Если обозначить

, , (7.16)

, (7.17)

то (7.15) запишется в виде

.

Сравнивая (7.13) и (7.16), (7.10) и (7.17), замечаем, что

, .

Завершает доказательство цепочка рассуждений:

{ – центр симметрии Ф} { – центр симметрии Ф}

{ } { }.◄

Вывод. Если с помощью параллельного переноса поместить начало координат в центр симметрии кривой второго порядка, то при этом: квадратичная часть ее уравнения не изменится; слагаемые первой степени пропадут; свободный член нового уравнения можно найти по формуле .

Точно так же доказываются аналогичные утверждения и для поверхностей второго порядка.

Пример. Определить вид поверхности второго порядка

,

приведя ее уравнение к каноническому виду, и нарисовать эту поверхность.

▼1. Проверяем существование центра симметрии. Для этого вычисляем частные производные и составляем систему вида (7.14):

Решая эту систему, находим . С помощью параллельного переноса помещаем начало координат в центр поверхности . При этом квадратичная часть уравнения не изменится, слагаемые первой степени пропадут, свободный член .

2. Приводим к каноническому виду квадратичную часть.

; ,

; .

Рис.7.2

Записываем каноническое уравнение поверхности:

или

и видим, что это однополостный гиперболоид.

Находим базис, состоящий из собственных векторов, используя алгебраические дополнения:

; ; .

Заметим, что нормировать базисные векторы нет необходимости. Нормированные векторы были бы нам нужны для записи ортогонального преобразования переменных, приводящего квадратичную часть к каноническому виду. Но в данном примере это преобразование не используется. Остается поверхность нарисовать (рис. 7.2). ▲

§ 5. Изометрии

Определение. Линейный оператор f евклидова пространства Е в себя называется изометрией, если он сохраняет скалярное произведение, т. е. если

(7.18)

Изометрии в комплексном евклидовом пространстве называются унитарными операторами, а в действительном – ортогональными.

Теорема 7.10. Если  – собственное значение изометрии, то ||=1.

►Пусть – собственный вектор изометрии ,  – его собственное значение. Положим . Тогда: (7.18) .◄

Замечание. Собственные значения ортогонального оператора равны 1 или –1. Ортогональный оператор в пространстве четной размерности может и не иметь собственных значений, но в пространстве нечетной размерности имеет хотя бы одно.

Теорема 7.11. Для того чтобы линейный оператор был изометрией, необходимо и достаточно, чтобы он сохранял длины векторов.

►Необходимость очевидна.

Достаточность (доказываем для комплексного случая). Пусть f сохраняет длины векторов, т. е. . Тогда :

. (7.19)

Так как (7.19) справедливо для всех комплексных , то при  = 1 получаем . Если же , то (7.19) принимает вид , и, таким образом, утверждение доказано.◄

Следствие. Ортогональный оператор сохраняет углы между векторами.

Теорема 7.12. Изометрия любой ортонормированный базис пространства переводит в ортонормированный базис. Обратно, если линейный оператор некоторый ортонормированный базис пространства переводит в ортонормированный базис, то f – изометрия.

►Первое утверждение, очевидно, справедливо. Действительно, согласно определению, ортонормированный базис переходит в ортонормированную систему из n векторов, которая в силу теоремы 6.4 линейно независима и поэтому в n-мерном линейном пространстве является базисом.

Обратно. Пусть линейный оператор некоторый ортонормированный базис

(7.20)

пространства переводит в ортонормированный базис

, (7.21)

и пусть и – произвольные векторы пространства . Тогда каждый из векторов и можно разложить по базису (7.20): Так как базисы (7.20) и (7.21) ортонормированны, то . Значит,

и, таким образом, f – изометрия.◄

Теорема 7.13. Для того чтобы линейный оператор был изометрией, необходимо и достаточно, чтобы .

►На основании теоремы 7.2 любой линейный оператор имеет сопряженный. Тогда:

{f – изометрия}

[лемма 7.1] { }. (7.22)

Если А – матрица оператора в некотором ортонормированном базисе пространства , то – матрица оператора в том же базисе, и из (7.22) для изометрии получаем

. (7.23)

Из (7.23) вытекает, во-первых, что матрица изометрии невырождена, значит, любая изометрия – невырожденный линейный оператор, причем . Во-вторых, для того чтобы линейный оператор f комплексного евклидова пространства в себя был унитарным, необходимо и достаточно, чтобы его матрица в некотором, а значит, и в любом ортонормированном базисе пространства была унитарной. Для того чтобы линейный оператор f действительного евклидова пространства в себя был ортогональным, необходимо и достаточно, чтобы его матрица в некотором, а значит, и в любом ортонормированном базисе пространства была ортогональной.◄