Como mostrar que essa matriz é positiva semidefinida?


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Deixei

K=(K11K12K21K22)

ser um simétrico positivo semidefinido matriz real (PSD) com . Então, por , | r | ≤ 1K12=K21T|r|≤1

K∗=(K11rK12rK21K22)

também é uma matriz PSD. As matrizes e são e denota a matriz de transposição. Como faço para provar isso?K ∗ 2 × 2 K T 21KK∗2×2K21T


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Eu acho que essa pergunta precisa da etiqueta de auto-estudo.
— Michael R. Chernick

Por favor, adicione a [self-study]tag e leia seu wiki . Diga-nos o que você entende até agora, o que tentou e onde está preso. Forneceremos dicas para ajudá-lo a se soltar.
— gung - Restabelece Monica

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Se K é 2x2, isso significa que K_21 é um escalar? Se sim, por que você está falando sobre a sua transposição?
— Acccumulation

Respostas:


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Esta é uma boa oportunidade para aplicar as definições: não são necessários teoremas avançados.

Para simplificar a notação, para qualquer número deixe seja uma matriz de blocos simétrica . (Se trabalhar com matrizes de bloco é desconhecido para você, apenas supor inicialmente que , , , e são números. Você vai ter a idéia geral deste caso.)A ( ρ ) = ( A ρ B ρ B ′ D ) A B D x yρ

A(ρ)=(AρBρB′D)
ABDxy

Para para ser semidefinido positivo (PSD) significa apenas que, para todos os vectores de e de dimensões adequadasx yA(ρ)xy

(1)0≤(x′y′)A(ρ)(xy)=(x′y′)(AρBρB′D)(xy)=x′Ax+2ρy′B′x+y′Dy.

É isso que temos que provar quando .|ρ|≤1

Dizem-nos que é PSD. Eu afirmo que também é PSD. Isso ocorre negando na expressão : como varia em todos os vetores possíveis, também varia em todos os vetores possíveis, produzindoA(1)A(−1)y(1)(xy)(x−y)

0≤(x′−y′)A(1)(x−y)=x′Ax+2(−y)′B′x+(−y)′D(−y)=x′Ax+2(−1)y′B′x+y′Dy=(x′y′)A(−1)(xy),

mostrando que vale com(1)ρ=−1.

Observe que pode ser expresso como um interpolante linear dos extremos e :A(ρ)A(−1)A(1)

(2)A(ρ)=1−ρ2A(−1)+1+ρ2A(1).

Quando , os dois coeficientes e não são negativos. Portanto, uma vez que e não são negativos, assim como o lado direito da|ρ|≤1(1−ρ)/2(1+ρ)/2(x′y′)A(1)(xy)(x′y′)A(−1)(xy)

(x′y′)A(ρ)(xy)=(1−ρ2)(x′y′)A(−1)(xy)+(1+ρ2)(x′y′)A(1)(xy)≥0(0)+0(0)=0.

(Eu uso cores para ajudá-lo a ver os quatro termos não negativos separados envolvidos).

Porque e são arbitrárias, temos provado para todos com .xy(1)ρ|ρ|≤1


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Isso é muito bonito em sua simplicidade :-)
— TenaliRaman

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Já existe uma ótima resposta do @whuber, então tentarei fornecer uma prova mais curta e alternativa, usando alguns teoremas.

  1. Para qualquer - PSD e qualquer , temos - PSDAQQTAQ
  2. Para - PSD e - PSD também - PSDABA+B
  3. Para - PSD e também - PSDAq>0qA

E agora:

K∗=(K1,1rK1,2rK2,1K2,2)=(K1,1rK1,2rK2,1r2K2,2)+(000qK2,2), where q=1−r2>0=(I00rI)T(K1,1K1,2K2,1K2,2)(I00rI)+q(000K2,2)

A matriz é PSD por definição e sua submatrizK 2 , 2KK2,2


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+1 boa demonstração! Pode ficar um pouco mais claro usando " " em vez de " " na sua declaração de fato (3). rqr
— whuber
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