形式陈述
设 为实对称矩阵公理库矩阵Matrix以有限行列集合为索引、取值于半环,并以中间指标求和定义乘法的函数。。若对每个非零 都有
则称 正定,记作 ;若对每个 都有 ,则称 半正定,记作 。复数情形对 Hermitian 矩阵 使用同一定义,把表达式换成实值的 。
由有限维谱定理公理库有限维谱定理Finite-dimensional spectral theorem有限维复正规算子存在正交规范特征基;实数情形对应自伴算子。,对称/Hermitian 矩阵正定当且仅当所有特征值严格为正,半正定当且仅当所有特征值非负。半正定还等价于存在矩阵 使
也等价于存在唯一半正定平方根 。正定时 可取可逆的 Cholesky 因子。
Sylvester 判据说,Hermitian 矩阵正定当且仅当所有顺序主子式 都为正。半正定的对应判据是所有主子式非负,即对每个指标子集 ,都有 。
直觉
实数情形的 是二次型公理库二次型Quadratic form把向量映为二次齐次标量的函数,并通过极化与对称双线性形式相联系。;复数情形的 则是 Hermitian 形式的自配对,按 缩放,而非复代数二次型所要求的 。两者都给每个方向赋予实值能量。正定意味着除原点外没有平坦方向或负能量方向;半正定允许某些非零方向能量为零,但仍禁止向下弯曲。谱分解把空间旋转到特征向量坐标后,这个能量成为 ,所以定性完全由特征值符号控制。
Gram 表示 说明半正定矩阵是在记录一组向量的内积:。零特征值意味着这些向量存在依赖,也意味着能量模型无法区分某些方向。
例子与边界
矩阵
的特征值为 ,并且
对 成立,所以 正定。Gram 矩阵总是半正定;若生成它的向量线性相关,Gram 矩阵会奇异,只是半正定而非正定。协方差矩阵也是这一情形:随机变量之间的精确线性关系会产生零方差方向。
对角元只记录标准基方向上的值。矩阵 的两个对角元都为正,但在 上二次型取 ,所以有负能量方向。可逆性则只排除零特征值,例如 可逆,却同时保留正、负方向。
半正定判据中,任意指标子集都可能提供关键信息。 的两个顺序主子式都是 ,而取 得到主子式 ,直接识别出第二个坐标方向上的负值。
推论与应用
正定矩阵定义一个内积公理库内积空间Inner product space带正定对称双线性形式或正定 Hermitian 半双线性形式的向量空间。 ,从而产生范数与椭球几何。半正定矩阵按 Loewner 序组织: 表示 ,这是矩阵不等式、协方差比较与凸优化的基本语言。
对开集上的二阶连续可微函数,若 且 ,则 是严格局部极小点。驻点条件消去一阶项,使正的二阶项决定附近的变化。对比 :它在 处的二阶导数为 ,但 (),因为一阶项主导了这一侧的变化。若定义域是开凸集,则 Hessian 处处半正定当且仅当函数凸。
最小二乘中的 总是半正定,因为 ;它正定恰好等价于 ,即 满列秩,此时最优参数解唯一。对已给定的正定矩阵,Cholesky 分解可直接用于求解;对秩亏的半正定矩阵,带主元的分解或 SVD 则能展示其零方向。
这一序关系也用于概率估计:对 ,Hermitian 矩阵 满足 当且仅当 。矩阵 Bernstein 不等式公理库矩阵 Bernstein 不等式Matrix Bernstein inequality · 矩阵伯恩斯坦不等式用逐项谱范数与矩阵方差控制独立中心化 Hermitian 矩阵和,借助 Lieb 凹性完成非交换指数矩证明,并计算随机图邻接矩阵的统一方向误差。将独立随机误差之和夹在这两个确定矩阵之间;平方项 则让方差可以通过 Loewner 序累积控制。
参考资料
- Roger A. Horn and Charles R. Johnson, Matrix Analysis, 2nd ed., Cambridge University Press, 2013, Chapters 4 and 7.
- Gilbert Strang, MIT 18.06 Linear Algebra, “Positive Definite Matrices and Minima,” accessed 2026.
- Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, Stanford EE364a Convex Functions 讲义,在线版,2026-09-22 查阅,讲义 3.10:开凸域上的 Hessian 判据。