
- •Математика
- •Л. И. Майсеня, а. А. Ермолицкий, и. Ю. Мацкевич, э. Е. Кузьмицкая, с. С. Каянович
- •23. Линейные пространства
- •23.1. Линейное пространство, определение и примеры
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •23.2. Евклидово пространство, определение
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •23.3. Линейные операторы. Матрица
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •23.4. Собственные векторы и собственные значения
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •23.5. Квадратичные формы, приведение уравнения
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
I уровень
1.1. Найдите собственные векторы и собственные значения линейного преобразования, заданного в некотором базисе матрицей А:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
II уровень
2.1. Найдите собственные векторы и собственные значения линейного преобразования, заданного в некотором базисе матрицей А:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
III уровень
3.1. Найдите собственные векторы и собственные значения линейного преобразования, заданного в некотором базисе матрицей А:
1)
2)
3.2. Найдите собственные значения квадратной диагональной матрицы порядка n.
3.3. Найдите собственные значения квадратной треугольной матрицы порядка n.
3.4.
Известны собственные значения
матрицыA.
Найдите
собственные значения матрицы B,
если матрица B
равна:
1)
2)
23.5. Квадратичные формы, приведение уравнения
кривой и поверхности 2-го порядка
к каноническому виду
Квадратичной
формой переменных
называется однородный многочлен второй
степени относительно этих переменных:
(23.20)
где
– числовые коэффициенты
Квадратичная форма (23.20) не содержит свободного члена и одночленов 1-й степени.
Квадратичную
форму можно записать так, что коэффициенты
при
и
будут равны, поэтому будем считать, что
Матрица
(23.21)
составленная из коэффициентов квадратичной формы, называется матрицей квадратичной формы.
Квадратичная форма (23.20) может быть записана в виде
(23.22)
где А
– матрица (23.21),
X – матрица-столбец переменных.
Если
– собственные числа матрицы (23.21), то
квадратичная форма имеет канонический
вид:
(23.23)
Если
то квадратичная форма (23.20) имеет вид:
(23.24)
если
то –
(23.25)
Понятие «квадратичная форма с двумя переменными» используют для приведения уравнения линии второго порядка к каноническому виду, а c тремя переменными – для приведения уравнения поверхности второго порядка к каноническому виду.
Как известно, множество точек плоскости, координаты которых удовлетворяют уравнению:
(23.26)
в
декартовой системе координат
называетсялинией
второго порядка.
Пусть
дано уравнение (23.26). Рассмотрим
квадратичную форму
с матрицей
в базисе
Существует ортонормированный базис
составленный из собственных векторов
матрицыА,
в котором матрица В
квадратичной формы f
имеет вид:
где
– собственные значения матрицыA.
Сделав замену координат, приводим
уравнение (23.26) к виду:
(23.27)
Далее выделяем полные квадраты и приводим уравнение к каноническому уравнению кривой 2-го порядка.
Множество
точек
координаты которых удовлетворяют
уравнению:
(23.28)
в
декартовой системе координат
называетсяповерхностью
второго порядка в
Старшие
члены уравнения
(23.28) образуют квадратичную форму f
с матрицей A
в указанном базисе
где
Существует
ортонормированный базис
составленный из собственных векторов
матрицыA,
в которых квадратичная форма f
имеет канонический вид. Сделав замену
координат, приводим уравнение (23.28) к
виду:
(23.29)
где
– собственные значения матрицыА.
Далее выделяем полные квадраты и сводим уравнение к каноническому виду.
Пример
1.
В базисе
задана квадратичная форма
Записать матрицуА
формы f
в этом базисе.
Решение.
Учитывая, что
записываем
Тогда
Пример
2.
В базисе
пространства
задана квадратичная форма
Привести эту формуf
к каноническому виду, выписав
соответствующий базис
и матрицу перехода отстарого
базиса
к
новому
Решение.
Матрица A
формы f
в базисе
имеет следующий вид:
Находим собственные значения и собственные
векторы матрицыA:
Получаем:
Для
имеем:
откуда
т. е.
Нашли собственный вектор
Для
него
Поэтому
Для
имеем:
откуда
Получили
собственный вектор
для которого
Тогда
Новый
базис:
Далее:
где
Пример
3.
В базисе
пространства
задана квадратичная форма
Привести эту формуf
к каноническому виду, записав
соответствующий базис
и матрицуC
перехода от старого базиса
к новому
Решение.
Матрица A
формы f
в базисе
имеет следующий вид:
Находим собственные значения и собственные
векторы матрицыA:
откуда
Тогда
Последовательно находим:
1)
Собственный
вектор
2)
Собственный
вектор
3)
Собственный
вектор
Таким
образом получили новый базис:
Пример
4.
В некотором базисе пространства
задана квадратичная форма
Найти канонический вид этой квадратичной формы.
Решение. Запишем матрицу формы f в этом базисе и найдем собственные значения этой матрицы A:
Получаем:
Тогда в некотором новом базисе квадратичная форма f по формуле (23.23) имеет следующий вид:
Пример
5.
В системе координат xOy
плоскости
задана линия второго порядка
Найти каноническое уравнение этой линии
в некоторой декартовой системе координат
а также зависимость между координатами
и
Решение.
Рассмотрим квадратичную форму
и приведем ее к каноническому виду (см.
пример 2, с. 33 данного пособия):
где
Тогда по формуле замены координат имеем:
Значит
Подставляя в уравнение линии, получаем:
В последнем уравнении, выделив полные квадраты, получим:
Пусть
Тогда
т. е.
– уравнение гиперболы.
Зависимость между старыми и новыми координатами задается равенствами:
Пример
6.
В системе координат
пространства
задана поверхность второго порядка
Найти каноническое уравнение этой
поверхности в некоторой декартовой
системе координат
а также зависимость между координатами
(x;
y;
z)
и
Решение.
Рассмотрим квадратичную форму
и приведем ее к каноническому виду (см.
пример 3, с. 34 данного пособия):
где
Согласно формуле замены координат имеем:
откуда
Подставляя в уравнение поверхности, получаем:
Выделяя полные квадраты, получим:
Пусть
Тогда получаем
Приходим к уравнению
которое определяет двуполостный гиперболоид.
Переход к каноническому виду уравнения был произведен с помощью следующих преобразований координат:
т. е.
Задания