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《线性代数》学习指导 第六章 二次型(37P).doc
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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