本文已参与「新人创作礼」活动,一起开启掘金创作之路。
注意与特征值、特征向量的联系
一、概念、定理
概念
二次型及其矩阵表示
f(x1,x2,x3)=x12+5x22+5x32+2x1x2−6x2x3=x12+x1x2+x1x2+5x22−3x2x3−3x2x3+5x32=x1(x1+x2)+x2(x1+5x2−3x3)+x3(−3x2+5x3)=(x1,x2,x3)⎝⎛x1+x2x1+5x2−3x3−3x2+5x3⎠⎞=(x1,x2,x3)⎝⎛11015−30−35⎠⎞⎝⎛x1x2x3⎠⎞平方项放到对角线,混合项对半分=xTAx
有AT=A是二次型的矩阵
标准形
2x12+5x22−6x32Λ=⎝⎛2 5 −6⎠⎞
规范形
x12+x22+x32x12+x22−x32x12−x22−x12
正惯性指数、负惯性指数
对于标准形
2x12+5x22−6x32x12+x22+x32正惯性指数为p=2,负惯性指数为q=1p=3,q=0
非标准形的化成标准形再看
二次型的秩
r(f)=r(A)
因为
r⎝⎛1−20−234045⎠⎞=3
故二次型f=x12+3x22+5x32−4x1x2+8x2x3的秩r(f)=3
坐标变换
⎩⎨⎧x1=c11y1+c12y2+c13y3x2=c21y1+c22y2+c23y3x3=c31y1+c32y2+c33y3∣C∣=0
则有
⎝⎛x1x2x3⎠⎞=⎝⎛c11c21c31c12c22c32c13c23c33⎠⎞⎝⎛y1y2y3⎠⎞
即可表示为x=cy
注意系数行列式∣C∣一定要不为0
合同
如果CTAC=B,其中C可逆,则称矩阵A和B合同,记A≃B
xTAx=任取x=Cy(Cy)TA(Cy)=yTCTACy=yTBy
其中B=CTAC,有
BT=(CTAC)T=CTAT(CT)T=CTAC=B
性质
-
A≃A
-
如果A≃B,则B≃A
-
如果A≃B,B≃C,则A≃C
合同充要条件
A≃B⇔pA=pB,qA=qB
定理(惯性定理):二次型xTAx经坐标变换其正惯性指数和负惯性指数是唯一确定的
二、标准形
配方法
定理:对任一n元二次型f=xTAx都可以通过(配方法)可逆线性变换x=Cy,其中C为可逆矩阵,化成标准形
推论:任一n元二次型f=xTAx都存在坐标变换x=Cz,使f化为规范形
f=z12+⋯+zp2−zp+12−⋯−zp+q2
例:f=y12+3y22−5y32,x=C1y
令
⎩⎨⎧y1=z1y2=31z2y3=51z3
有
⎝⎛y1y2y3⎠⎞=⎝⎛1 31 51⎠⎞⎝⎛z1z2z3⎠⎞
则f=z12+z22−z32,有
x=C1y=C1C2z,C=C1C2
例:f(y1,y2,y3)=4y12−9y22,x=C1y
令
⎩⎨⎧y1=21z1y2=31z2y3=z3
则
y=⎝⎛21 31 1⎠⎞z
有f=(z12−z22)
例:用配方法化二次型,2x12+3x22+5x32+4x1x2−8x2x3−4x3x1为标准形,并写出所用坐标变换
f=2[x12+2x1(x2−x3)]+3x225+x32−8x2x3=2[x12+2x1(x2−x3)+(x2−x3)2]−2(x2−x3)2+3x225+x32−8x2x3=2(x1+x2−x3)2+x22+3x32−4x2x3=2(x1+x2−x3)2+(x22−4x2x3+4x32)−4x32+3x32=2(x1+x2−x3)2+(x2−2x3)2−x32
先配方掉x1,则后面的式子都没有x1,因此最后的系数行列式是上三角形式,一定不为0
令
⎩⎨⎧y1=x1+x2−x3y2=x2−2x3y3=x3∣∣100110−1−21∣∣=0
即
⎩⎨⎧x1=y1−y2−y3x2=y2+2y3x3=y3⎝⎛x1x2x3⎠⎞=⎝⎛100−110−121⎠⎞⎝⎛y1y2y3⎠⎞
有f=2y12+y22−y32
例:用配方法化成二次型,f(x1,x2,x3)=2x1x2+4x1x3为标准形,并写出所用的坐标变换
对于没有平方项的,先做辅助坐标变换
令
⎩⎨⎧x1=y1+y2x2=y1−y2x3=y3
该变换既能配方又能保证系数行列式不为0
得
f=2(y1+y2)(y1−y2)+4(y1+y2)y3=2y12−2y22+4y1y2+4y2y3=2(y12+2y1y3+y32)−2y22+4y2y3−2y32=2(y1+y3)2−2(y2−y3)2
令
⎩⎨⎧z1=y1+y3z2=y2−y3z3=y3即⎩⎨⎧y1=z1−z3y2=z2+z3y3=z3
则f=2z12−2z22
x=C1y,y=C2z⇒x=Cz,C=C1C2
其中
C=⎝⎛1101−10001⎠⎞⎝⎛100010−111⎠⎞=⎝⎛1101−100−21⎠⎞
正交变换法
定理:对任一n元二次型f(x1,x2,⋯,xn)=xTAx存在正交变换x=Qy,使f化为标准形
由于A是实对称矩阵,则存在正交矩阵Q
Q−1AQ=Λ
令x=Qy,Q为正交矩阵,Q−1=QT,有
f=xTAx=(Qy)TA(Qy)=yTQTAQy=yTQ−1AQy=yTΛy=λ1y12+λ2y22+⋯+λnyn2
例:二次型x12+3x22+x32+2ax1x2+2x1x3+2x2x3经正交变换x=Py化成标准形y12+4y22,则a=()
二次型xTAx经正交变换化为标准形y12+4y22,那么标准形中平方项的系数1,4,0就是A的特征值
∣0E−A∣=−∣∣1a1a31111∣∣=−∣∣0a1a−131011∣∣=(a−1)2=0
因此a=1。用λ=1或4也同理,这里用λ=1做演示
∣E−A∣=∣∣0−a−1−a2−1−1−10∣∣=∣∣0−a−1−aa−20−1−10∣∣=2−2a=0
例:二次型f(x1,x2)=xTAx经正交变换x=Qy化为标准形y12+3y22,若Q的第一列是(21,21)T,则Q=()
正交变换x=Qy
xTAx=y12+3y22
则A的特征值为1,3,Q=(γ1,γ2)分别是1,3的特征向量,设λ=3的特征向量α=(x1,x2)T。又因为A是实对称矩阵,不同特征值对应特征向量正交,有
21x1+21x2=0
基础解系(1,−1)T,单位化(21,−21)T,则
Q=(212121−21)
例:用正交变换化二次型f(x1,x2,x3)=x12−x22+2x32+4x2x3为标准形,写出所用坐标变换
二次型矩阵
A=⎝⎛1000−12022⎠⎞
有
∣λE−A∣=∣∣λ−1000λ+1−20−2λ−2∣∣=(λ−1)(λ−3)(λ+2)
A的特征值1,3,−2
如果只要求标准形到这里就可以了,标准形为f=y12+3y22−2y32
由(E−A)x(3E−A)x(−2E−A)x=0=0=0,得α1α2α3=(1,0,0)T=(0,1,2)T=(0,−2,1)T,特征值不同特征向量已经正交,单位化
γ1=⎝⎛100⎠⎞,γ2=51⎝⎛012⎠⎞,γ3=51⎝⎛0−21⎠⎞
令Q=(γ1,γ2,γ3),经
⎝⎛x1x2x3⎠⎞=⎝⎛100051520−5251⎠⎞⎝⎛y1y2y3⎠⎞
则
xTAx=yT(QTAQ)y=yTΛy=y12+3y22−2y32
例:已知二次型f(x1,x2,x3)=5x12+5x22+cx32−2x1x2+6x1x3−6x2x3的秩为2,求c,求二次型f的p,q
二次型矩阵
A=⎝⎛5−13−15−33−3c⎠⎞
由r(f)=2⇔r(A)=2
∣A∣=∣∣5−13−15−33−3c∣∣=∣∣400−16−33−6c∣∣=24(c−3)
因此c=3,代入原式,有
∣λE−A∣=∣∣λ−51−31λ−53−33λ−3∣∣=λ(λ−4)(λ−9)
因此p=2,q=0
三、正定二次型
定义:任取x=0,恒有f(x1,x2,x3)=xTAx>0,则称二次型f为正定二次型,二次型矩阵A称为正定矩阵
二次型要想是正定矩阵则二次型系数必须全部大于0
定理:经坐标变换不改变二次型的正定性
定理(正定的充分必要条件):
xTAx正定
⇔p=n
⇔A≃E(即存在可逆C,使CTAC=E,也可描述为A=DTD,D可逆)
⇔A的特征值全大于0
⇔A的顺序主子式全大于0
定理(正定的必要条件):
-
矩阵A主对角线元素全大于0
-
∣A∣>0
例:判断二次型f(x1,x2,x3)=2x12+5x22+5x32+4x1x2−4x1x3−8x2x3的正定性
顺序主子式
A=⎝⎛22−225−4−2−45⎠⎞
Δ1=2>0,Δ2=∣∣2225∣∣,Δ3=∣A∣=10>0,因此正定
特征值
∣λE−A∣=∣∣λ−2−22−2λ−5424λ−5∣∣=(λ−1)2(λ−10)
特征值1,1,10,因此正定
配方法
f=2(x12+2x1x2−2x1x3)+5x22+5x32−8x2x3=2[x12+2x1(x2−x3)+(x2−x3)2]+5x22+5x32−8x2x3−2(x2−x3)2=2(x1+x2−x3)2+3x22−4x2x3+3x32=2(x1+x2−x3)2+3[x22−34x2x3+(32x3)2]+3x32−34x32=2(x1+x2−x3)2+3(x2−32x3)2+35x32=2y12+3y22+35y32
因此正定