Positive Definite, Semidefinite

2023. 11. 24. 22:11·Mathematics/Linear Algebra
목차
  1. Positive Definite, Semidefinite
  2. Theorem 1
  3. Theorem 2

Positive Definite, Semidefinite

Definition 1. Let T∈L(V)T∈L(V) where VV is a finite-dimensional inner product space, and let A∈Mn×n(F)A∈Mn×n(F). Then TT is called positive definite [positive semidefinite] if TT is hermitian and ⟨T(x),x⟩>0⟨T(x),x⟩>0 [⟨T(x),x⟩≥0],∀x≠0[⟨T(x),x⟩≥0],∀x≠0, and AA is called positive definite [positive semidefinite] if LALA is positive definite [positive semidefinite].

Theorem 1

Theorem 1. Let T∈L(V)T∈L(V) be hermitian, and let A=[T]βA=[T]β where VV is nn-dimensional inner product space and ββ is an orthonormal basis for VV. Then the followings hold:
(a) TT is positive definite [semidefinite] ⟺⟺ all of its eigenvalues are positive [nonnegative].
(b) TT is positive definite [semidefinite] ⟺⟺ AA is positive definite [semidefinite].
Proof. (a) Let T(x)=λxT(x)=λx for some x≠0x≠0. Then ⟨T(x),x⟩=⟨λx,x⟩⟨T(x),x⟩=⟨λx,x⟩ =λ||x||2>0[≥0]=λ||x||2>0[≥0]. Thus λ>0[≥0]λ>0[≥0].
(b) (⟹)(⟹)
⟨T(x),x⟩=⟨[T(x)]β,[x]β⟩=⟨A[x]β,[x]β⟩>[≥0]⟨T(x),x⟩=⟨[T(x)]β,[x]β⟩=⟨A[x]β,[x]β⟩>[≥0]. Let y=[x]βy=[x]β. Thus ⟨Ay,y⟩>0[≥0]⟨Ay,y⟩>0[≥0].
(⟸)(⟸)
⟨Ax,x⟩=⟨[T]β[x]β,[x]β⟩=⟨[T(x)]β,[x]β⟩=⟨T(x),x⟩>0[≥0]⟨Ax,x⟩=⟨[T]β[x]β,[x]β⟩=⟨[T(x)]β,[x]β⟩=⟨T(x),x⟩>0[≥0]. ■◼

Theorem 2

Theorem 2. Let T∈L(V,W)T∈L(V,W) where VV and WW are finite-dimensional inner product space. Then T∗TT∗T and TT∗TT∗ are positive semidefinite.
Proof. For any x≠0x≠0, ⟨T∗T(x),x⟩=⟨T(x),T(x)⟩=||T(x)||2≥0⟨T∗T(x),x⟩=⟨T(x),T(x)⟩=||T(x)||2≥0 and ⟨TT∗(x),x⟩=⟨T∗(x),T∗(x)⟩=||T∗(x)||2≥0⟨TT∗(x),x⟩=⟨T∗(x),T∗(x)⟩=||T∗(x)||2≥0. ■◼
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