32.3

Билинейные и квадратичные функции в комплексном пространстве (32.40-32.47)

[8/75%]
Показать
LaTeX
Задача 32.40

Показать, что:

?
(1)

если b(x,y)\mathrm{b}(\mathbf{x}, \mathbf{y}) — билинейная функция в nn-мерном комплексном арифметическом пространстве, то функция h(x,y)=b(x,y‾)\mathrm{h}(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = \mathrm{b}(\mathbf{x}, \overline{\mathbf{y}}) является эрмитовой билинейной

(2)

если b (x, y) — эрмитова билинейная функция в пространстве Cn\mathcal{C}_{n}, то b(x,y)=h(x,y‾)\mathrm{b}(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = \mathrm{h}(\mathbf{x}, \overline{\mathbf{y}}) — билинейная функция.

Задача 32.41

Привести следующие квадратичные формы к каноническому виду:

?
(1)

4x12−12ix1x2−9x224x_{1}^{2} - 12ix_{1} x_{2} - 9x_{2}^{2}

(2)

9x12+24(i+1)x1x2+16x229x_{1}^{2} + 24(i + 1) x_{1} x_{2} + 16x_{2}^{2}

(3)

x1x2x_{1} x_{2}

(4)

ε2x12−εx1x2+x22,ε=e2πi/3\varepsilon^{2} x_{1}^{2} - \varepsilon x_{1} x_{2} + x_{2}^{2}, \varepsilon = e^{2\pi i / 3}

(5)

(1+i)x12+(2+2i)x1x3+ix22+3x32(1 + i) x_{1}^{2} + (2 + 2i) x_{1} x_{3} + ix_{2}^{2} + 3x_{3}^{2}

(6)

x12+(2−2i)x1x2+2x1x3+2ix22+(2+2i)x2x3+(1+i)x32x_{1}^{2} + (2 - 2i) x_{1} x_{2} + 2x_{1} x_{3} + 2ix_{2}^{2} + (2 + 2i) x_{2} x_{3} + (1 + i) x_{3}^{2}

(7)

−x12−4ix1x2−(2−2i)x1x3+4x22−(4+4i)x2x3+2ix32- x_{1}^{2} - 4ix_{1} x_{2} - (2 - 2i) x_{1} x_{3} + 4x_{2}^{2} - (4 + 4i) x_{2} x_{3} + 2ix_{3}^{2}.

Задача 32.42

Составить матрицы данных эрмитовых билинейных форм в nn-мерном пространстве:

?
(1)

−ix1yˉ1(n=1)- ix_{1} \bar{y}_{1} \quad (n = 1)

(2)

−ix1yˉ1(n=2)- ix_{1} \bar{y}_{1} \quad (n = 2)

(3)

3x1yˉ1+4ix1yˉ2−5x2yˉ1+ix2yˉ2(n=2)3x_{1} \bar{y}_{1} + 4ix_{1} \bar{y}_{2} - 5x_{2} \bar{y}_{1} + ix_{2} \bar{y}_{2} \quad (n = 2)

(4)

−3ix1yˉ1+2x1yˉ2+2x2yˉ1+(1−i)x2yˉ2(n=2)- 3ix_{1} \bar{y}_{1} + 2x_{1} \bar{y}_{2} + 2x_{2} \bar{y}_{1} + (1 - i) x_{2} \bar{y}_{2} \quad (n = 2)

(5)

(1+i)x1yˉ2+(1+i)x2yˉ1−5x2yˉ2(n=2)(1 + i) x_{1} \bar{y}_{2} + (1 + i) x_{2} \bar{y}_{1} - 5x_{2} \bar{y}_{2} \quad (n = 2)

(6)

(1+i)x1yˉ2+(1−i)x2yˉ1−5x2yˉ2(n=2)(1 + i) x_{1} \bar{y}_{2} + (1 - i) x_{2} \bar{y}_{1} - 5x_{2} \bar{y}_{2} \quad (n = 2)

(7)

x1yˉ1−3x2yˉ2+(2+i)x3yˉ3−ix1yˉ2+(4+i)x3yˉ1(n=3)x_{1} \bar{y}_{1} - 3x_{2} \bar{y}_{2} + (2 + i) x_{3} \bar{y}_{3} - ix_{1} \bar{y}_{2} + (4 + i) x_{3} \bar{y}_{1} \quad (n = 3)

(8)

2x1yˉ1−6x2yˉ2+(1+32)x3yˉ3+3x1yˉ2+3x2yˉ1+(2−5i)x1yˉ3+(2+5i)x3yˉ1+4ix2yˉ3−4ix3yˉ2(n=3)2x_{1} \bar{y}_{1} - 6x_{2} \bar{y}_{2} + (1 + 3\sqrt{2}) x_{3} \bar{y}_{3} + 3x_{1} \bar{y}_{2} + 3x_{2} \bar{y}_{1} + (2 - 5i) x_{1} \bar{y}_{3} + (2 + 5i) x_{3} \bar{y}_{1} + 4ix_{2} \bar{y}_{3} - 4ix_{3} \bar{y}_{2} \quad (n = 3)

(9)

∑i=1nxiyˉi\sum_{i = 1}^{n} x_{i} \bar{y}_{i}

Задача 32.43

Какие из эрмитовых билинейных форм в задаче 32. 42 симметричны? Записать соответствующие им эрмитовы квадратичные формы.

?
Задача 32.44

Записать эрмитову квадратичную форму, имеющую данную матрицу:

?
(1)

A47\mathbf{A}_{47}. A47=[5−2−28]\mathbf{A}_{47} = \left[\begin{smallmatrix} 5 & -2 \\ -2 & 8 \end{smallmatrix}\right].

(2)

A79\mathbf{A}_{79} (при ε=e2\pii/3\varepsilon = e^{2\pii / 3}). A79=[0εε−10]\mathbf{A}_{79} = \left[\begin{smallmatrix} 0 & \varepsilon \\ \varepsilon^{-1} & 0 \end{smallmatrix}\right].

(3)

A280\mathbf{A}_{280}. A280=[021282120]\mathbf{A}_{280} = \left[\begin{smallmatrix} 0 & 2 & 1 \\ 2 & 8 & 2 \\ 1 & 2 & 0 \end{smallmatrix}\right].

(4)

A491\mathbf{A}_{491}. A491=[3102i13−2i002i11−2i011]\mathbf{A}_{491} = \left[\begin{smallmatrix} 3 & 1 & 0 & 2 i \\ 1 & 3 & -2 i & 0 \\ 0 & 2 i & 1 & 1 \\ -2 i & 0 & 1 & 1 \end{smallmatrix}\right].

Задача 32.45

Эрмитова квадратичная форма записана в ортонормированном базисе nn-мерного унитарного пространства. Найти ортонормированный базис, в котором данная эрмитова квадратичная форма имеет диагональный вид, и записать этот диагональный вид:

?
(1)

2∣x1∣2+ix1xˉ2−ix2xˉ1+2∣x2∣2(n=2)2\left|x_{1}\right|^{2} + ix_{1} \bar{x}_{2} - ix_{2} \bar{x}_{1} + 2\left|x_{2}\right|^{2} \quad (n = 2)

(2)

∣x1∣2+(3−4i)x1xˉ2+(3+4i)x2xˉ1+∣x2∣2(n=2)\left|x_{1}\right|^{2} + (3 - 4i) x_{1} \bar{x}_{2} + (3 + 4i) x_{2} \bar{x}_{1} + \left|x_{2}\right|^{2} \quad (n = 2)

(3)

∣x1∣2+εx1xˉ2+εˉx2xˉ1+∣x2∣2(ε=e2\pii/3)(n=2)\left|x_{1}\right|^{2} + \varepsilon x_{1} \bar{x}_{2} + \bar{\varepsilon } x_{2} \bar{x}_{1} + \left|x_{2}\right|^{2} \quad \left(\varepsilon = e^{2\pii / 3}\right) \quad (n = 2)

(4)

3∣x1∣2+3∣x2∣2−5∣x3∣2−ix1xˉ2+ix2xˉ1(n=3)3\left|x_{1}\right|^{2} + 3\left|x_{2}\right|^{2} - 5\left|x_{3}\right|^{2} - ix_{1} \bar{x}_{2} + ix_{2} \bar{x}_{1} \quad (n = 3)

(5)

∣x1∣2+∣x2∣2+∣x3∣2+x1xˉ2+x2xˉ1+ix1xˉ3−ix3xˉ1+ix2xˉ3−−ix3xˉ2(n=3)\left|x_{1}\right|^{2} + \left|x_{2}\right|^{2} + \left|x_{3}\right|^{2} + x_{1} \bar{x}_{2} + x_{2} \bar{x}_{1} + ix_{1} \bar{x}_{3} - ix_{3} \bar{x}_{1} + ix_{2} \bar{x}_{3} - - ix_{3} \bar{x}_{2} \quad (n = 3)

(6)

12∣x1∣2−(1+i)x1xˉ2−(1−i)x2xˉ1+2x1xˉ3+2x3xˉ1+(3+3i)x1xˉ4+(3−3i)x4xˉ1+12∣x2∣2+(1−i)x2xˉ3+(1+i)x3xˉ2−−2x2xˉ4−2x4xˉ2+8∣x3∣2−(1+i)x3xˉ4−(1−i)x4xˉ3+8∣x4∣2(n=4)12\left|x_{1}\right|^{2} - (1 + i) x_{1} \bar{x}_{2} - (1 - i) x_{2} \bar{x}_{1} + 2x_{1} \bar{x}_{3} + 2x_{3} \bar{x}_{1} + (3 + 3i) x_{1} \bar{x}_{4} + (3 - 3i) x_{4} \bar{x}_{1} + 12\left|x_{2}\right|^{2} + (1 - i) x_{2} \bar{x}_{3} + (1 + i) x_{3} \bar{x}_{2} - - 2x_{2} \bar{x}_{4} - 2x_{4} \bar{x}_{2} + 8\left|x_{3}\right|^{2} - (1 + i) x_{3} \bar{x}_{4} - (1 - i) x_{4} \bar{x}_{3} + 8\left|x_{4}\right|^{2} (n = 4).

Задача 32.46

Восстановить симметричную эрмитову билинейную функцию h(x,y)\mathrm{h}(x, y) по эрмитовой квадратичной функции k(x)=h(x,x)\mathrm{k}(x) = \mathrm{h}(x, x).

?
Задача 32.47

Доказать, что в линейном пространстве комплексных матриц порядка nn функция k(X)=tr⁡(X⋅XˉT)\mathrm{k}(X) = \operatorname {tr}\left(X\cdot \bar{X}^{T}\right) является положительно определенной эрмитовой квадратичной функцией.

?