《线性代数》学习指导 第六章 二次型(37P).doc

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第八章 二次型 内容提要: 1. 二次型及其标准形的概念 定义1 包含个变量的二次齐次函数 称为一个元二次型,简称二次型. 若记,则二次型的矩阵形式为,其中A为n阶实对称矩阵,称为二次型的矩阵,A的秩称为二次型的秩. 2. 二次型的标准形和规范形 定义2 经可逆线性变换所得的只含平方项的二次型称为原二次型的标准形 定义3系数为1或0的标准形称为复二次型的规范形;系数为1、-1或0的标准形称为实二次型的规范形. 3. 矩阵的合同 定义4 设A ,B为n阶矩阵,若存在可逆矩阵C ,使得 则称A与B合同 矩阵合同具有以下性质: ① 反身性: n阶矩阵A与A合同; ② 对称性: 若A与B合同,则B与A合同; ③ 传递性: 若A与B合同,B与C合同,则A与C合同 4. 化二次型为标准形或规范形 (1)经可逆线性变换,原二次型矩阵和新二次型的矩阵合同. (2)任意一个实二次型经可逆线性变换可化为标准形. 即:任意一个实对角矩阵都与一个对角阵合同. (3)任意一个实二次型都可经过正交变换化为标准形. 定理 (惯性定理)任意一实二次型都可经过可逆线性变换化为规范形,且规范形唯一. 5. 正定二次型和正定矩阵 5.1正定二次型 定义5 设为一个实二次型,若对任意一组不全为零的实数实二次型的值 (8.19) 则称为正定二次型,并称正定二次型的矩阵为正定矩阵. 5.2二次型正定的充要条件 设n元实二次型,则下列几个条件等价: (1) f为正定二次型; (2) A的特征值全为正; (3) f的正惯性指数为n ; (4) A合同于单位阵E ; (5) 存在n阶非奇异矩阵C ,使得A = 重点难点 1. 二次型及其矩阵表示 合同变换与合同矩阵 二次型的秩 惯性定理 二次型的标准形和规范形 用正交变换和配方法化二次型为标准形 二次型及其矩阵的正定性1. 了解二次型的概念,会用矩阵形式表示二次型,了解合同变换和合同矩阵的概念. 2. 了解二次型的秩的概念,了解二次型的标准形、规范形等概念,了解惯性定理,正交变换和配方法化二次型为标准形. 3. 理解正定二次型、正定矩阵的概念,并掌握其判别法. 解  二次型矩阵为 , 故的特征值为 当时,可得单位特征向量, 当时,可得单位特征向量, 当时,可得单位特征向量,. 于是正交变换为 且有. 例2.判别下列二次型的正定性: (1); (2) 分析 可用顺序主子式方法判断 解  (1) 的矩阵为, ,,, 故为负定. (2) ,,, ,. 故为正定. 例3 二次型的秩为 . 分析二次型的秩即对应的矩阵的秩, 亦即标准型中平方项的项数, 于是利用初等变换 或配方法均可得到答案. 解 因为 于是二次型的矩阵为 , 由初等变换得 , 从而 , 即二次型的秩为2. 例4 设为阶正定阵,下列命题正确的是: (A)若A合同于B,则A相似于B (B)若A相似于B,则A合同于B (C)若A合同于B,则A与 B等价 (D)若A与 B等价,则A合同于B 解 由等价、相似、与合同的定义可知:若A合同于B,由于一般矩阵,故不能推出A相似于B.反之由A相似于B,也不能推出A合同于B.但A合同于B时,则A与 B必等价,所以选(C). 例5 设矩阵 ,则合同于矩阵 解:答案(C)和矩阵的特征值有相同正负个数,即由相同的惯性指数所以选(C) 例6 对于二次型其中为阶实对称矩阵,下述结论中正确的是 (A)化为标准形的可逆线性变换是唯一的 (B)化为规范形的可逆线性变换是唯一的 (C)的标准形是唯一的 (D)的规范形是唯一的 解 二次型化为标准形或规范形有不同的方法,对应的可逆线性变换也不相同,但正、负惯性指数及非零平方项个数一定是唯一确定的,所以选(D) 例8 设矩阵 已知的一个特征值为3,试求. 求矩阵,使为对角阵. 分析 (1)可将的一个特征值3代入方程即可求解 (2) 注意到是对称阵,所以,求出的标准形即可. 解 (1)将特征值3代入矩阵的特征多项式解得 由(1)结果可知 因为,所以 对应于的二次型为 作线性变换: 即: 将代入二次型,得 即 矩阵,使得 例9设阶矩阵为正定矩阵,试证也是正定矩阵 证明 因为正定矩阵,故存在可逆矩阵,使得 且依然为对称矩阵,所以也是正定矩阵. 五.习题解析 习题8.1 1.写出下列二次型的矩阵. (1) (2) (3) 解

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