本节讨论如何经过坐标变换,将二次齐次式转化为只含平方项的形式,这也是本章要讨论的核心问题。
一、实二次型及其矩阵
Section titled “一、实二次型及其矩阵”含有 n 个未知量 x₁, x₂, …, xₙ 的实系数二次齐次多项式
f(x₁, x₂, …, xₙ) &= a₁1x₁² + 2a₁2x₁x₂ + 2a₁3x₁x₃ + … + 2a₁nx₁xₙ & + a₂2x₂² + 2a₂3x₂x₃ + … + 2a₂nx₂xₙ + … & + a₃3x₃² + 2a₃4x₃x₄ + … + 2a₃nx₃xₙ + … & + aₙ-1, n-1xₙ-1² + 2aₙ-1, nxₙ-1xₙ + aₙnxₙ² (7.2)称为(n 元)实二次型,简记为 f。
本课程只讨论实二次型,如果没有特别说明,以下提到的二次型均指实二次型。
令 aⱼi = aᵢj (1 ≤ i < j ≤ n),则
2aᵢjxᵢxⱼ = aᵢjxᵢxⱼ + aⱼixⱼxᵢ (1 ≤ i < j ≤ n)于是式 (7.2) 可以写成矩阵形式:
f(x₁, x₂, …, xₙ) &= a₁1x₁² + a₁2x₁x₂ + … + a₁nx₁xₙ & + a₂1x₂x₁ + a₂2x₂² + … + a₂nx₂xₙ + … & + aₙ1xₙx₁ + aₙ2xₙx₂ + … + aₙnxₙ² &= x₁(a₁1x₁ + a₁2x₂ + … + a₁nxₙ) & + x₂(a₂1x₁ + a₂2x₂ + … + a₂nxₙ) + … & + xₙ(aₙ1x₁ + aₙ2x₂ + … + aₙnxₙ) &= (x₁, x₂, …, xₙ) a₁1 & a₁2 & … & a₁n a₂1 & a₂2 & … & a₂n vdots & vdots & & vdots aₙ1 & aₙ2 & … & aₙn x₁ x₂ vdots xₙ即
f(x₁, x₂, …, xₙ) = x^TAx其中
x = x₁ x₂ vdots xₙ , A = a₁1 & a₁2 & … & a₁n a₂1 & a₂2 & … & a₂n vdots & vdots & & vdots aₙ1 & aₙ2 & … & aₙn为 n 阶实对称矩阵。
n 元二次型 f(x₁, x₂, …, xₙ) = x^TAx 与 n 阶实对称矩阵 A = (aᵢj)ₙ × n 是一一对应的。称 A 是二次型 f 的矩阵,f 是以 A 为矩阵的二次型,A 的秩 r(A) 称为二次型 f 的秩。
写出二次型
f(x₁, x₂, x₃) = x₁² - 2x₂² - 2x₃² - 4x₁x₂ + 4x₁x₃ + 8x₂x₃对应的对称矩阵 A。
解
根据所给的二次型的各个系数可知对应的对称矩阵为
A = 1 & -2 & 2 -2 & -2 & 4 2 & 4 & -2写出由对称矩阵
A = 1 & -1 & -3 & 1 -1 & 0 & -2 & 2 -3 & -2 & 3 & -3/2 1 & 2 & -3/2 & 4确定的二次型 f = x^TAx。
解
对应的二次型为
f(x₁, x₂, x₃, x₄) = x₁² + 3x₃² + 4x₄² - 2x₁x₂ - 6x₁x₃ + 2x₁x₄ - 4x₂x₃ + 4x₂x₄ - 3x₃x₄二、二次型的标准形
Section titled “二、二次型的标准形”只含平方项的二次型
f(x₁, x₂, …, xₙ) = d₁x₁² + d₂x₂² + … + dₙxₙ²称为二次型的标准形。其对应的矩阵为对角矩阵 Λ = operatornamediag(d₁, d₂, …, dₙ)。
我们要讨论的问题是,对于一个一般的 n 元二次型 f(x₁, x₂, …, xₙ) = x^TAx,是否可以通过适当的坐标变换 x = Cy,使
f = x^TAx = (Cy)^TA(Cy) = y^T(C^TAC)y为标准形。
做坐标变换 x = Cy,就是在 Rⁿ 中另取一组新基,使原来坐标为 x = (x₁, x₂, …, xₙ)^T 的向量在新基下的坐标变为 y = (y₁, y₂, …, yₙ)^T,且 x = Cy。设 C = (α₁, α₂, …, αₙ),不难发现,在新基下坐标为 y = ε₁ = (1, 0, …, 0)^T 的向量,原来的坐标为 x = Cy = α₁;在新基下坐标依次为 ε₂, ε₃, …, εₙ 的向量,原来的坐标依次为 α₂, α₃, …, αₙ。这说明新取的基就是 C 的列向量组 α₁, α₂, …, αₙ。因此 C 是可逆的。称 x = Cy 为可逆线性变换(也称为非奇异线性变换或非退化的线性变换)。
对于上面给定的二次型 f(x₁, x₂, …, xₙ) = x^TAx,只要找到可逆矩阵 C,使得 C^TAC = Λ 为对角矩阵,则可将 f 化为标准形:
f = x^TAx = (Cy)^TA(Cy) = y^T(C^TAC)y = y^TΛy = d₁y₁² + d₂y₂² + … + dₙyₙ²其中 d₁, d₂, …, dₙ 是对角矩阵 Λ 的 n 个对角元。
在变量 y₁, y₂, …, yₙ 下,二次型 f(x₁, x₂, …, xₙ) = x^TAx 的矩阵为 B = C^TAC,称 B 为 A 的合同矩阵。
三、合同矩阵
Section titled “三、合同矩阵”如果对于 n 阶方阵 A 和 B,存在 n 阶可逆矩阵 P,使得
B = P^TAP则称 A 与 B 合同,记为 A ∼eq B。
由于左乘或右乘可逆矩阵都不会改变矩阵的秩,所以若 A ∼eq B,则 r(A) = r(B)。
方阵之间的合同关系也是一种等价关系,即具有以下三条性质:
- 反身性:由 A = Eₙ^TAEₙ,可知 A ∼eq A。
- 对称性:若 B = P^TAP,则 A = (P^T)⁻1BP⁻1 = (P⁻1)^TBP⁻1。这说明当 A 与 B 合同时,B 也与 A 合同。
- 传递性:若 B = P^TAP,C = Q^TBQ,则 C = Q^TP^TAPQ = (PQ)^TA(PQ)。这说明当 A 与 B 合同,B 与 C 合同时,A 也与 C 合同。
只要找到可逆矩阵 C,使 B = C^TAC = Λ 为对角矩阵,再做线性变换 x = Cy(实际上是做坐标变换 x = Cy,即建立新的坐标系,使旧坐标系下坐标为 x 的向量在新坐标系下坐标为 y,且 x = Cy),就可将二次型 f(x₁, x₂, …, xₙ) = x^TAx 化为标准形。接下来,我们介绍化二次型为标准形的方法。
四、将二次型化为标准形
Section titled “四、将二次型化为标准形”1. 用正交变换化二次型为标准形
Section titled “1. 用正交变换化二次型为标准形”根据 7.2 节中定理6 可知,对于任意一个 n 阶实对称矩阵 A,一定存在 n 阶正交矩阵 Q,使得
Q⁻1AQ = Q^TAQ = Λ = operatornamediag(λ₁, λ₂, …, λₙ)因此有下面的定理7。
对于任意一个 n 元实二次型 f = x^TAx,一定存在正交变换 x = Qy,使得
f(x₁, x₂, …, xₙ) = x^TAx = y^TΛy = λ₁y₁² + λ₂y₂² + … + λₙyₙ²其中 λ₁, λ₂, …, λₙ 是矩阵 A 的 n 个特征值。
用正交变换化二次型
f = x₁² + 4x₂² + x₃² - 4x₁x₂ - 8x₁x₃ - 4x₂x₃为标准形。
解
写出二次型的矩阵形式 f = x^TAx,其中
x = x₁ x₂ x₃ , A = 1 & -2 & -4 -2 & 4 & -2 -4 & -2 & 1下面先求出正交矩阵 Q,使 Q⁻1AQ = Q^TAQ = Λ 为对角矩阵。
|λE - A| &= λ - 1 & 2 & 4 2 & λ - 4 & 2 4 & 2 & λ - 1 xlongequal(-1)r₁ + r₃ λ - 1 & 2 & 4 2 & λ - 4 & 2 5 - λ & 0 & λ - 5 &= (λ - 5) λ - 1 & 2 & 4 2 & λ - 4 & 2 -1 & 0 & 1 = (λ - 5)²(λ + 4)A 的相异特征值为 λ₁ = 5(2 重),λ₂ = -4。
对应于 λ₁ = 5,求解齐次线性方程组 (5E - A)x = 0,即
4 & 2 & 4 2 & 1 & 2 4 & 2 & 4 x₁ x₂ x₃ = 0 0 0得基础解系为 ξ₁ = (1, 0, -1)^T, ξ₂ = (1, -2, 0)^T。
再将 ξ₁, ξ₂ 标准正交化:
令 β₁ = ξ₁ = (1, 0, -1)^T,
β₂ = ξ₂ - ((ξ₂ · β₁))/((β₁ · β₁))β₁ = 1 -2 0 - 1/2 1 0 -1 = 1/2 1 -4 1单位化取
p₁ = (β₁)/(|β₁|) = (1)/(√(2)) 1 0 -1 , p₂ = (β₂)/(|β₂|) = (1)/(√(18)) 1 -4 1对应于 λ₂ = -4,求解齐次线性方程组 (-4E - A)x = 0,即
-5 & 2 & 4 2 & -8 & 2 4 & 2 & -5 x₁ x₂ x₃ = 0 0 0得基础解系为 ξ₃ = (2, 1, 2)^T,单位化取
p₃ = (ξ₃)/(|ξ₃|) = 1/3 2 1 2令
Q = (p₁, p₂, p₃) = (1)/(√(2)) & (1)/(√(18)) & 2/3 0 & -(4)/(√(18)) & 1/3 -(1)/(√(2)) & (1)/(√(18)) & 2/3则
Q⁻1AQ = Q^TAQ = Λ = 5 & 0 & 0 0 & 5 & 0 0 & 0 & -4做正交变换 x = Qy,其中 y = (y₁, y₂, y₃)^T,则可将 f 化为标准形:
f = x^TAx = y^TΛy = 5y₁² + 5y₂² - 4y₃²设二次型 f = 2x₁² + 3x₂² + 3x₃² + 2ax₂x₃ (a > 0),通过正交变换可化为标准形 f = y₁² + 2y₂² + 5y₃²。求参数 a 及所用的正交变换。
解
写出二次型的矩阵形式 f = x^TAx,其中
x = x₁ x₂ x₃ , A = 2 & 0 & 0 0 & 3 & a 0 & a & 3若通过正交变换将 f 化为标准形,则标准形中的系数是 A 的全体特征值。
由已知可得 A 的全体特征值为 λ₁ = 1, λ₂ = 2, λ₃ = 5,于是
|A| = 2(9 - a²) = λ₁λ₂λ₃ = 10又因为 a > 0,解得 a = 2。
下面求出正交矩阵 Q,使 Q⁻1AQ = Q^TAQ = operatornamediag(1, 2, 5)。
对应于 λ₁ = 1,求解齐次线性方程组 (E - A)x = 0,即
-1 & 0 & 0 0 & -2 & -2 0 & -2 & -2 x₁ x₂ x₃ = 0 0 0得基础解系为 ξ₁ = (0, 1, -1)^T,单位化取
p₁ = (ξ₁)/(|ξ₁|) = (1)/(√(2)) 0 1 -1对应于 λ₂ = 2,求解齐次线性方程组 (2E - A)x = 0,即
0 & 0 & 0 0 & -1 & -2 0 & -2 & -1 x₁ x₂ x₃ = 0 0 0得基础解系为 ξ₂ = (1, 0, 0)^T,单位化取
p₂ = (ξ₂)/(|ξ₂|) = 1 0 0对应于 λ₃ = 5,求解齐次线性方程组 (5E - A)x = 0,即
3 & 0 & 0 0 & 2 & -2 0 & -2 & 2 x₁ x₂ x₃ = 0 0 0得基础解系为 ξ₃ = (0, 1, 1)^T,单位化取
p₃ = (ξ₃)/(|ξ₃|) = (1)/(√(2)) 0 1 1令
Q = (p₁, p₂, p₃) = 0 & 1 & 0 (1)/(√(2)) & 0 & (1)/(√(2)) -(1)/(√(2)) & 0 & (1)/(√(2))则
Q⁻1AQ = Q^TAQ = Λ = 1 & 0 & 0 0 & 2 & 0 0 & 0 & 5做正交变换 x = Qy,其中 y = (y₁, y₂, y₃)^T,则可将 f 化为标准形:
f = x^TAx = y^TΛy = y₁² + 2y₂² + 5y₃²2*. 用配方法化二次型为标准形
Section titled “2*. 用配方法化二次型为标准形”除了通过正交变换外,还可用一般的可逆线性变换将二次型化为标准形。下面介绍的配方法就是其中的一种。
给定二次型 f = x^TAx,其中 x = (x₁, x₂, …, xₙ)^T,A = (aᵢj) 为实对称矩阵。可按如下步骤将 f 经过配方后化为只含平方项的形式:
- 若 f 中不出现平方项,即 a₁1 = a₂2 = … = aₙn = 0。 此时必有某个 aᵢj ≠ 0 (i < j),即 f 中会出现交叉乘积项 xᵢxⱼ。令 xᵢ = yᵢ + yⱼ, xⱼ = yᵢ - yⱼ,其余 xₖ = yₖ (k ≠ i, k ≠ j),则在变量 y₁, y₂, …, yₙ 下,f 中会出现平方项。
- 若 f 中含有平方项。 依次看 f 中是否出现 x₁², x₂², …, xₙ²。假设第一个出现的平方项为 xₖ²,即 a₁1 = a₂2 = … = aₖ-1, k-1 = 0, aₖk ≠ 0。将 f 中所有含 xₖ 的项归并到一起进行配方后可得
其中 g 是不含 xₖ 的 n - 1 元二次型,对 g 继续实施步骤 1、2。如此操作有限次之后,f 化为只含平方项的形式。
用配方法将二次型 f = x₁x₂ + x₂x₃ - x₁x₃ 化为标准形,并求所做的可逆线性变换。
解
f 中无平方项,有交叉乘积项 x₁x₂。令
x₁ = y₁ + y₂ x₂ = y₁ - y₂ x₃ = y₃则
f &= (y₁ + y₂)(y₁ - y₂) + (y₁ - y₂)y₃ - (y₁ + y₂)y₃ &= y₁² - y₂² + y₃(y₁ - y₂) - y₃(y₁ + y₂) &= y₁² - y₂² - 2y₂y₃进一步配方,得
f = y₁² - (y₂ + y₃)² + y₃²令
z₁ = y₁ z₂ = y₂ + y₃ z₃ = y₃ , 即 y₁ = z₁ y₂ = z₂ - z₃ y₃ = z₃则 f = z₁² - z₂² + z₃² 为标准形。
所做的线性变换为上面两次线性变换
x₁ x₂ x₃ = 1 & 1 & 0 1 & -1 & 0 0 & 0 & 1 y₁ y₂ y₃ 与 y₁ y₂ y₃ = 1 & 0 & 0 0 & 1 & -1 0 & 0 & 1 z₁ z₂ z₃的复合,即
x₁ x₂ x₃ = 1 & 1 & 0 1 & -1 & 0 0 & 0 & 1 1 & 0 & 0 0 & 1 & -1 0 & 0 & 1 z₁ z₂ z₃ = 1 & 1 & -1 1 & -1 & 1 0 & 0 & 1 z₁ z₂ z₃用配方法将二次型 f = x₁² + 2x₂² + 4x₃² - 2x₁x₂ - 2x₁x₃ 化为标准形,并求所做的可逆线性变换。
解
f 中有平方项 x₁²。将所有含 x₁ 的项归并到一起进行配方,得
f &= (x₁² - 2x₁x₂ - 2x₁x₃) + 2x₂² + 4x₃² &= (x₁ - x₂ - x₃)² - (x₂ + x₃)² + 2x₂² + 4x₃² &= (x₁ - x₂ - x₃)² + x₂² + 3x₃² - 2x₂x₃进一步配方,得
f = (x₁ - x₂ - x₃)² + (x₂ - x₃)² + 2x₃²令
y₁ = x₁ - x₂ - x₃ y₂ = x₂ - x₃ y₃ = x₃ , 即 x₁ = y₁ + y₂ + 2y₃ x₂ = y₂ + y₃ x₃ = y₃则 f 的标准形为
f = y₁² + y₂² + 2y₃²所做的可逆线性变换为
x₁ x₂ x₃ = 1 & 1 & 2 0 & 1 & 1 0 & 0 & 1 y₁ y₂ y₃需要注意的是,当用配方法化二次型 f = x^TAx 为标准形时,标准形中的系数就不一定是 A 的特征值了。