线性代数-二次型及其标准形.ppt
第六章 二次型及其标准形,1.二次型的定义,定义 含有个变量 的二次齐次函数,称为二次型.(二次齐次多项式),当系数 为复数时，称为复二次型；当系,数 为实数时，称为实二次型.,3.二次型的矩阵表示式,令，则,于是,记,其中 为对称阵：.,二次型的矩阵表示式,说明,对称阵与二次型一一对应；,若，,二次型的矩阵 满足：,的对角元 是 的系数；,的 元是 系数的一半.,则对称阵 称为 二次型 的矩阵；二次型 称为对称阵 的 二次型；,3.二次型的矩阵表示式,例如：二次型,的矩阵为,于是,二、二次型的标准形,二次型研究的主要问题是：,寻找可逆变换，使,这种只含平方项的二次型称为二次型的标准形(法式).,特别地，如果标准形中的系数 只在三个数中取值，那么这个标准形称为二次型的规范形.,标准形的矩阵是对角阵.,三、化二次型为标准型,1.经可逆变换后，新旧二次型的矩阵的关系：,因为有,所以 与 的关系为：,2.矩阵的合同关系,定义 设 和 是 阶矩阵，,若有可逆矩阵，使,则称矩阵 与 合同.,说明,合同关系是一个等价关系.,设 与 合同，若 是对称阵，则 也对称阵.,对称阵一定合同相似于一个对角阵.,若 与 合同，则.,经可逆变换 后，二次型的矩阵由 变 为与 合同的矩阵,且二次型的秩不变.,3.化二次型为标准形,相当于对对称阵 作合同变换；,即寻找可逆阵,使.,定理8 任给二次型,总,其中 是 的矩阵 的特征值.,即任何二次型都可用正交变换化为标准形.（主轴定理，P262 Th6.1）,存在正交变换，使 化为标准形,推论 任给二次型，总,有可逆变换，使 为规范形.,即任何二次型都可用可逆变换化为规范形.,证 设有二次型,由定理8知，存在正交变换，使,设二次型 的秩为，则特征值 中恰有 个不为0，不妨设 不等于0，,于是，令,其中,则 可逆，且变换 把 化为,记，,则可逆变换 能把 化为规范形,推论 任给二次型，总,有可逆变换，使 为规范形.,即任何二次型都可用可逆变换化为标准形.,4.用正交变换化二次型为标准形的步骤：,写出二次型的矩阵；,求出 的特征值；,求出 的两两正交的单位特征向量；,用 表示在中求得的特征向量构成的矩阵，写出所求的正交变换 和二次型的标准型.,4.用正交变换化二次型为标准形的步骤：,写出二次型的矩阵；,求出 的特征值；,求出 的两两正交的单位特征向量；,用 表示在中求得的特征向量构成的矩阵，写出所求的正交变换 和二次型的标准型.,将对称阵正交相似对角化的步骤：,(1)求特征值；,(2)求两两正交的单位特征向量；,(3)写出正交矩阵和对角阵.,例1 已知二次型,用正交变换把二次型 化为标准形，并写出相应的正交矩阵.,解 析：此题是一道典型例题.目的是熟悉用正交变换化二次型为标准形的“标准程序”.,写出二次型对应的矩阵,二次型 对应的矩阵为,求 的特征值,由，求得 的特征值为,求 的两两正交的单位特征向量,对应，解方程，由,得基础解系为,将其单位化，得,对应，解方程，由,得基础解系为,将其单位化，得,对应，解方程，由,得基础解系为,将其单位化，得,写出正交矩阵和二次型的标准形,令矩阵,则 为正交阵，于是，经正交变换,原二次型化为标准形,例1+：求一个正交变换 x=P y，把二次型f=2x1x2+2x1x3+2x2x3化为标准形（规范形）,例1+：求一个正交变换 x=P y，把二次型f=2x1x2+2x1x3+2x2x3化为标准形解：二次型的矩阵 有正交阵使得于是正交变换 x=P y 把二次型化为标准形f=2y12+y22+y32,如果要把 f 化为规范形，令，即可得 f 的规范形：f=z12+z22+z32,例2 已知二次型,的秩为2.,求参数 以及此二次型对应矩阵的特征值；,指出 表示何种曲面.,解,二次型 的矩阵,因为 的秩为2，,所以 的秩也为2，因而,当 时，的特征多项式为,于是，的特征值为,由定理8知，必存在正交变换,其中 为正交矩阵(不必具体求出)，使二次型,于是，曲面,这表示准线是 平面上椭圆、母线平行于 轴的椭圆柱面.,在新变量 下称为标准形,一、情形1,配方法,例3 用拉格朗日配方法化二次型,成标准形，并求所用的变换矩阵.,解,用到的线性变换为,即,用到的线性变换为,即,配方法,配方法,33,所用的变换矩阵为,于是，的标准形为,配方法,二、情形2,例4 用拉格朗日配方法化二次型,成规范形，并求所用的变换矩阵.,解,先用下面可逆变换，使二次型中,即,配方法,用到的线性变换为,即,配方法,用到的线性变换为,即,配方法,配方法,配方法,于是，,配方法,于是，,所用的变换矩阵为,因此，的规范形为,配方法,三、惯性定理,设有二次型，它,的秩为，有两个可逆变换,及,使,及,则,正数的个数相等.（证明：P275 Th6.3）,中正数的个数与,中,说明,二次型的标准形正系数的个数称为二次型的,负系数的个数称为负惯性指数.,正惯性指数；,若二次型 的正惯性指数为，秩为，则,的规范形变可确定为,只有用正交变换把二次型化为标准形，标准 形的系数才是二次型矩阵的特征值.,例5 下列矩阵中，与矩阵,合同的矩阵是哪一个？为什么？,解 析：此题的目的是熟悉惯性定理，用惯性定理解题.,容易求得 的特征值，,于是可知，所对应的二次型的正惯性指数,为；负惯性指数为.,合同的二次型应有相同的正、负惯性指数，,故选(B).,应选(B)，理由是:,例5 下列矩阵中，与矩阵,合同的矩阵是哪一个？为什么？,一、正定二次型的概念,定义 设有二次型，,如果对任何，都有,如果对任何，都有，则称 为负定二次型，并称对称阵 是负定的；,阵 是正定的；,(显然,0)，,则称 为正定二次型，,并称对称,说明,按定义，当变量取不全为零的值时，二次型 若是正定()二次型，则它的对应值总是 正数().,负定,负数,若 是正定二次型，则,就是负定二次型.,二、正定二次型的性质与判别法,定理10 二次型 为正定的充要条件,是：它的标准形的 个系数全为正数，即它的,正惯性指数等于.,推论1 正定二次型(正定矩阵)的秩为.,推论2 对称阵 为正定矩阵的充要条件是：,的特征值全为正.,证明,定理10的证明,证 已知，有可逆变换，使,先证充分性：,设，任给，,则，故,再证必要性:,用反证法.,假设有，,取(单位坐标向量)，,这与 为正定相矛盾.,这就证明了.,则有，且,定理11(霍尔维茨定理),对称阵 为正定的充要条件是：的各阶主子式都为正.即,对称阵 为负定的充要条件是：的奇数阶主子式为负，偶数阶主子式为正.即,正定,的正惯性指数,的 个特征值全为正,的规范形为,合同于单位阵,的各阶主子式全为正,例6 判定二次型,的正定性.,解 析：此题的目的是熟悉定理11，用定理11判定二次型的正定性.,的矩阵为,1 阶主子式：,2 阶主子式：,3 阶主子式：,根据定理11知，,为负定.,三、本章小结,个变量的二次齐次函数称为二次型.,只含平方项的二次型称为二次型的标准形，,将二次型化为标准形相当于把二次型的矩阵 合同对角化.,对于任何一个二次型一定存在正交变换将它 化为标准形.,配方法是化二次型成标准形(或规范形)的一 种较方便的方法；惯性定理.,如果，总有(或)，则称 二次型 是正定(或负定)的，并称 的矩阵 是正定(或负定)的.,矩阵的三大关系：,它们的定义,存在 阶可逆阵 和 阶可逆阵，使,存在可逆阵，使,存在正交阵，使,存在可逆阵，使,等价、相似(正交相似)、合同,关系不变量,等价关系的不变量：,相似关系的不变量：,秩，即,秩，即,特征多项式，即,特征值.,合同关系的不变量：,秩，即,对称性，即若 是对称阵，则 也是 对称阵；,对称阵 对应的二次型的正惯性指 数和负惯性指数；,对称阵 对应的二次型的规范形.,
