Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Алгебра лекции 2 семестр

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
18.05.2015
Размер:
6.46 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[

]Б

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как вектор A неизвестен, то возьмем A

 

X2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α11

 

α1n

 

λ 0 0

 

 

Xn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MБ (ϕ ) λ E = − =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α11 λ

 

 

αn1

αnn

0 0 λ

 

 

 

 

 

α12

α1N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α21

 

α22 λ

α2N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αN1

 

 

… … αNN λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя эту матрицу и столбец в равенство выше,

получаем систему

α12 X2 + …+

α1N XN = 0,

 

 

 

(

α11 λ

)

X1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α2N XN = 0,

 

 

 

 

 

α21 X1 + (α22 λ ) X2 + +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αN1 X1 +

αN 2 X2 + …+

(αNN λ) XN = 0.

 

Ненулевые решения у этой однородной системы имеются

тогда и только тогда, когда определитель основной матрицы

равен 0, т.е.

 

MБ (ϕ ) λ E

 

= 0 .

(ϕ ) λE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что

 

определитель

 

 

MБ

 

после вычисления

 

 

 

 

будет многочленом степени

n от λ .

 

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Многочлен

 

MБ

(ϕ ) λ E

 

называется

 

 

 

 

характеристическим многочленом оператора ϕ, а уравнение

MБ (ϕ ) λ E = 0 – характеристическим уравнением.

Это уравнение относительно одного неизвестного λ . ТЕОРЕМА 31. Характеристический многочлен и характеристическое уравнение линейного оператора не зависят от выбора базиса, в котором вычисляется матрица оператора.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Пусть Б1, Б2 – базисы ненулевого n-мерного векторного пространства V над полем P, MБ1 (ϕ) , MБ2 (ϕ)

матрицы ϕ в этих базисах соответственно. Тогда по теореме 19 верно равенство

MБ2 (ϕ) = TБ11Б2 MБ1 (ϕ) TБ1Б2 .

Поэтому

MБ2 (ϕ ) λ E = TБ11Б2 MБ1 (ϕ ) TБ1Б2 λ E =

=

 

 

 

TБ11Б2 MБ1 (ϕ ) TБ1Б2 TБ11Б2 (λE ) TБ1Б2

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

TБ11Б2 (MБ1 (ϕ ) λ E ) TБ1Б2

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

TБ11Б2

 

 

 

 

MБ1 (ϕ ) λ E

 

 

 

TБ1Б2

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

TБ1Б2

 

 

MБ1 (ϕ ) λ E

 

 

 

 

 

MБ1 (ϕ ) λ E

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

TБ Б

2

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом

 

MБ2 (ϕ ) λ E

 

=

 

MБ1 (ϕ ) λ E

 

.

 

 

 

 

41

Значит, характеристический многочлен линейного оператора

ϕ не зависит от выбора базиса, а потому и

характеристическое уравнение

 

 

 

MБ (ϕ ) λ E

 

= 0 не зависит от

 

 

 

 

выбора базиса пространства V.

 

 

Решив уравнение

 

MБ (ϕ ) λ E

 

 

= 0 , можно найти все

 

 

собственные значения оператора ϕ, а затем для каждого

собственного значения

λ0

найти решения однородного

уравнения

(

MБ

(

ϕ

)

λ0

E

)

X =

 

 

θ

Б . Тем самым будут найдены

 

 

 

 

 

 

[

 

]

 

 

все собственные векторы, соответствующие λ0 .

Для этого нужно найти ФСР данной системы, чтобы получить

базис подпространства собственных векторов оператора ϕ,

соответствующих собственному значению λ0 .

Линейные операторы с простым спектром

В данном пункте рассматривается случай линейного

оператора n-мерного векторного пространства, имеющего n

попарно различных собственных значений.

ТЕОРЕМА

32 (о линейной независимости собственных векторов,

принадлежащих разным собственным значениям). Если

собственные векторы A1,A2,…,AM линейного оператора

имеют попарно различные собственные значения, то

последовательность

A1,A2,…,AM – линейно независима.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Пусть ϕ – линейный оператор векторного

пространства V,

A1,A2,…,AM – собственные векторы ϕ,

принадлежащие различным собственным значениям, т.е.

выполняются условия:

 

 

 

 

ϕ

(A1) = λ1 A1,…,ϕ (AM) = λM AM

(1)

 

 

λI

λK при I K .

(2)

 

Далее доказательство проводится индукцией по m.

Если M = 1 , то A1 θ

 

как собственный вектор и теорема

верна. Пусть теорема верна для M−1

векторов. Докажем, что

она верна для m

векторов.

 

 

Пусть

 

 

 

.

 

(3)

α1

A1 + + αM AM = θ

 

Тогда

 

AM

 

= ϕ θ

,

 

ϕ

(

α1 A1 + + αM

)

 

 

 

 

 

( )

 

 

α1 ϕ (A1) + + αM ϕ (AM ) = θ

или

(4)

 

 

α1 λ1 A1 + + αM λM AM = θ .

Прибавим к обеим частям равенства (4) соответствующие части равенства (3), умноженные на (λM) . Тогда получим

равенство

α1 (λ1 λM ) A1 + + αM 1 (λM 1 λM ) AM 1 = θ . (5)

По индуктивному предположению последовательность собственных векторов A1,A2,,AM 1 линейно независима.

Поэтому из (5) следует, что

α1 (λ1 λM ) = 0,, αM 1 (λM 1 λM ) = 0 .

Из (2) следует, что α1 = 0,, αM1 = 0 . Подставим эти значения в (3) и получим αM AM = θ . Так как AM θ , то αM = 0 .

Следовательно, все коэффициенты в (3) нулевые и последовательность A1,A2,…,AM – линейно независима. ▲

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Линейный оператор ϕ n-мерного векторного пространства V над полем P, имеющий n попарно различных

42

собственных значений, называется оператором с простым спектром. Набор всех собственных значений линейного оператора называется его спектром.

ТЕОРЕМА 33 (о свойствах операторов с простым спектром).

Пусть ϕ – линейный оператор n-мерного векторного

пространства V над полем P с простым спектром λ1,λ2,…,λN

и A1,A2,,AN – собственные векторы ϕ, принадлежащие

соответственно собственным значениям λ1,λ2,…,λN . Тогда

1) Б = a1; a2;; aN

– базис пространства V;

λ1

0

0

 

λ2

 

0

 

0

 

2) MБ (ϕ ) =

– диагональная матрица, по

0

0

λn

 

диагонали которой стоят собственные значения;

3) для любого вектора

C V , C = X1 A1 + + XN AN верно

равенство ϕ (C ) = λ1 X1

A1 + + λN XN AN .

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. 1) По определению λI λK при I K . Тогда

по теореме 32 последовательность Б – линейно независима. А

так как DIMP V = N

, то

Б – базис пространства V.

2) Так как

 

 

 

 

ϕ (A1) = λ1 A1 =

λ1 A1 + 0 A2 + …+ 0 AN ,

ϕ (A2 ) = λ2 A2 = 0 A1 + λ2 A2 + + 0 AN ,

 

 

 

 

,

 

ϕ (AN ) = λN AN = 0 A1 + 0 A2 + + λN AN

λ1

0

0

 

λ2

 

 

 

0

0

то MБ (ϕ ) =

 

 

.

0

0

λn

3) Пусть C V ,

C = X1 A1 + + XN AN . Тогда

ϕ(C ) = ϕ(X1 A1 + + XN AN ) = X1 ϕ(A1) + + XN ϕ(AN ) =

=λ1 X1 A1 + λ2 X2 A2 + + λN XN AN .▲

43

ТЕМА 9. КВАДРАТИЧНЫЕ ФОРМЫ

 

§1. Основные определения, свойства и задачи

Истоки теории квадратичных форм лежат в аналитической

геометрии, а именно, в теории кривых второго порядка. В данном

параграфе разбирается общий случай n переменных (или

неизвестных) (в геометрии рассматриваются случаи N = 2 и N = 3 ).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ.

Квадратичной формой F ( X1; X2;

; XN ) от n

переменных X1, X2,…, XN называется сумма, каждое слагаемое

которой является или квадратом одной из переменных, или

произведением разных переменных с коэффициентом.

Квадратичная форма называется действительной или комплексной

в зависимости от того, являются ли её коэффициенты

действительными или комплексными числами.

 

 

Считая, что в квадратичной форме f уже сделано приведение

подобных, введём для её коэффициентов следующие обозначения:

коэффициент при XI

2 обозначим через αI I , а коэффициент при Xi Xj

для i ≠ j

– через 2αi j

, т.е. предполагаем, что αi

j = α j i

для всех

1 ≤ I, J N . Ввиду этого сумма αi j Xi X j + α j i X j Xi

(I J )

запишется в

виде

X j + α j i X j Xi = 2αi j Xi X j (I J ) ,

 

 

αi j Xi

 

 

а вся квадратичная форма f – в виде суммы всевозможных

слагаемых αi j

Xi Xj , где

i, j

независимо друг от друга пробегают

значения от 1 до n:

 

 

 

N

N

 

 

F = F (X1; X2; ; XN ) =

 

 

∑∑αI J XI X J .

 

 

 

 

 

 

 

 

I =1 J =1

 

 

Матрицей квадратичной формы f называется квадратная матрица

A = (αI J )N ×N , составленная из коэффициентов квадратичной формы:

α11 α12 α1N

 

 

 

 

α21 α22

α2N

 

 

 

 

A =

.

 

 

 

 

αN1

αN2

αNN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ранг r матрицы A называется рангом квадратичной формы f.

Если

R = N , т.е. если матрица невырожденная, то и квадратичная

форма f

называется невырожденной, в противном случае –

вырожденной.

 

 

= α j i

матрица A является симметрической т.к.

Ввиду равенства αi j

её элементы, симметричные относительно главной диагонали, равны

между собой.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что любая симметрическая матрица определяет, причём

единственным образом, квадратичную форму, имеющую

коэффициентами элементы этой матрицы. Известно, что квадратная

матрица A тогда и только тогда будет симметрической, когда AT = A ,

где AT – транспонированная к матрице A.

 

 

 

 

 

X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X2

 

столбец переменных квадратичной формы f,

Обозначив X =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

получим XT =

XN

 

 

 

; XN ) , и тогда квадратичную форму f можно

(X1;

X2;

 

записать в виде

 

 

 

 

 

 

 

F = XT A X ;

 

 

 

 

 

 

 

 

это – матричная форма записи квадратичной формы f.

44

ПРИМЕР. Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

(X1; X2; X3 )

= 2X12 X22 + 3X32 2X1X2

+ 3X2X3 .

Тогда матрица этой квадратичной формы будет иметь вид:

 

 

 

2

 

1

0

 

 

 

 

X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

3

 

 

,

 

 

 

 

 

 

X

T

 

= (X1; X2; X3 ) и

A =

 

 

2

X = X2

,

 

 

 

 

 

 

0

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

X3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

0

 

X

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

X

A X = (X1; X2; X3 )

 

 

1

 

1

3

 

 

 

 

 

=

 

 

 

2

 

X2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

2

3

 

X3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X1 X2 +

X3;

X2

 

+ 3X3

 

 

 

 

=

= 2X1 X2;

2

2

 

 

X2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 X

 

 

 

 

+ 3 X

 

 

 

X3

 

 

=

2X

2 X

 

X

X X

2

X

2

+

3

X

2

2

X

3

+ 3X

2 =

 

 

1

 

2 1

 

 

1

 

2

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

3

= 2X12 2X1X2 X22

+ 3X2X3 + 3X32 .

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕОРЕМА

34 (об изменении матрицы квадратичной формы при

линейном преобразовании). Если к квадратичной форме

F = F (X1; X2; ; XN )

с матрицей A применить линейное

преобразование переменных XI

 

== N

Q I K YK ,

I = 1, 2,, N , с матрицей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K =1

 

 

 

 

 

 

Q = (QI J )N ×N , то получится квадратичная форма от n переменных

Y1, Y2,…, YN с матрицей QTAQ .

 

 

 

Y1

 

 

 

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Пусть Y =

Y2

 

. Тогда Y

T

= (Y1; Y2; ;YN ) и

 

 

 

 

YN

 

 

 

имеет вид X = QY . Откуда

линейное преобразование переменных XI

XT = YTQT и

F = XTAX = (Y TQT ) A (QY ) = YT (QTAQ )Y

или F = Y TBY , где B = QTAQ .

Матрица B является симметрической, т.к.

BT = (QTAQ)T = QT (QTA)T = QT (ATQTT ) =

= QTATQ = QTAQ = B .

Значит, B = QTAQ – матрица квадратичной формы от переменных

Y1, Y2,…, YN . ▲

ЗАМЕЧАНИЕ. Если преобразование переменных невырождено, т.е. матрица Q, а вместе с ней и матрица QT , невырожденные, то по

теореме о ранге произведения матриц ранги матриц A и QTAQ

равны, т.е. ранг квадратичной формы не изменяется при невырожденных линейных преобразованиях.

По аналогии с задачами аналитической геометрии рассмотрим вопрос о приведении квадратичной формы невырожденным линейным преобразованием к сумме квадратов переменных с некоторыми коэффициентами, т.е. к виду, в котором коэффициенты

45

при произведении переменных с разными номерами равны нулю. Такой вид квадратичной формы называется каноническим. ТЕОРЕМА 35. Если квадратичная форма

N N

невырожденным линейным

F = F (X1; X2; ; XN ) = ∑∑αI J XI X J

I =1 J =1

 

преобразованием переменных приведена к каноническому виду

f = β1y12 + β2y22 + + βNyN2 , то количество ненулевых

коэффициентов в каноническом виде равно её рангу.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. По замечанию выше ранг формы после применения

к ней невырожденного линейного преобразования переменных не

изменяется. Матрица канонического вида квадратичной формы

f = β1 y12 + β2 y22 + + βN yN

2 имеет диагональный вид

 

β1

 

 

0

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

β2

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

B =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, значит, её ранг равен количеству ненулевых

 

 

0

 

 

0

0

βN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

элементов, стоящих на главной диагонали. ▲

ТЕОРЕМА

 

36 (основная теорема о квадратичных формах). Всякая

квадратичная форма некоторым невырожденным линейным

преобразованием переменных может быть приведена к

каноническому виду, причём если квадратичная форма имеет

действительные коэффициенты, то и все коэффициенты

соответствующего невырожденного линейного преобразования

можно взять действительными.

 

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Индукция по количеству переменных n.

При

N = 1

квадратичная форма имеет вид

F = F (X1) = α11X12 .

Требуемое линейное преобразование – это тождественное

преобразование

X1

= Y1 , т.к. f уже имеет канонический вид.

Пусть для всех натуральных чисел 1 ≤ N K −1 , где K N , теорема

верна. Докажем, что теорема верна и для N = K .

Рассмотрим квадратичную форму

 

 

F = F (X1; X2; ;

Xk )

k k

 

 

 

= ∑∑αi j Xi X j .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1 j =1

 

 

 

Для доказательства теоремы достаточно построить соответствующее

невырожденное линейное преобразование.

 

Пусть среди коэффициентов α11, α22,…, αKK , т.е. среди

коэффициентов при XI 2

есть ненулевые. Не теряя общности можно

считать, что

α11 0 . Тогда квадратичная форма

H = α111 (α11

X1

+ α12 X2 + + α1K XK )2

 

содержит такие же слагаемые с переменным X1 , как и f, а

квадратичная форма

F1

= F H будет содержать неизвестные

x2, x3,, xK , но не будет содержать X1 .

 

Таким образом, невырожденное линейное преобразование

переменных

 

 

 

 

 

 

 

x2 + + α1K xK ,

 

 

 

y1

= α11 x1 + α12

( )

 

 

 

 

 

 

= xI ,

если

 

i =

2, 3,,k

 

 

 

yI

 

 

 

 

даёт равенство f = α111 y12 + g , где g – квадратичная форма от

переменных

Y2, Y3,…, YK , которая получена из f невырожденным

линейным преобразованием, обратным к ( )

 

 

 

1

y1

 

1

 

 

 

1

α1K

yK ,

x1

= α11

 

 

α11

 

α12 y2 α11

xI

= yI ,

 

если

i

=

2, 3,,k.

 

 

 

46

Это преобразование имеет своим определителем число α111 , а

потому является невырожденым.

Форма g может быть приведена к каноническому виду

невырожденным линейным преобразованием по предположению

индукции, что и завершает доказательство.

Если же α11 = α22 = = αKK = 0 , но есть αi j 0, i ≠ j , то можно

сделать вспомогательное невырожденное линейное преобразование,

приводящее к появлению в форме f квадратов переменных. Не теряя

общности, можно считать, что α12 0 , т.е. f содержит слагаемое

2α12X1X2 .

 

 

 

Применим линейное преобразование

X1

=

Z1

Z2,

X2

=

Z1

+ Z2,

 

= ZI ,

если I = 3,,K.

XI

Это преобразование невырождено, т.к. его определитель

 

 

1

−1 0 0

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

0 0

 

= 2 ≠ 0 .

=

0 0 1 0

 

 

 

 

 

 

0

 

0

0 1

 

 

После преобразования в квадратичной форме появятся квадраты с

ненулевыми коэффициентами:

12X1X2 = 12 (Z1 Z2 ) (Z1 + Z2 ) = 12Z12 12Z22 ,

которые не могут сократиться ни с одним из остальных слагаемых,

т.к. в каждое из них входит одна из переменных Z3,…,ZK .

После этого доказательство сводится к рассмотренному выше случаю.

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАМЕЧАНИЕ. Алгоритм приведения квадратичной формы к

каноническому виду следует из доказательства теоремы.

ПРИМЕР. Привести к каноническому виду квадратичную форму

F (X1;

 

X2;

X3 ) = 2X1X2 − 4X1X3 + 6X2X3 .

Так как в этой форме нет квадратов неизвестных, то вначале

применим невырожденное линейное преобразование

X1 = Y1

Y2, X2 = Y1 + Y2, X3 = Y3 с матрицей

 

1

 

1

0

A =

 

1

 

1

 

 

 

0 .

 

 

0

 

0

 

 

 

 

1

Тогда

 

 

 

 

 

f =

2

(y1 − y2 ) (y1 + y2 ) − 4 (y1 − y2 ) y3 + 6 (y1 + y2 ) y3 =

= 2Y12 2Y22 + 2 Y1 Y3 + 10 Y2 Y3 .

Коэффициент при Y12 отличен от нуля, поэтому можно выделить

квадрат одного переменного. Для этого положим

 

 

 

 

 

Z1 = 2Y1 + Y3,

Z2 = Y2,

Z3 = Y3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y1 = 1 Z1

1 Y3 = 1 Z1

1 Z3,

Y2 = Z2, Y3 = Z3

 

 

 

 

 

 

2

2

2

2

 

 

 

 

1

2

0

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

линейное преобразование с матрицей B =

 

0

1

 

 

0

 

, причём

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

невырожденное, так как

 

B

 

= 2 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

47

Делаем замену

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f = 2y12

2y22

 

+ 2y1y3 +10y2y3 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2

 

1 Z

1 Z

3

2

2Z

2 + 2

1 Z

1 Z

3

Z

3

 

 

+ 10Z Z

=

 

 

 

 

 

1

 

2 2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 3

 

 

 

 

1

 

22

 

 

 

 

1

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2 Z1

2Z2

 

 

2 Z3 +10Z2Z3 .

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

Получилась форма с матрицей

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

5

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. После этого

В ней выделился полный квадрат переменного

 

Z1

подвергаем оставшуюся квадратичную форму от переменных Z2, Z3

аналогичным преобразованиям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1 = Z1, T2 = −2Z2 + 5Z3, T3 = Z3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z1 = T1, Z2

= −

1 T2 + 5 T3, Z3 = T3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это преобразование с матрицей

С =

 

0

 

 

 

 

12

 

52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

=

1

2

 

1

T2 +

5

 

1

 

2

+ 10

 

 

 

1

T2

+

5

 

 

2

T1

2

2

2

T3

2

T3

2

2

T3 T3 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 12 T12 12 T22 +12T32 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Невырожденное линейное преобразование, сразу переводящее к

полученному виду, имеет своей матрицей произведение A B C =

 

1 1 0

 

 

 

12 0

12

 

1 0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1 1 0

 

 

 

 

 

 

0 12 52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0 1

 

 

0 0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1

2

1

 

0 0

 

 

 

 

1

2

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

1

12

 

 

12

 

5

2

 

=

 

12

 

12

 

 

2

 

 

 

 

 

 

12

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применив к f невырожденное (

 

A B C

 

≠ 0)

линейное преобразование

 

 

X1 =

1 T1 +

1 T2 3T3, X2

= 1 T1

1 T2 + 2T3, X3 = T3 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

можно сразу получить f в каноническом виде.

 

 

 

 

 

 

Заметим, что квадратичную форму к каноническому виду можно

привести и другими преобразованиями, тоже линейными и

невырожденными, и получить в общем случае другой результат.

Например, квадратичная форма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F = 2X1X2 6X2X3 + 2X3X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

преобразованием X1

=

1 T1 +

1 T2 + 3T3, X2 =

1 T1

1 T2 T3, X3 = T3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

1

2

 

 

 

приводится к каноническому виду F

 

 

2

 

 

 

2

 

2

=

 

2 T1

 

2 T2

 

+ 6T3 , а

преобразованием X1 = T1 + 3T2 + 2T3, X2 = T1 T2 2T3,

X3 = T2

48

к виду F = 2T12 + 6T22 8T32 , причём оба преобразования линейные и

невырожденные.

Комплексная квадратичная форма может быть всегда приведена к

виду F = T12 + T22

+ + TR 2 , где r – ранг квадратичной формы f.

В случае действительных квадратичных форм верна следующая

ТЕОРЕМА (закон инерции действительных квадратичных форм). Число

положительных и число отрицательных квадратов в каноническом

виде, к которому приводится данная квадратичная форма с

действительными коэффициентами, не зависит от выбора этого

преобразования.

 

 

 

 

 

 

 

Число положительных квадратов канонического вида, к которому

приводится квадратичная форма f,

называется положительным

индексом инерции. Число отрицательных квадратов –

отрицательным индексом инерции, а разность между

положительным и отрицательным индексами инерции – сигнатурой

формы f. При заданном ранге формы задание любого из трёх

определённых выше чисел определяет и два других.

ТЕОРЕМА. Две квадратичные формы от n переменных с

действительными коэффициентами тогда и только тогда

переводятся друг в друга невырожденными действительными

линейными преобразованиями, если эти формы имеют одинаковые

ранги и одинаковые сигнатуры.

 

 

 

 

§2. Положительно определённые квадратичные формы

Квадратичная форма f от n

переменных с действительными

коэффициентами называется положительно определённой, если она

приводится к каноническому виду, состоящему из n положительных

квадратов, т.е. если ранг и положительный индекс инерции этой

формы равны числу переменных. Критерием положительной

определённости действительной квадратичной формы служит

ТЕОРЕМА (критерий положительной определённости квадратичной

формы). Квадратичная форма f от n переменных

X1, X2,…, XN с

действительными коэффициентами тогда и только тогда будет

положительно определённой, когда при любых действительных

значениях входящих в неё переменных, хотя бы одно из которых

отлично от нуля, эта форма получает только положительные

значения.

 

 

 

 

 

 

 

К сожалению, эта теорема не дает возможности по коэффициентам

действительной квадратичной формы установить, будет ли форма

положительно определена или нет.

 

 

 

 

Введем вспомогательные понятия, в терминах которых можно

сформулировать положительную определённость действительной

квадратичной формы по её коэффициентам.

 

 

Пусть f – действительная квадратичная форма от n переменных с

матрицей A = (αi j ) . Миноры порядка 1, 2, …, n этой матрицы,

расположенные в левом верхнем углу, т.е. миноры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α11 α12 α1K

 

α11 α12 α1N

 

 

α11

 

,

 

α11 α12

 

,,

α21 α22

α2K

,,

α21 α22

α2N

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α21 α22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αK1 αK 2

αKK

 

αN1 αN2

αNN

 

из которых последний совпадает с определителем матрицы A,

называются главными минорами формы f.

 

 

ТЕОРЕМА 37 (критерий Сильвестра положительной определённости

действительной квадратичной формы). Квадратичная форма f от n

переменных с действительными коэффициентами тогда и только

тогда будет положительно определённой, когда все её главные

миноры строго положительны.

 

 

 

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Индукция по n. При N = 1 теорема верна, т.к. форма

f в этом случае имеет вид F

= α11X12 и потому положительно

49

определена тогда и только тогда, когда α11 > 0 . Далее предположим, что теорема верна в случае N −1 переменной и докажем её для форм

с n переменными.

Заметим, что если форма f с действительными коэффициентами, составляющими матрицу A, подвергается невырожденному линейному преобразованию с действительной матрицей Q, то знак определителя формы, т.е. определителя её матрицы, не меняется. Действительно, после указанного преобразования получаем

квадратичную форму с матрицей QTAQ , а т.к. QT = Q , то

 

QT A Q

 

=

 

A

 

 

 

Q

 

2 , т.е.

 

A

 

умножается на положительное число и его

 

 

 

 

 

 

 

 

 

знак не

 

меняется.

 

 

 

 

 

 

N N

 

 

 

 

 

 

Пусть дана квадратичная форма

F

 

 

 

 

 

 

= ∑∑αI J XI X J . Тогда её можно

записать в виде

 

 

 

 

 

 

I =1 J =1

 

 

 

 

 

 

 

 

N 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ,

 

(1)

 

 

F = ϕ (X1; X2; ; XN 1) + 2 αI N XI XN + αNN XN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ϕ – квадратичная форма от N −1 переменной, составленная из

тех членов формы

F, в которые не входит XN . Главные миноры ϕ

совпадают со всеми, кроме последнего

 

A

 

, главными минорами

 

 

формы F.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в этом случае тоже

Пусть форма F положительно определена. Форма ϕ

положительно определена, т. к. если бы нашлись значения

переменных X1,X2,…,XN 1 , не все равные нулю, при которых форма

ϕ получает не строго положительное значение, то, полагая

дополнительно XN

= 0 , получим, что форма F принимает не строго

положительное значение, хотя не все значения переменных

X1, X2,, XN 1, XN равны нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому по индуктивному предположению все главные миноры

формы ϕ, т.е. все главные миноры формы

F, кроме, быть может,

последнего, строго положительны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положительность последнего главного минора формы F, определителя

 

A

 

, вытекает, по замечанию выше, из того, что у формы F в

 

 

 

 

 

каноническом виде F = X12 + + XN

2 положительно определены все

главные миноры её матрицы QT A Q , а значит,

 

A

 

> 0 .

 

 

Наоборот, пусть строго положительны все главные

 

 

 

миноры формы F.

 

 

Тогда строго положительны и все главные миноры формы ϕ, и она

положительно определена по индуктивному предположению.

Следовательно, существует такое невырожденное линейное

преобразование переменных X1,X2,…,XN 1 , которое приводит форму

ϕ к виду суммы N −1 положительных квадратов от новых

переменных Y1,Y2,…,YN 1 . Это невырожденное линейное

преобразование можно дополнить до невырожденного линейного

преобразования всех переменных

X1,X2,…,XN , полагая

XN = YN .

Ввиду (1), форма приводится указанным преобразованием к виду

 

 

 

f = y12 + y22 + + yN 12 + 2N1βI J yI yN + βNN yN

2 .

 

 

(2)

Заметим, что

 

 

 

 

I

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ βI N YN )2 βIN2 YN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

YI 2 + 2βI N YI YN = (YI

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому невырожденное линейное преобразование

 

ZI = YI + βI N YN , ZN = YN , приводит f

из (2) к каноническому виду

50