演示文稿線性代數(shù)二次型及其標(biāo)準(zhǔn)形

演示文稿線性代數(shù)二次型及其標(biāo)準(zhǔn)形當(dāng)前第1頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)（優(yōu)選）線性代數(shù)二次型及其標(biāo)準(zhǔn)形當(dāng)前第2頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)

1.二次型的定義定義含有個(gè)變量的二次齊次函數(shù)稱為二次型.(二次齊次多項(xiàng)式)當(dāng)系數(shù)為復(fù)數(shù)時(shí)，稱為復(fù)二次型；當(dāng)系數(shù)為實(shí)數(shù)時(shí)，稱為實(shí)二次型.當(dāng)前第3頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)3.二次型的矩陣表示式令，則于是

當(dāng)前第4頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)前第5頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)記當(dāng)前第6頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)

其中為對稱陣：.——二次型的矩陣表示式說明對稱陣與二次型一一對應(yīng)；若，二次型的矩陣滿足：⑴的對角元是的系數(shù)；⑵的元是系數(shù)的一半.則對稱陣稱為

二次型的矩陣；二次型稱為對稱陣的二次型；3.二次型的矩陣表示式當(dāng)前第7頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)例如：二次型的矩陣為于是當(dāng)前第8頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)二、二次型的標(biāo)準(zhǔn)形二次型研究的主要問題是：尋找可逆變換，使

這種只含平方項(xiàng)的二次型稱為二次型的標(biāo)準(zhǔn)形(法式).特別地，如果標(biāo)準(zhǔn)形中的系數(shù)只在三個(gè)數(shù)中取值，那么這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)形稱為二次型的規(guī)范形.標(biāo)準(zhǔn)形的矩陣是對角陣.當(dāng)前第9頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)三、化二次型為標(biāo)準(zhǔn)型1.經(jīng)可逆變換后，新舊二次型的矩陣的關(guān)系：因?yàn)橛兴耘c的關(guān)系為：當(dāng)前第10頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)2.矩陣的合同關(guān)系定義

設(shè)和是階矩陣，若有可逆矩陣，使則稱矩陣與合同.說明合同關(guān)系是一個(gè)等價(jià)關(guān)系.設(shè)與合同，若是對稱陣，則也對稱陣.對稱陣一定合同相似于一個(gè)對角陣.若與合同，則.經(jīng)可逆變換后，二次型的矩陣由變?yōu)榕c合同的矩陣,且二次型的秩不變.當(dāng)前第11頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)把二次型化成標(biāo)準(zhǔn)形相當(dāng)于把對稱陣用合同變換化成對角陣(稱為把對稱陣合同對角化)，3.化二次型為標(biāo)準(zhǔn)形對二次型作可逆變換，相當(dāng)于對對稱陣作合同變換；即尋找可逆陣,使.定理8任給二次型,總其中是的矩陣的特征值.即任何二次型都可用正交變換化為標(biāo)準(zhǔn)形.（主軸定理，P262Th6.1）存在正交變換，使化為標(biāo)準(zhǔn)形當(dāng)前第12頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)推論任給二次型，總有可逆變換，使為規(guī)范形.即任何二次型都可用可逆變換化為規(guī)范形.

當(dāng)前第13頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)證設(shè)有二次型由定理8知，存在正交變換，使設(shè)二次型的秩為，則特征值中恰有個(gè)不為0，不妨設(shè)不等于0，于是，令其中則可逆，且變換把化為當(dāng)前第14頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)記，則可逆變換能把化為規(guī)范形當(dāng)前第15頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)推論任給二次型，總有可逆變換，使為規(guī)范形.即任何二次型都可用可逆變換化為標(biāo)準(zhǔn)形.

4.用正交變換化二次型為標(biāo)準(zhǔn)形的步驟：⑴寫出二次型的矩陣；⑵求出的特征值；⑶求出的兩兩正交的單位特征向量；⑷用表示在中⑶求得的特征向量構(gòu)成的矩陣，寫出所求的正交變換和二次型的標(biāo)準(zhǔn)型.當(dāng)前第16頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)4.用正交變換化二次型為標(biāo)準(zhǔn)形的步驟：⑴寫出二次型的矩陣；⑵求出的特征值；⑶求出的兩兩正交的單位特征向量；⑷用表示在中⑶求得的特征向量構(gòu)成的矩陣，寫出所求的正交變換和二次型的標(biāo)準(zhǔn)型.將對稱陣正交相似對角化的步驟：(1)求特征值；(2)求兩兩正交的單位特征向量；(3)寫出正交矩陣和對角陣.當(dāng)前第17頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)例1

已知二次型用正交變換把二次型化為標(biāo)準(zhǔn)形，并寫出相應(yīng)的正交矩陣.解

析：此題是一道典型例題.目的是熟悉用正交變換化二次型為標(biāo)準(zhǔn)形的“標(biāo)準(zhǔn)程序”.⑴

寫出二次型對應(yīng)的矩陣二次型對應(yīng)的矩陣為當(dāng)前第18頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)⑵求的特征值由，求得的特征值為當(dāng)前第19頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)⑶求的兩兩正交的單位特征向量對應(yīng)，解方程，由得基礎(chǔ)解系為將其單位化，得當(dāng)前第20頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)對應(yīng)，解方程，由得基礎(chǔ)解系為將其單位化，得當(dāng)前第21頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)對應(yīng)，解方程，由得基礎(chǔ)解系為將其單位化，得當(dāng)前第22頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)⑷寫出正交矩陣和二次型的標(biāo)準(zhǔn)形令矩陣則為正交陣，于是，經(jīng)正交變換原二次型化為標(biāo)準(zhǔn)形當(dāng)前第23頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)例1+：求一個(gè)正交變換x=Py，把二次型f=－2x1x2+2x1x3+2x2x3化為標(biāo)準(zhǔn)形（規(guī)范形）．當(dāng)前第24頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)例1+：求一個(gè)正交變換x=Py，把二次型f=－2x1x2+2x1x3+2x2x3化為標(biāo)準(zhǔn)形．解：二次型的矩陣有正交陣使得于是正交變換x=Py把二次型化為標(biāo)準(zhǔn)形f=－2y12+y22+y32當(dāng)前第25頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)如果要把f

化為規(guī)范形，令，即可得f

的規(guī)范形：f=－z12+z22+z32當(dāng)前第26頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)例2

已知二次型的秩為2.⑴求參數(shù)以及此二次型對應(yīng)矩陣的特征值；⑵指出表示何種曲面.解

⑴二次型的矩陣因?yàn)榈闹葹?，所以的秩也為2，因而當(dāng)前第27頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)時(shí)，的特征多項(xiàng)式為當(dāng)前第28頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)于是，的特征值為⑵由定理8知，必存在正交變換其中為正交矩陣(不必具體求出)，使二次型于是，曲面這表示準(zhǔn)線是平面上橢圓、母線平行于軸的橢圓柱面.在新變量下稱為標(biāo)準(zhǔn)形當(dāng)前第29頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)前第30頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)一、情形1配方法的系數(shù)例3用拉格朗日配方法化二次型成標(biāo)準(zhǔn)形，并求所用的變換矩陣.

解當(dāng)前第31頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)用到的線性變換為即用到的線性變換為即配方法當(dāng)前第32頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)配方法當(dāng)前第33頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)34所用的變換矩陣為于是，的標(biāo)準(zhǔn)形為配方法當(dāng)前第34頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)二、情形2的系數(shù)例4用拉格朗日配方法化二次型成規(guī)范形，并求所用的變換矩陣.

解先用下面可逆變換，使二次型中即配方法當(dāng)前第35頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)用到的線性變換為即配方法當(dāng)前第36頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)用到的線性變換為即配方法當(dāng)前第37頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)配方法當(dāng)前第38頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)配方法當(dāng)前第39頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)于是，配方法當(dāng)前第40頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)于是，所用的變換矩陣為因此，的規(guī)范形為配方法當(dāng)前第41頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)三、慣性定理定理9

(慣性定理)設(shè)有二次型，它的秩為，有兩個(gè)可逆變換及使及則正數(shù)的個(gè)數(shù)相等.（證明：P275Th6.3）中正數(shù)的個(gè)數(shù)與中當(dāng)前第42頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)說明二次型的標(biāo)準(zhǔn)形正系數(shù)的個(gè)數(shù)稱為二次型的負(fù)系數(shù)的個(gè)數(shù)稱為負(fù)慣性指數(shù).

正慣性指數(shù)；若二次型的正慣性指數(shù)為，秩為，則的規(guī)范形變可確定為只有用正交變換把二次型化為標(biāo)準(zhǔn)形，標(biāo)準(zhǔn)形的系數(shù)才是二次型矩陣的特征值.當(dāng)前第43頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)例5下列矩陣中，與矩陣合同的矩陣是哪一個(gè)？為什么？當(dāng)前第44頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)解析：此題的目的是熟悉慣性定理，用慣性定理解題.容易求得的特征值，于是可知，所對應(yīng)的二次型的正慣性指數(shù)為；負(fù)慣性指數(shù)為.合同的二次型應(yīng)有相同的正、負(fù)慣性指數(shù)，故選(B).

應(yīng)選(B)，理由是:當(dāng)前第45頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)例5下列矩陣中，與矩陣合同的矩陣是哪一個(gè)？為什么？當(dāng)前第46頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)一、正定二次型的概念定義設(shè)有二次型，⑴如果對任何，都有⑵如果對任何，都有，則稱為負(fù)定二次型，并稱對稱陣是負(fù)定的；陣是正定的；(顯然0)，則稱為正定二次型，并稱對稱當(dāng)前第47頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)說明按定義，當(dāng)變量取不全為零的值時(shí)，二次型若是正定()二次型，則它的對應(yīng)值總是正數(shù)().負(fù)定負(fù)數(shù)若是正定二次型，則就是負(fù)定二次型.當(dāng)前第48頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)二、正定二次型的性質(zhì)與判別法定理10二次型為正定的充要條件是：它的標(biāo)準(zhǔn)形的個(gè)系數(shù)全為正數(shù)，即它的正慣性指數(shù)等于.推論1正定二次型(正定矩陣)的秩為.推論2對稱陣為正定矩陣的充要條件是：的特征值全為正.證明當(dāng)前第49頁\共有55頁\編于星期日\7點(diǎn)定理10的證明證已知，有可逆變換，使先證充分性：設(shè)，任給，則，故再證必要性:

用反證法.

假設(shè)有，取(單位坐標(biāo)向量)，這與為正定相矛盾.這就證明了.則有