第五章5-7二次型及其标准型正定二次型概述.ppt

§5 二次型及其标准形 一、二次型及其标准形的概念 二、二次型的表示方法 二、二次型的表示方法 三、二次型的矩阵及秩 四、化二次型为标准形 五、小结 思考题 思考题解答 思考题 思考题解答 §6 用配方法化二次型成标准形 一、拉格朗日配方法的具体步骤 二、小结 思考题 思考题解答 §7 正定二次型 一、惯性定理 二、正定二次型的概念 三、正(负)定二次型的判别 四、小结 思考题 思考题解答 实二次型的化简问题，在理论和实际中经常 遇到，通过在二次型和对称矩阵之间建立一一 对应的关系，将二次型的化简转化为将对称矩 阵化为对角矩阵. 2.　实二次型的化简，并不局限于使用正交矩阵，根据二次型本身的特点，可以找到某种运算更快的可逆变换．下一节，我们将介绍另一种方法—拉格朗日配方法． 化为标准型，并指出 表示何种二次 曲面. 求一正交变换，将二次型 化为标准型 求一正交变换，将二次型 一、拉格朗日配方法的具体步骤 二、小结 　　问题　有没有其它方法，也可以把二次型化 为标准形？ 　　问题的回答是肯定的。下面介绍一种行之有 效的方法——拉格朗日配方法． 　　1.　若二次型含有 的平方项，则先把含有 的乘积项集中，然后配方，再对其余的变量同 样进行，直到都配成平方项为止，经过非退化线 性变换，就得到标准形 . 拉格朗日配方法的步骤 例1 解 含有平方项 所用变换矩阵为 　　1.　若二次型含有 的平方项，则先把含有 的乘积项集中，然后配方，再对其余的变量同 样进行，直到都配成平方项为止，经过非退化线 性变换，就得到标准形; 拉格朗日配方法的步骤 　　2.　若二次型中不含有平方项，但是 则先作可逆线性变换 化二次型为含有平方项的二次型，然后再按1中方 法配方. 解 例2 由于所给二次型中无平方项，所以 再配方，得 所用变换矩阵为 　　将一个二次型化为标准形，可以用正交变换 法，也可以用拉格朗日配方法，或者其它方法， 这取决于问题的要求．如果要求找出一个正交矩 阵，无疑应使用正交变换法；如果只需要找出一 个可逆的线性变换，那么各种方法都可以使用． 正交变换法的好处是有固定的步骤，可以按部就 班一步一步地求解，但计算量通常较大；如果二 次型中变量个数较少，使用拉格朗日配方法反而 比较简单．需要注意的是，使用不同的方法，所 得到的标准形可能不相同，但标准形中含有的项 数必定相同，项数等于所给二次型的秩． 一、惯性定理 二、正定二次型的概念 三、正(负)定二次型的判别 　　一个实二次型，既可以通过正交变换化为标 准形，也可以通过拉格朗日配方法化为标准形， 显然，其标准形一般来说是不唯一的，但标准形 中所含有的项数是确定的，项数等于二次型的秩． 为正定二次型 为负定二次型 例如 证明 充分性 故 * 一、二次型及其标准形的概念 二、二次型的表示方法 三、二次型的矩阵及秩 四、化二次型为标准形 称为二次型. 例如 都为二次型 . 称为 n 元二次型, 简称二次型 只含有平方项的二次型 称为二次型的标准形． 例如 为二次型的标准形. 只含有平方项的二次型 称为二次型的标准形（或法式）． 若标准形的系数k1,k2,……,kn 只在 1, －1, 0, 三个数中取值 , 能使 则称上式为二次型的规范形. 在规范形中,正平方项的个数p称为f的正惯性指数； 负平方项的个数r-p称为f的负惯性指数 它们差p-(r-p)=2p-r称为f的符号差. 例如 1．用和号表示 对二次型 2、用矩阵表示 　　在二次型的矩阵表示中，任给一个二次型， 就唯一地确定一个对称矩阵；反之，任给一个对 称矩阵，也可唯一地确定一个二次型．这样，二 次型与对称矩阵之间存在一一对应的关系． 解 所求矩阵为 二次型的标准形的矩阵为对角矩阵 例2 定义 间的关系式 线性变换. 系数矩阵 若|A|≠0,则称该线性变换为可逆(非奇异；满秩)的线性变换. 设 　　对于二次型，我们讨论的主要问题是：寻求 可逆的线性变换，将二次型化为标准形． 说明 下面探讨将二次型化为标准形 证明 即 为对称矩阵. 定义2 设A和B是n阶矩阵，若有可逆矩阵C, 使B＝CTAC,则称矩阵A和B合同. 推论 用正交变换化二次型为标准形的具体步骤 解 step1．写出对应的二次型矩阵，并求其特征值 例3 从而得特征值 step2．求特征向量 step3．将特征向量正交化 得正交向量组 step4．将正交向量组单位化，得正交矩阵P 于是所求正交变换为 化为标准型，并指出曲面的类型. 例5 求一正交变换，将二次曲面 解: