Kl. 13

Definitheit von Matrizen

Ob eine Funktion mehrerer Variablen im kritischen Punkt ein Minimum, ein Maximum oder einen Sattel hat, entscheidet die Definitheit ihrer Hesse-Matrix. Dahinter steckt eine einfache Frage: Ist der Ausdruck $\vec v^{\mathsf T} A\,\vec v$ für alle Vektoren $\vec v \ne \vec 0$ positiv, negativ – oder mal so, mal so?

Quadratische Form und Definitheit

Zu einer symmetrischen $n \times n$-Matrix $A$ gehört die quadratische Form $q(\vec v) = \vec v^{\mathsf T} A\,\vec v$. Für $A = \begin{pmatrix} a & b \\ b & c \end{pmatrix}$ ist $q(x, y) = a x^2 + 2b\,xy + c\,y^2$.

A heißt …wenn für alle $\vec v \ne \vec 0$ giltEigenwerte
positiv definit$q(\vec v) > 0$alle $> 0$
negativ definit$q(\vec v) < 0$alle $< 0$
positiv semidefinit$q(\vec v) \ge 0$alle $\ge 0$, mindestens einer $= 0$
negativ semidefinit$q(\vec v) \le 0$alle $\le 0$, mindestens einer $= 0$
indefinit$q$ nimmt positive und negative Werte anpositive und negative
-3-2-1123-3-2-1123
positiv definit: q = x² + 2y² – Ellipsen, ein „Tal“
-3-2-1123-3-2-1123
indefinit: q = x² − y² – Hyperbeln, ein Sattel
-3-2-1123-3-2-1123
semidefinit: q = (x − y)² – Geraden, eine Rinne mit q = 0 entlang y = x

Negativ definite Formen sehen aus wie positiv definite, nur auf dem Kopf: Ellipsen um einen „Gipfel“.

Kriterium der Hauptminoren (Sylvester)

Die führenden Hauptminoren $D_1, D_2, \ldots, D_n$ sind die Determinanten der linken oberen $1\times 1$-, $2\times 2$-, …, $n\times n$-Teilmatrizen.

Kriterium von Sylvester (für symmetrische A)

  • A positiv definit $\iff$ $D_1 > 0,\ D_2 > 0,\ \ldots,\ D_n > 0$.
  • A negativ definit $\iff$ die Vorzeichen wechseln, beginnend mit minus: $D_1 < 0,\ D_2 > 0,\ D_3 < 0,\ \ldots$
  • Ist $D_n = \det A \ne 0$ und passt keines der beiden Muster, ist A indefinit.
  • Ist ein $D_k = 0$, entscheiden die Eigenwerte (oder alle Hauptminoren, nicht nur die führenden).

Abkürzung für 2×2-Matrizen

Für $A = \begin{pmatrix} a & b \\ b & c \end{pmatrix}$: Ist $\det A = ac - b^2 > 0$, dann ist A definit – positiv bei $a > 0$, negativ bei $a < 0$. Ist $\det A < 0$, ist A indefinit. Bei $\det A = 0$ ist A semidefinit (oder die Nullmatrix).

Beispiel 1: 3×3, positiv definit

$A = \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 2 & -1 \\ 0 & -1 & 2 \end{pmatrix}$: $D_1 = 2$, $D_2 = 4 - 1 = 3$, $D_3 = 2\cdot 3 - (-1)\cdot(-2) + 0 = 4$. Alle positiv – A ist positiv definit. (Die Eigenwerte sind $2 - \sqrt2$, $2$ und $2 + \sqrt2$, alle positiv.)

Beispiel 2: indefinit schon nach zwei Minoren

$B = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}$: $D_1 = 1 > 0$, aber $D_2 = 1 - 4 = -3 < 0$. Für positiv definit müsste $D_2 > 0$ sein, für negativ definit $D_1 < 0$ – also ist B indefinit. Tatsächlich ist $q(1, -1, 0) = 1 - 4 + 1 = -2$, aber $q(1, 1, 0) = 6$.

Hesse-Matrix: Extrema einordnen

Ist $P$ ein kritischer Punkt von $f$ (alle partiellen Ableitungen 1. Ordnung sind dort 0), dann entscheidet die Hesse-Matrix $H_f(P)$ der zweiten Ableitungen:

$H_f(P)$ ist …f hat in P …
positiv definitein lokales Minimum
negativ definitein lokales Maximum
indefiniteinen Sattelpunkt
semidefinit (ein Eigenwert 0)keine Entscheidung möglich – genauer untersuchen

Beispiel 3: f(x, y) = x³ − 3x + y² − 2y

$f_x = 3x^2 - 3 = 0$ und $f_y = 2y - 2 = 0$ ergeben die kritischen Punkte $(1 \mid 1)$ und $(-1 \mid 1)$. Die Hesse-Matrix ist $H_f = \begin{pmatrix} 6x & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$.

In $(1 \mid 1)$: $\begin{pmatrix} 6 & 0 \\ 0 & 2\end{pmatrix}$ ist positiv definit – lokales Minimum. In $(-1 \mid 1)$: $\begin{pmatrix} -6 & 0 \\ 0 & 2\end{pmatrix}$ ist indefinit – Sattelpunkt.

Beispiel 4: drei Variablen

$f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 + xy - yz$ hat nur den kritischen Punkt $(0 \mid 0 \mid 0)$. Hesse-Matrix: $\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & -1 \\ 0 & -1 & 2\end{pmatrix}$ mit $D_1 = 2$, $D_2 = 3$, $D_3 = 4$ – positiv definit, also ein lokales (hier sogar globales) Minimum.

Definitheits-Rechner

Was möchtest Du prüfen?
Bis 4×4. Einträge mit Leerzeichen trennen, Brüche als 1/2, Dezimalzahlen mit Komma.

Ist die eingegebene Matrix nicht symmetrisch, wird mit ihrem symmetrischen Anteil ½(A + Aᵀ) gerechnet.

Typische Fehler

  • Nur auf die Diagonale schauen: Positive Diagonaleinträge reichen nicht – $\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}$ ist indefinit.
  • Sylvester bei $D_k = 0$: Dann sagen die führenden Minoren nichts über Semidefinitheit; nimm die Eigenwerte.
  • Negativ definit falsch geprüft: Nicht „alle Minoren negativ“, sondern abwechselnd: $D_1 < 0$, $D_2 > 0$, $D_3 < 0$, …
  • Hesse-Matrix außerhalb eines kritischen Punkts: Ohne $\nabla f = \vec 0$ gibt es dort kein Extremum, egal wie die Matrix aussieht.

Online üben: Definitheit

Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Neue Aufgaben

Stufe 1: 2×2 einordnen

  1. Aufgabe 1
    \(A = \begin{pmatrix}-4 & -2 \\ -2 & -1\end{pmatrix}\)
    \(a_{11} = -4,\) \(\det A = 4 - 4 = 0\) \(\Rightarrow\) negativ semidefinit
  2. Aufgabe 2
    \(A = \begin{pmatrix}-5 & -1 \\ -1 & -3\end{pmatrix}\)
    \(a_{11} = -5,\) \(\det A = 15 - 1 = 14\) \(\Rightarrow\) negativ definit
  3. Aufgabe 3
    \(A = \begin{pmatrix}-4 & -1 \\ -1 & -1\end{pmatrix}\)
    \(a_{11} = -4,\) \(\det A = 4 - 1 = 3\) \(\Rightarrow\) negativ definit
  4. Aufgabe 4
    \(A = \begin{pmatrix}-2 & 1 \\ 1 & -1\end{pmatrix}\)
    \(a_{11} = -2,\) \(\det A = 2 - 1 = 1\) \(\Rightarrow\) negativ definit
  5. Aufgabe 5
    \(A = \begin{pmatrix}-6 & -1 \\ -1 & -3\end{pmatrix}\)
    \(a_{11} = -6,\) \(\det A = 18 - 1 = 17\) \(\Rightarrow\) negativ definit
  6. Aufgabe 6
    \(A = \begin{pmatrix}3 & 2 \\ 2 & 6\end{pmatrix}\)
    \(a_{11} = 3,\) \(\det A = 18 - 4 = 14\) \(\Rightarrow\) positiv definit

Tippe Deine Lösung ein und klicke auf „Prüfen“ (oder drücke Enter). Brüche als 3/4, Dezimalzahlen mit Komma, mehrere Lösungen mit ; trennen, Potenzen als x^2, Wurzeln als sqrt(5). Punkte: 10 für richtig beim ersten Versuch, 6 nach einem Fehlversuch, 5 mit Tipp, 0 wenn Du Dir vorher die Lösung anschaust. Deine Punkte und Abzeichen siehst Du unter Mein Training.

Arbeitsblatt: Definitheit und Hesse-Matrix

Eine volle DIN-A4-Seite Aufgaben mit Lösungsblatt zum Ausdrucken – bei jedem Klick neue Aufgaben. Klasse 13.

Schwierigkeit

Kritische Punkte sucht der Rechner für mehrere Variablen (Modus Extrema); die Theorie dazu steht unter Extremwerte mit mehreren Variablen. Eigenwerte allein berechnet der Eigenwert-Rechner; Extrema unter Nebenbedingungen findest Du mit dem Lagrange-Rechner.

Weiterlesen: Definitheit, Hauptminor bei Wikipedia

ErklärungExtremwerte bei mehreren Variablen – Hesse-Matrix, Sattelpunkt, LagrangeKritische Punkte bestimmen und mit der Hesse-Matrix klassifizieren – Determinanten-Kriterium, Definitheit und Hauptminoren, der Fall D = 0 und Extrema unter Nebenbedingung mit Lagrange-Multiplikator.Klasse 13 · Studium & BrückenkursErklärungEigenwerte und Eigenvektoren – charakteristisches Polynom und DiagonalisierungA·v = λ·v verstehen: charakteristisches Polynom det(A − λE), Eigenvektoren mit dem Gauß-Verfahren, Eigenraum, Diagonalisierbarkeit, Spur und Determinante als Kontrolle.Klasse 13 · VektorenRechnerLagrange-Rechner – Extrema mit einer oder zwei NebenbedingungenExtrema von f(x, y, z) unter zwei Nebenbedingungen mit L = f − λg − μh – Gleichungssystem, alle Kandidaten exakt, Funktionswerte, Einordnung und Beispiele wie die schräge Ellipse.Klasse 13 · Studium & BrückenkursÜbungenBrückenkurs Mathe – fit fürs Studium mit Mathe-Check und LernpfadMathe-Check mit 22 Aufgaben und ein Lernpfad in zehn Stationen von Bruchrechnung bis Integral – mit Häkchen für Deinen Fortschritt.Klasse 13 · Studium & BrückenkursErklärungSummenzeichen und Produktzeichen – Regeln, Indexverschiebung, SummenformelnΣ und Π lesen und umformen – Rechenregeln, Indexverschiebung, Gaußsche Summenformel, geometrische Summe und Teleskopsumme.Klasse 13 · Studium & BrückenkursErklärungMengen und Aussagenlogik – Schreibweisen, Intervalle, Junktoren, QuantorenMengen und Zahlenbereiche, Intervalle, Schnitt, Vereinigung und Komplement, Wahrheitstafeln, Implikation und Quantoren richtig verneinen.Klasse 13 · Studium & Brückenkurs
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