}$, $\{v\in V\mid(v^1)^2-(v^2)^2=1\}$ и $\{v\in V\mid(v^1)^2=v^2\}$.
• Теорема о поляризации квадратичных форм. Пусть $K$ — поле, $\mathrm {char} \,K\neq 2$ и $V$ — векторное пространство над полем $K$; тогда
  (1) для любых $\kappa \in \mathrm {Quad} (V)$, обозначая через $\,\mathrm {pol} _{\kappa }$ отображение $\biggl(\!\begin{align}V\times V&\to K\\(v,w)&\mapsto\bigl(\kappa(v+w)-\kappa(v)-\kappa(w)\bigr)/2\end{align}\!\biggr)$, имеем следующий факт:
  $\mathrm {pol} _{\kappa }$ — симметричная билинейная форма (то есть $\mathrm {pol} _{\kappa }\!\in \mathrm {SBi} (V)$);
  (2) отображения ${\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathrm {Quad} (V)&\to \mathrm {SBi} (V)\\\kappa &\mapsto \mathrm {pol} _{\kappa }\end{aligned}}\!{\biggr )}$ и ${\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathrm {SBi} (V)&\to \mathrm {Quad} (V)\\\sigma &\mapsto {\bigl (}v\mapsto \sigma (v,v){\bigr )}\end{aligned}}\!{\biggr )}$ — взаимно обратные изоморфизмы векторных пространств.
• Теорема о поляризации ¯-квадратичных форм над полем C. Пусть $V$ — векторное пространство над полем $\,\mathbb {C}$; тогда
  (1) для любых $\kappa \in {\overline {\mathrm {Quad} }}(V)$, обозначая через $\,\mathrm {pol} _{\kappa }$ отображение ${\biggl (}\!{\begin{aligned}V\times V&\to \mathbb {C} \\(v,w)&\mapsto {\bigl (}\kappa (v+w)+\mathrm {i} \,\kappa (v+\mathrm {i} \,w)-\kappa (v-w)-\mathrm {i} \,\kappa (v-\mathrm {i} \,w){\bigr )}/4\end{aligned}}\!{\biggr )}$,
  имеем следующий факт: $\mathrm {pol} _{\kappa }$ — полуторалинейная форма (то есть $\mathrm {pol} _{\kappa }\!\in {\overline {\mathrm {Bi} }}(V)$);
  (2) отображения ${\biggl (}\!{\begin{aligned}{\overline {\mathrm {Quad} }}(V)&\to {\overline {\mathrm {Bi} }}(V)\\\kappa &\mapsto \mathrm {pol} _{\kappa }\end{aligned}}\!{\biggr )}$ и ${\biggl (}\!{\begin{aligned}{\overline {\mathrm {Bi} }}(V)&\to {\overline {\mathrm {Quad} }}(V)\\\sigma &\mapsto {\bigl (}v\mapsto \sigma (v,v){\bigr )}\end{aligned}}\!{\biggr )}$ — взаимно обратные изоморфизмы векторных пространств.
• Утверждение: пусть $\mathrm {char} \,K\neq 2$ и $\sigma \in \mathrm {SBi} (V)$, или $K=\mathbb {C}$ и $\sigma \in {\overline {\mathrm {Bi} }}(V)$; тогда $\,\mathrm{Aut}(V,\sigma)=\{a\in\mathrm{GL}(V)\mid\forall\,v\in V\;\bigl(\sigma(v,v)=\sigma(a(v),a(v))\bigr)\}$.

3.1.3  Музыкальные изоморфизмы и невырожденные ¯-билинейные формы

• Оператор бемоль (опускание индекса): $\biggl(\!\begin{align}\flat_\sigma\colon V&\to\overline V^*\\v&\mapsto\bigl(w\mapsto\sigma(v,w)\bigr)\end{align}\!\biggr)$. Опускание индекса в координатах: $(\flat_\sigma v)_e=(v^e)^\mathtt T\!\cdot\sigma_{e,e}$ и $(\flat_\sigma v)_j=\sum_{i=1}^nv^i\,\sigma_{i,j}$.
• Случай $\dim V<\infty$: ${\bigl (}$$\sigma$ невырождена${\bigr )}$$\;\Leftrightarrow \;$${\bigl (}$$\flat_\sigma$ — биекция${\bigr )}$$\;\Leftrightarrow \;$$\mathrm{Ker}\,\flat_\sigma\!=\{0\}$. Ранг формы $\sigma$: $\mathrm{rk}(\sigma)=\dim\mathrm{Im}\,\flat_\sigma$. Утверждение: $\mathrm {rk} (\sigma )=\mathrm {rk} (\sigma _{e,e})$.
• Топологическая невырожденность: $\biggl(\!\begin{align}V&\to\overline V^*\!\!\cap\mathrm C^0\!(V,K)\\v&\mapsto\bigl(w\mapsto\sigma(v,w)\bigr)\end{align}\!\biggr)$ — биекция. Пример: $V=\mathrm C^0\!([\alpha;\beta],\mathbb R)$ и $\sigma\,\colon(f,g)\mapsto\!\int_\alpha^\beta\!\!fg$; тогда $\sigma$ топол. вырождена.
• Оператор диез (подъем индекса): $\sharp^\sigma\!=\flat_\sigma^{-1}$ ($\sigma$ невырождена). Подъем индекса в коорд. ($\sigma^{e,e}=(\sigma_{e,e}^{-1})^\mathtt T$): $(\sharp^\sigma\lambda)^e=\sigma^{e,e}\!\cdot(\lambda_e)^\mathtt T$ и $(\sharp^\sigma\lambda)^i=\sum_{j=1}^n\sigma^{i,j}\,\lambda_j$.
• Лемма о базисах и невырожденных формах. Пусть $K$ — поле с инволюцией, $V$ — вект. пр.-во над $K$, $\sigma \in {\overline {\mathrm {Bi} }}(V)$, $m\in \mathbb {N} _{0}$ и $e\in V^{m}$; обозначим
  через $U$ пространство $\langle e_{1},\ldots ,e_{m}\rangle$; тогда $\sigma _{e,e}\!\in \mathrm {GL} (m,K)$, если и только если $e\in \mathrm {OB} (U)$ и форма $\sigma |_{U\times U}$ невырождена.
• Ортогональность ($\sigma \in {\overline {\mathrm {SBi} }}(V)\cup {\overline {\mathrm {ABi} }}(V)$): $v\perp w\,\Leftrightarrow \,\sigma (v,w)=0\,\Leftrightarrow \,\sigma (w,v)=0$. Ортогональное дополнение: $U^{\perp }\!=\{v\in V\mid U\perp v\}\leq V$.
• Теорема об ортогональном дополнении. Пусть $K$ — поле с инволюцией, $V$ — вект. пр.-во над $K$, $\sigma \in {\overline {\mathrm {SBi} }}(V)\cup {\overline {\mathrm {ABi} }}(V)$ и $U,W\leq V$; тогда
  (1) $U\subseteq U^{\perp\perp}$, $U\subseteq W\,\Rightarrow\,W^\perp\!\subseteq U^\perp$, $(U+W)^{\perp }\!=U^{\perp }\!\cap W^{\perp }$ и $\,U^\perp\!+W^\perp\!\subseteq(U\cap W)^\perp$;
  (2) $\mathrm{Ker}\,\flat_{\sigma|_{U\times U}}\!=U\cap U^\perp$ и, если $\dim U<\infty$, то ${\bigl (}$$\sigma |_{U\times U}$ невырождена${\bigr )}$$\;\Leftrightarrow\;\,$$U\cap U^{\perp }\!=\{0\}$;
  (3) если форма $\sigma |_{U\times U}$ невырождена, то $V=U\oplus U^{\perp }$ (и, значит, определен ортогональный проектор на $U$: ${\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathrm {proj} _{U}\colon V=U\oplus U^{\perp }\!&\to V\\v=u+u^{\perp }\!&\mapsto u\end{aligned}}\!{\biggr )}$);
  (4) если форма $\sigma |_{U\times U}$ невырождена и $U^{\perp }\!\cap U^{\perp \perp }\!=\{0\}$, то $U=U^{\perp \perp }$.

3.1.4  Диагонализация ¯-симметричных ¯-билинейных форм

• Ортогональный базис относит. $\sigma$: $e\in \mathrm {OOB} (V,\sigma )$$\;\Leftrightarrow \;$${\bigl (}$$\sigma _{e,e}$ — диагональная матрица${\bigr )}$$\;\Leftrightarrow\;\,$$\forall \,j_{1},j_{2}\in \{1,\ldots ,\dim V\}\;{\bigl (}j_{1}\neq j_{2}\,\Rightarrow \,\sigma (e_{j_{1}}\!,e_{j_{2}})=0{\bigr )}$.
• Ортонормированный базис относительно $\sigma$ ($K=\mathbb {R}$ или $K=\mathbb {C}$): $e\in \mathrm {OnOB} (V,\sigma )$$\;\Leftrightarrow \;$${\bigl (}$$\sigma _{e,e}$ — диагональная матрица с $1$, $-1$, $0$ на диагонали${\bigr )}$.
• Лемма о неизотропном векторе. Пусть $K$ — поле с инволюцией, $\mathrm {char} \,K\neq 2$, $V$ — векторное пространство над полем $K$ и $\sigma \in {\overline {\mathrm {SBi} }}(V)\!\setminus \!\{0\}$;
  тогда существует такой вектор $v\in V$, что $\sigma (v,v)\neq 0$ (то есть существует неизотропный вектор).
• Теорема Лагранжа и матричная формулировка этой теоремы. Алгоритм приведения квадратичной формы к сумме квадратов с коэффициентами.

  Теорема Лагранжа. Пусть $K$ — поле с инволюцией, $\mathrm {char} \,K\neq 2$, $V$ — векторное пространство над полем $K$, $\dim V<\infty$ и $\sigma \in {\overline {\mathrm {SBi} }}(V)$; тогда
  (1) в пространстве $V$ существует ортогональный базис относительно $\sigma$ (то есть $\mathrm {OOB} (V,\sigma )\neq \varnothing$);
  (2) если $K=\mathbb {R}$ или $K=\mathbb {C}$, то в пространстве $V$ существует ортонормированный базис относительно $\sigma$ (то есть $\mathrm {OnOB} (V,\sigma )\neq \varnothing$).

  Матричная формулировка теоремы Лагранжа. Пусть $K$ — поле с инволюцией, $\mathrm {char} \,K\neq 2$, $n\in \mathbb {N} _{0}$ и $s\in {\overline {\mathrm {S} }}\mathrm {Mat} (n,K)$; тогда
  (1) существует такая матрица $g\in \mathrm {GL} (n,K)$, что $g^{\mathtt {T}}\!\cdot s\cdot {\overline {g}}$ — диагональная матрица;
  (2) если $K=\mathbb {R}$ или $K=\mathbb {C}$, то существует такая матрица $g\in \mathrm {GL} (n,K)$, что $g^{\mathtt {T}}\!\cdot s\cdot {\overline {g}}$ — диагональная матрица с $1$, $-1$, $0$ на диагонали.

• Утверждение: пусть $U\leq V$, $\dim U<\infty$, $e\in \mathrm {OOB} (U,\sigma |_{U\times U})$ и форма $\sigma |_{U\times U}$ невырождена; тогда $\forall\,v\in V\;\Bigl(\mathrm{proj}_U(v)=\!\sum_{j=1}^{\dim U}\!\frac{\sigma(v,e_j)}{\sigma(e_j,e_j)}e_j\Bigr)$.
• Процесс ортогонализации Грама–Шмидта. Пусть $K$ — поле с инволюцией, $V$ — векторное пространство над полем $K$, $n=\dim V<\infty$,
  $\sigma \in {\overline {\mathrm {SBi} }}(V)$ и $e\in \mathrm {OB} (V)$; для любых $i\in \{0,\ldots ,n\}$ обозначим через $V_{i}$ пространство $\langle e_{1},\ldots ,e_{i}\rangle$ и обозначим через $m_{i}$ $i$-й угловой минор
  матрицы $\sigma _{e,e}$. Пусть для любых $i\in \{1,\ldots ,n\}$ форма $\sigma |_{V_{i}\times V_{i}}$ невырождена (это эквивалентно тому, что $m_{i}\neq 0$); для любых $i\in \{1,\ldots ,n\}$
  обозначим через ${\hat {e}}_{i}$ вектор $e_{i}-\mathrm {proj} _{V_{i-1}}(e_{i})$. Тогда для любых $i\in \{1,\ldots ,n\}$ выполнено
  (1) $({\hat {e}}_{1},\dots ,{\hat {e}}_{i})\in \mathrm {OOB} (V_{i},\sigma |_{V_{i}\times V_{i}})$ и $\,\sigma ({\hat {e}}_{i},{\hat {e}}_{i})={\frac {m_{i}}{m_{i-1}}}$;
  (2) ${\hat {e}}_{i}=e_{i}-\sum _{j=1}^{i-1}{\frac {\sigma (e_{i},{\hat {e}}_{j})}{\sigma ({\hat {e}}_{j},{\hat {e}}_{j})}}{\hat {e}}_{j}$ (это индуктивная формула для нахождения векторов ${\hat {e}}_{1},\ldots ,{\hat {e}}_{n}$).