Quadratic Forms With Applications
Chapter One
PREAMBLE OF THE STUDY
A quadratic form over a field K (K = R or K = C) in finitely many indeterminate x1,ย .ย .ย .ย ,ย xnย isย aย homogeneousย polynomialย ofย degreeย 2ย inย K[x1,ย .ย .ย .ย ,ย xn], unless it is identically zero. The main property of real quadratic forms in the finite dimensional case is that every real quadratic form is orthogonally sim- ilar (i.e., can be transformed by an orthogonal change of the indeterminates considered as coordinates) to a quadratic form which is the sum of multiples of squares of the indeterminates [16].
Inย factย aย quadraticย formย inย aย finiteย setย ofย indeterminatesย overย K,ย asย aย homoge- neous quadratic polynomial in the indeterminates with coefficients in K, can be studied by means of matrices because any such a quadratic form Q can be expressed as Q(X) = XTย AX, where X is a column vector with theย indetermi- natesย asย elementsย andย Aย aย symmetricย matrixย overย K.ย Thusย itย isย theย quadratic form associated with the symmetric bilinear form defined from Kn Kn ย to K by f (X, Y ) = XTย AYย ; X, Y โ Knย , and this gives rise to a duality.
Chapter Two
Bilinear Maps and Forms
ย Bilinearย maps
Definition 2.1.1 (Bilinear maps)
Let E, F and G be three arbitrary vector spaces over K.
Aย bilinearย mapย ฮฆย fromย E F into G is a mapping ฮฆย :ย E F G satisfying the following two conditionsย :
- ฮฆ( ฮฑ1x1+ ฮฑ2x2, y) ย = ย ฮฑ1ฮฆ(x1ย , y) + ฮฑ2ฮฆ(x2ย ,ย y) for all x1, x2ย โย E, y โ F and ฮฑ1, ฮฑ2ย โย K.
- ฮฆ( x, ฮฑ1y1+ฮฑ2y2) = ย ฮฑ1ฮฆ(x, y1) +ย ฮฑ2ฮฆ(x,ย y2) forย allย xย โย E,ย y1,ย y2ย โ
F and ฮฑ1, ฮฑ2ย โ K.
This means that ฮฆ is separately linear with respect to each of its two argu- ments (variables).
When E = F , a bilinear map from E2ย =ย E E into G is called aย G-valued
bilinear map on E.
Advertisements
Remark 2.1.2
Note that the above two conditions that define the bilinearity of ฮฆ are also respectively equivalent to the following :
ฮฆ( x1+ ฮฑx2, y) = ย ฮฆ(x1ย , y) + ฮฑฮฆ(x2ย ,ย y) for all x1, x2ย โ E, y โย F and ฮฑ โ K.
ฮฆ( x, y1+ ฮฑy2) ย = ย ฮฆ(x, y1) + ย ฮฑฮฆ(x,ย y2) for all x โ E, y1, y2ย โย F and ฮฑ โ K.
Thereย areย manyย interestingย bilinearย mapsย inย theย literature.ย Letโsย usย mention fewย ones.
Examples 2.1.3
- Given a ย K-vector space V , the scalar multiplication definedfromย K V
into V as
Chapter Three
Quadratic forms
Generalitiesย onย Quadraticย Formsย andย Spaces
Definition 3.1.1
A quadratic form on a K-vector space V , is a functional Q on V such that there exists a bilinear form f on V satisfying
Q(x) = f (x,ย x)ย , โ x โ Vย .
First Properties
Proposition 3.1.2 (Polar form of a quadratic form)
For every quadratic form Q on a K-vector space V , there exists a unique symmetric bilinear form ฯ on V such that
Q(x) ย =ย ฯ(x, x)ย , โx โ Vย .
This unique symmetric bilinear form ฯ corresponding to Q is called the polar form of Q and can be expressed by
ฯ(x, y) = ย 1ย ย Q(xย +ย y) Q(x) Q(y) ย , x,ย y Vย .
Consequently, there is a one-to-one correspondance between the class of quadratic forms of a vector space V and the class of symmetric bilinear form on V .
Proof.
Q being a quadratic form, there exists a bilinear form f such that
Q(x) ย =ย f (x,ย x) for all x โ Vย .
Thusย itย isย notย hardย toย checkย thatย ฯย =ย fโย (theย symmetricย partย ofย fย ,ย cf.ย Definition
…) ย is the unique symmetric bilinear form such that Q(x) ย ย = ย ย ฯ(x, x) forย all
Chapter Four
Applications
ย Quadratic forms and Unconstrained Opti- mization
Proposition 4.1.1 [23],[19]
Let H be a real Hilbert, โฆ be a nonempty open set of H and f : โฆ โ R be a function. Let x0ย โ โฆ.
- Iffย ย isย differentiableย atย x0,ย thenย theย derivativeย (inย theย senseย ofย Frยดechet)ย of fย atย x0ย isย aย boundedย linearย functionalย onย Hย andย soย thereย existsย aย unique vectorย denotedย byย โfย (x0)ย andย calledย theย gradientย ofย fย atย x0 such thatย fj(x0)(h)ย ย =ย ย (โfย (x0),ย h)ย , โhย โย Hย .
- If f is of class C2, then the second order derivative (in the sense of Frยดechet)ofย fย ย atย x0ย isย aย symmetricย boundedย bilinearย formย onย Hย ย andย so thereย existsย aย uniqueย boundedย symmetricย operatorย denotedย byย Hfย (x0) and called the Hessian of f at x0ย suchย that
fjj(x0)(u,ย v)ย ย =ย ย (u,ย Hfย (x0)v)ย , โu,ย vย โย Hย .
Theorem 4.1.2 (Optimality Necessary Condition)[3]
Let โฆ be a nonempty open set in Rn, let f be a real-valued function defined on โฆ and suppose that x0ย โ โฆ is a local minimizer.
If f has first order partial derivatives at x0,ย then
โf
(x0) ย =ย 0ย , forย allย iย =ย 1,ย 2,ย .ย .ย .ย ,ย n.
โx
Inย particular,ย ifย fย isย differentiableย atย x0,ย thenย x0ย isย aย criticalย pointย ofย fย ; thatย is,
Bibliography
- Lang, S. : Calculus of several variables. 2 nd Springer New-York. 1987.
- Jost, J. : Postmodern Analysis. Springer Berlin.
- Berkovitz,D.ย :ย Convexityย andย Optimizationย inย Rn.ย Johnย Wileyย &ย Sons, Inc.ย 2001.
- Pfister, A. : Quadratic Forms with Applications to AlgebraicGeometry and Cambridge University Press.ย 1995.
- Gregory,ย :ย Quadraticย Formย Theoryย andย Differentialย Equations.ย Math- ematics in Sciences and Engineering 152. Academic Pressย 1980.
- Lax, : Functional Analysis. Wiley-Interscience2002.
- OโMeara, O.T. : Introduction to Quadratic 3rd Ed. Springer Berlin1973.
- Simon,ย : Hamiltonians defined as quadratic forms. Comm. Math. Phys. 21. (1971), 192-210.
- Troutman, L. : Variational Calculus and Optimal Control. Optimiza- tion with elementary convexity. 2nd Ed. Springer1996
- Simon, B. : A canonical decomposition of quadratic forms with applica- tions to monotone operators. Journal of Functional Analysis 28. (1978) 337-385.