- •2.23. Плоскость и гиперплоскость
- •Прямая линия
- •Линейные операторы
- •2.26. Матрица линейного оператора в заданном базисе
- •Умножение оператора на число
- •Оператор проектирования (р)
- •Оператор гомотетии6 (н)
- •2.28. Геометрический смысл матрицы линейного оператора
- •2.29. Действия с операторами
- •Сложение операторов
- •Произведение операторов
- •Обратный оператор
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.30. Сопряженный оператор. Сопряженная матрица
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.31. Самосопряженные операторы. Симметричные матрицы
- •2.32. Собственные значения и собственные векторы линейного оператора
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.33. Изменение матрицы линейного оператора при преобразовании базиса
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.34. Преобразование ортонормированного базиса в ортонормированный
- •2.35. Квадратичные формы
- •2.35.1. Приведение квадратичной формы к каноническому виду
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.35.2. Приведение общего уравнения кривых второго порядка к каноническому виду
2.35. Квадратичные формы
2.35.1. Приведение квадратичной формы к каноническому виду
Квадратичной формой переменных называется однородный многочлен второй степени
(2.35.1)
Из коэффициентов
при этом можно образовать матрицу
которая
называется матрицей квадратичной
формы.
При n = 2 из (2.35.1) получаем квадратичную форму двух переменных
Из последней формулы ясно, что, не
ограничивая общности, можно считать
т.е.
(2.35.2)
Таким образом, матрица
квадратичной формы является симметричной.
Если ввести вектор
и обозначить через А самосопряженный
оператор, отвечающий матрице
в ортонормированном базисе
,
то (35.1) можно записать короче:
(2.35.3)
Равенство (2.35.3) следует из известных соотношений:
При изменении базиса матрица квадратичной
формы тоже изменяется (как матрица
линейного оператора). Говорят, что
квадратичная форма приведена к
каноническому виду, если все
при
.
Это означает, что для приведения
квадратичной формы к каноническому
виду нужно избавиться от слагаемых,
содержащих произведения переменных.
Так как оператор А является самосопряженным,
он имеет
взаимно ортогональных собственных
векторов, определяющих новый
ортонормированный базис
,
в котором матрица квадратичной формы
принимает диагональный вид.
Совершая переход от старого базиса к новому , мы приведем матрицу к диагональному виду
(2.35.4)
где
собственные значения
матрицы
.
Тогда вместо (2.35.1) в новой системе
координат мы получим более простую
формулу. Действительно, вектору
в новом базисе будет соответствовать
вектор
Поэтому в каноническом виде квадратичная форма выглядит следующим образом:
(2.35.5)
где
образ вектора
в новом базисе. Коэффициенты при квадратах
переменных в (2.35.5) являются собственными
значениями матрицы А.
З а м е ч а н и е. На плоскости или в пространстве переход от старого базиса к новому с геометрической точки зрения осуществляется поворотом осей координат так, что новые оси будут направлены по новым базисным векторам.
Для того, чтобы проверить, сохранилась
ли ориентация системы координат при
переходе к новому базису, вычисляют
определитель
,
столбцами которого являются координаты
единичных собственных векторов матрицы
.
Если
,
то ориентация сохранилась, если
,
то ориентацию осей следует изменить.
На основании изложенного процедура приведения квадратичной формы к каноническому виду состоит в следующем:
составить матрицу квадратичной формы;
составить характеристическое уравнение
матрицы
;вычислить собственные значения матрицы А;
составить однородную систему уравнений
и найти собственные векторы матрицы
;
5) образовать новый ортонормированный базис из собственных векторов;
записать канонический вид квадратичной формы.
Принята следующая классификация
квадратичных форм: если все
,
то квадратичная форма называется
положительно определенной; если
все
,
то отрицательно
определенной; если все
или все
(но имеется хотя бы одно значение
),
то знакопостоянной;
если среди
есть и положительные и отрицательные
значения, то
знакопеременной.
В качестве примера приведем к каноническому виду квадратичную форму
Р е ш е н и е
матрица квадратичной формы;
характеристическое уравнение;
собственные значения матрицы
;
система для определения координат собственных векторов.
ориентация новой системы
верна;в базисе имеем
канонический вид квадратичной формы.
Отметим, что процедура приведения квадратичной формы к каноническому виду используется при исследовании и приведении к каноническому виду общего уравнения второй степени
