格拉姆矩阵

更新时间:2024-07-19 19:15

格拉姆矩阵是半正定的,反之每个半正定矩阵是某些向量的格拉姆矩阵。

定义

线性代数中,内积空间中一族向量的格拉姆矩阵(Gramian matrix 或 Gram matrix, Gramian)是内积对称矩阵,其元素由 给出。

一个重要的应用是计算线性无关:一族向量线性无关当且仅当格拉姆行列式(格拉姆矩阵的行列式)不等于零。

格拉姆矩阵以丹麦数学家约尔根·佩尔森·格拉姆(Jørgen Pedersen Gram)命名。

例子

最常见地,向量是欧几里得空间中元素,或L空间中函数,比如闭区间[a,b] 上的连续函数(是L([a,b])的子集)。

给定区间 上的实值函数 ,格拉姆矩阵 ,由函数的标准内积给出:

给定一个实矩阵A,矩阵AA是A的列向量的格拉姆矩阵,而矩阵AA是A的行向量的格拉姆矩阵。

对一般任何域上的有限维向量空间上的双线性形式B,我们可对一组向量 定义一个格拉姆矩阵G为 。如果双线性形式B对称则该格拉姆矩阵对称。

主要应用

如果向量是随机变量,所得格拉姆矩阵是协方差矩阵

在量子化学中,一组基向量的格拉姆矩阵是重叠矩阵(Overlap matrix)。

在控制论(或更一般的系统理论中),可控性格拉姆矩阵(controllability Gramian)与可观测性格拉姆矩阵(observability Gramian)确定了线性系统的性质。

格拉姆矩阵出现在协方差结构模型中。

在有限元方法中,格拉姆矩阵出现在从有限维空间逼近函数时;格拉姆矩阵的元素是有限维子空间的基函数的内积。

矩阵性质

半正定

格拉姆矩阵是半正定的,反之每个半正定矩阵是某些向量的格拉姆矩阵。这组向量一般不是惟一的:任何正交基的格拉姆矩阵是恒同矩阵。

这个命题无穷维类比是Mercer 定理(Mercer's theorem)。

基变换

在一个由可逆矩阵 P 表示的基变换下,格拉姆矩阵是用 P 做一个矩阵合同变为 PTGP。

格拉姆行列式

格拉姆行列式(Gram determinant 或 Gramian)是格拉姆矩阵的行列式:

在几何上,格拉姆行列式是这些向量形成的平行多面体的体积之平方。特别地,这些向量线性无关当且仅当格拉姆行列式不为零(当且仅当格拉姆矩阵非奇异)。

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