Álgebra Lineal II: Matrices positivas y congruencia de matrices

Introducción

Ya hablamos de las matrices asociadas a formas bilineales (y sesquilineales), y de formas cuadráticas (y cuadráticas hermitianas). Así mismo, tomamos un pequeño paréntesis para recordar qué es un producto interior y un espacio euclideano. Además, vimos las nociones análogas para el caso complejo.

Lo que haremos ahora es conectar ambas ideas. Extenderemos nuestras nociones de positivo y positivo definido al mundo de las matrices. Además, veremos que estas nociones son invariantes bajo una relación de equivalencia que surge muy naturalmente de los cambios de matriz para formas bilineales (y sesquilineales).

Congruencia de matrices

En las entradas de matrices de formas bilineales y matrices de formas sesquilineales vimos cómo obtener matrices asociadas a una misma forma bilineal (o sesquilineal) usando distintas bases. Dos matrices $A$ y $A’$ representaban a la misma forma bilineal en distintas bases si y sólo si existía una matriz de cambio de base $P$ tal que $$A’= \text{ }^tP A P,$$ en el caso real, o bien tal que $$A’=P^\ast A P,$$ en el caso complejo.

Definición. Sean $A$ y $B$ matrices simétricas en $M_n(\mathbb{R})$. Diremos que $A$ es congruente a $B$ si existe una matriz invertible $P$ en $M_n(\mathbb{R})$ tal que $$A=\text{ } ^tP B P.$$

Definición. Sean $A$ y $B$ matrices hermitianas en $M_n(\mathbb{C})$. Diremos que $A$ es congruente a $B$ si existe una matriz invertible $P$ en $M_n(\mathbb{C})$ tal que $$A=P^\ast B P.$$

Las definiciones anteriores están restringidas a las matrices simétricas (o hermitianas, respectivamente). Se podrían dar definiciones un poco más generales. Sin embargo, a partir de ahora nos enfocaremos únicamente a resultados que podamos enunciar para matrices simétricas (o hermitianas, respectivamente).

Proposición. La relación “ser congruentes” es una relación de equivalencia, tanto en el caso real, como en el caso complejo.

Demostración. Daremos la demostración en el caso real. El caso complejo queda como ejercicio. Empecemos con la reflexividad. Esto es claro ya que la matriz identidad $I_n$ es invertible y se tiene la igualdad

\begin{align*} A=\text{ } ^tI_nAI_n.\end{align*}

Para la simetría, supongamos que tenemos matrices $A$ y $B$ en $M_n(\mathbb{R})$ tales que $A$ es congruente a $B$ con la matriz invertible $P$ de $M_n(\mathbb{R})$, es decir, tales que

\begin{align*} A=\text{ } ^tPBP.\end{align*}

Como $P$ es invertible, su transpuesta también. De hecho, $(^tP)^{-1}=\text{ } ^t(P^{-1})$. Así, podemos multiplicar por la inversa de $^tP$ a la izquierda y la por la inversa de $P$ a la derecha para obtener

\begin{align*} ^t(P^{-1})AP^{-1}=B.\end{align*}

Esto muestra que $B$ es congruente a $A$.

Finalmente, veamos la transitividad. Supongamos que $A$ es congruente a $B$ mediante la matriz invertible $P$ y que $B$ es congruente a $C$ mediante la matriz invertible $Q$. Tendríamos entonces las igualdades

\begin{align*}
A&= \text{ }^t PBP,\\
B&= \text{ }^t QCQ,
\end{align*}

de donde $$A= \text{ }^tP \text{ }^tQCQP= \text{ }^t (QP) C (QP).$$ Esto muestra que $A$ es congruente a $C$ mediante la matriz $QP$, que como es producto de invertibles también es invertible.

$\square$

Clasificación de matrices simétricas por congruencia

¿Será posible para cualquier matriz simétrica encontrar una matriz congruente muy sencilla? La respuesta es que sí. El siguiente teorema puede pensarse como una versión matricial del teorema de Gauss.

Teorema. Cualquier matriz simétrica en $M_n(\mathbb{R})$ es congruente a una matriz diagonal.

Demostración. Sea $A$ una matriz simétrica en $M_n(\mathbb{R})$ y sea $q$ la forma cuadrática en $\mathbb{R}^n$ asociada a $A$ en la base canónica, es decir, aquella tal que $$q(X)=\text{ }^tXAX,$$ para cualquier vector $X\in \mathbb{R}^n$.

Lo que tenemos que hacer es encontrar una base de $\mathbb{R}^n$ en la cual la matriz asociada a $q$ sea diagonal. Haremos esto mediante el teorema de Gauss. Por ese resultado, existen reales $\alpha_1,\ldots,\alpha_r$ y formas lineales linealmente independientes $l_1,\ldots,l_r$ tales que $$q(x)=\sum_{i=1}^r \alpha_i l_i(x)^2.$$

Completemos $l_1,\ldots,l_r$ a una base $l_1,\ldots,l_n$ de $(\mathbb{R}^n)^\ast$. Tomemos la base $u_1,\ldots, u_n$ de $\mathbb{R}^n$ dual a $l_1,\ldots,l_n$. Esta es la base que nos ayudará. Recordemos que la definición de base dual hace que tengamos

\begin{align*} l_i(u_j)=
\begin{cases}
1\quad \text{ si $i=j$,}\\
0\quad \text{ si $i\neq j$,}
\end{cases}
\end{align*}

y que por lo tanto las funciones $l_i$ “lean” las coordenadas de un vector en la base de las $u_i$. Tomemos un vector cualquiera $x\in \mathbb{R}^n$ y escribámoslo en la base de las $u_i$ como $x=\sum_{i=1}^n x_iu_i$. Definiendo $\alpha_{r+1}=\ldots=\alpha_n=0$, tenemos que:

\begin{align*}
q(x)&= \sum_{i=1}^n \alpha _i l_i(x)^2\\
&= \sum_{i=1}^n \alpha_i x_i^2.
\end{align*}

Esto nos dice que la matriz asociada a $q$ con respecto a la base $u_1, \ldots, u_n$ es la matriz diagonal $D$ que tiene en la diagonal a los coeficientes $\alpha_i$. Esto muestra lo que queríamos.

$\square$

El teorema también tiene una versión compleja.

Teorema. Cualquier matriz hermitiana en $M_n(\mathbb{R})$ es congruente a una matriz diagonal.

La demostración es similar. Usa el teorema de Gauss complejo. Por esta razón, queda como ejercicio.

Estos resultados parecen una curiosidad algebraica. Sin embargo, pronto veremos que tienen consecuencias importantes como la clasificación de todos los productos interiores (y los productos interiores hermitianos).

Matrices positivas y positivas definidas

En entradas anteriores definimos qué quiere decir que una forma bilineal (o sesquilineal) sea positiva o positiva definida. Podemos dar una definición análoga para matrices. Nos enfocaremos sólo en matrices simétricas (en el caso real) y en matrices hermitianas (en el caso complejo).

Definición. Una matriz simétrica $A$ en $M_n(\mathbb{R})$ es positiva si para cualquier $X\in \mathbb{R}^n$ se tiene que $^tXAX\geq 0$. Es positiva definida si se da esta desigualdad y además la igualdad sucede sólo con $X=0$.

Definición. Una matriz hermitiana $A$ en $M_n(\mathbb{C})$ es positiva si para cualquier $X\in \mathbb{C}^n$ se tiene que $X^\ast AX\geq 0$. Es positiva definida si se da esta desigualdad y además la igualdad sucede sólo con $X=0$.

Es sencillo ver que entonces una matriz $A$ real (o compleja) que sea positiva definida da un producto interior (o bien un producto interior hermitiano) en $\mathbb{R}^n$ (o bien en $\mathbb{C}^n$) dado por $\langle X,Y\rangle = \text{ } ^tX A Y$, (o bien por $\langle X,Y\rangle = X^\ast A Y$). Y viceversa, un producto interior (o producto interior hermitiano) tiene representaciones matriciales que son positivas definidas. Esto no depende de la base elegida.

Proposición. Si $A,B \in M_n(\mathbb{R})$ son matrices congruentes y $A$ es una matriz positiva, entonces $B$ también lo es.

Demostración. Supongamos que la congruencia se da mediante la matriz invertible $P$ de la siguiente manera: $$B=\text{ }^t P A P.$$

Tomemos un vector $X\in \mathbb{R}^n$. Tenemos que:

\begin{align*}
^t X B X &= \text{ }^t X \text{ } ^t P A P X\\
&=\text{ } ^t(PX) A (PX)\\
&\geq 0.
\end{align*}

En la última igualdad estamos usando que $A$ es positiva. Esto muestra lo que queremos.

$\square$

Dicho en otras palabras, en el mundo real las congruencias preservan las positividades de matrices. También puede demostrarse que las congruencias preservan las positividades definitivas. Y así mismo, se tienen resultados análogos para el caso complejo. En la sección de ejercicios viene uno de estos resultados.

Clasificación de matrices positivas

Es sencillo ver si una matriz real diagonal $D$ es positiva. Todas las entradas en su diagonal deben de ser mayores o iguales a cero. En efecto, si su $i$-ésima entrada en la diagonal fuera un número $d_{ii}<0$, entonces para el $i$-ésimo vector canónico $e_i$ de $\mathbb{R}^n$ tendríamos $^te_i D e_i=d_{ii}<0$, lo cual sería una contradicción.

Combinando esto con todo lo hecho en esta entrada, obtenemos un teorema de clasificación de matrices positivas.

Teorema. Sea $A$ una matriz simétrica en $M_n(\mathbb{R})$. Las siguientes afirmaciones son equivalentes:

  1. $A$ es positiva.
  2. $A$ es congruente a una matriz diagonal con puras entradas mayores o iguales a cero.
  3. $A$ puede ser escrita de la forma $^tBB$ para alguna matriz $B\in M_n(\mathbb{R})$.

Demostración. 1) implica 2). Sabemos que $A$ es congruente a una matriz diagonal. Como $A$ es positiva, dicha matriz diagonal también lo es. Por el comentario antes del enunciado del teorema, dicha matriz diagonal debe tener únicamente entradas mayores o iguales que 0.

2) implica 3). Supongamos que $A=\text{ }^t P D P$, en donde $P$ es invertible y $D$ tiene únicamente entradas no negativas $d_1,\ldots,d_n$ en la diagonal. Definamos a $S$ como la matriz diagonal de entradas $\sqrt{d_1}, \ldots, \sqrt{d_n}$. Tenemos que $$D=S^2=SS=\text{ }^tSS.$$ De este modo, definiendo $B=SP$ obtenemos $$A= \text{ }^t P D P = ( \text{ }^t P \text{ }^t S) (SP)= \text{ }^t (SP) SP = \text{ }^t B B,$$ como queríamos.

3) implica 1). Supongamos que $A= \text{ }^t B B$ para alguna matriz $B$. Para cualquier $X\in \mathbb{R}^n$ tendríamos que $$ \text{ }^t X A X = \text{ }^t (BX) BX = \norm{BX}\geq 0.$$ Aquí la norma es con respecto al producto interior canónico de $\mathbb{R}^n$. Esto es lo que queríamos.

$\square$

También existe un teorema análogo que clasifica las matrices positivas definidas.

Teorema. Sea $A$ una matriz simétrica en $M_n(\mathbb{R})$. Las siguientes afirmaciones son equivalentes:

  1. $A$ es positiva definida.
  2. $A$ es congruente a una matriz diagonal con puras entradas diagonales positivas.
  3. $A$ puede ser escrita de la forma $^tBB$ para alguna matriz $B\in M_n(\mathbb{R})$ invertible.

Y, así mismo, existen análogos para matrices hermitianas con entradas en los complejos.

Más adelante…

En esta entrada definimos la relación de congruencia de matrices. Vimos qué son las matrices positivas y las positivas definidas. Además, vimos que la congruencia preserva estas nociones.

Podemos ser mucho más finos con nuestro análisis. Si tenemos una matriz simétrica, por los resultados de esta entrada es congruente a una matriz diagonal. Podemos fijarnos en cuántas entradas positivas, cuántas negativas y cuántas cero hay en esta diagonal. En la siguiente entrada veremos que las congruencias también preservan estas cantidades.

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso. Sin embargo, sirven de ayuda para repasar los conceptos vistos en esta entrada.

  1. Demuestra que cualquier matriz hermitiana en $M_n(\mathbb{C})$ es congruente a una matriz diagonal.
  2. Demuestra que si $A$ es una matriz en $M_n(\mathbb{C})$ hermitiana y positiva definida, y $B$ es una matriz en $M_n(\mathbb{C})$ hermitiana y congruente a $A$, entonces $B$ también es positiva definida.
  3. Sea $n \geq 1$ y $A=[a_{ij}] \in M_n(\mathbb{R})$ definida por $a_{ij}=min(i,j)$, prueba que $A$ es simétrica y definida positiva.
  4. Sea $A=[a_{ij}] \in M_n(\mathbb{R})$ tal que $a_{ij}=1$ si $i \neq j$ y $a_{ii} > 1$ si $1 \leq i \leq n$. Prueba que $A$ es simétrica y definida positiva.
  5. Demuestra que una matriz hermitiana $A\in M_n(\mathbb{C})$ es positiva si y sólo si puede ser escrita de la forma $A=BB^\ast$ para alguna matriz $B\in M_n(\mathbb{C})$, y que es positiva definida si y sólo si tiene una expresión así con $B$ invertible.

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