17794

Лінійні і квадратичні форми. Приведення квадратичної форми до канонічного вигляду

Лекция

Математика и математический анализ

Лекція 9 Лінійні і квадратичні форми. Приведення квадратичної форми до канонічного вигляду. Лінійні форми Розглянемо nвимірний евклідів простір. Поставимо у відповідність до nвимірного вектора з цього простору певне дійсне число . Дістанемо числову функцію векторн

Украинкский

2013-07-05

38.84 KB

26 чел.

Лекція 9

Лінійні і квадратичні форми. Приведення квадратичної форми до канонічного вигляду.

Лінійні форми

Розглянемо n-вимірний евклідів простір. Поставимо у відповідність до n-вимірного вектора з цього простору певне дійсне число . Дістанемо числову функцію векторного аргументу

                                                         .                                                  (5.1)

Функція (5.1) називається лінійною функцією або лінійною формою, якщо справджуються такі умови:

  1.   = ,                                                                                         (5.2)
  2.   =  + ).                                                                    (5.3)

Із цих умов дістанемо ще одну умову:

                                                     (5.4)

Якщо при цьому  то

                                                                                                       (5.5)

Враховуючи цю умову, часто замість «лінійної функції» говорять про «лінійну однорідну функцію». У одновимірному просторі лінійна однорідна функція має вигляд

Якщо задано базис , n-вимірного простору, в якому координати вектора  то

На основі рівності (5.4)

Позначимо

тоді

                                                                (5.6)

Зазначимо, що при переході від одного базису до другого лінійні форми перетворюються так само, як і вектори базису.

5.2 Квадратичні форми

Квадратичною формою називається многочлен, однорідний відносно змінних другого степеня. Наприклад,

є квадратичні форми, а вираз

вже не є квадратичною формою.

Запишемо квадратичну форму двовимірного вектора , або двох зміних:

                 .                             (5.7)

Якщо =, то

                            ,                                    (5.8) або

                                                               (5.9)

Зазначимо, що умова =  виконується завжди. Справді, нехай , тоді

при цьому

Квадратична форма трьох змінних має вигляд

              (5.10)

або

    (5.11)

Вирази (5.9) і (5.11) можна записати у вигляді

                                                                                 (5.12)

 

Остання форма запису компактніша і дає змогу узагальнення на n-вимірний випадок. Так, для n-вимірного вектора формула (5.12) набирає вигляду

                                                                                 (5.13)

Матриця

                                                                               (5.14)

називається матрицею квадратичної форми (5.13). Для матриці А завжди справджується рівність . Матриця A є симетричною.

Введемо вектор-стовпець і матрицю-стовпець:

       і        

та вектор-рядок (матрицю-рядок)

Легко помітити, що

´.

Теорема. Квадратичну форму   завжди можна подати у вигляді скалярного добутку 

                                                                                             (5.15)

Доведення проведемо на прикладі квадратичної форми двох змінних. Розглянемо квадратичну форму двох змінних. Тоді

 

Теорему доведено.

Із доведення теореми випливає, що квадратичну форму  завжди можна подати у вигляді добутку матриць X´, A, X:

                                                                                               (5.16)

Розглянемо залежність зміни матриці квадратичної форми при зміні базису. Нехай дано ортонормований базис , в якому квадратична форма задана матрицею A. Нехай здійснюється перехід до нового ортонормованого базису , в якому квадратична форма має матрицю B. Знайдемо залежність між A і B. Використавши позначення (4.15), (4.16), де П´ - це матриця-стовпець, складена із векторів , можна записати

Введемо дві системи координат (стару і нову), які відповідають двом базисам: П і П´. Розмістимо початки цих систем у одній точці і позначимо один і той самий вектор у двох базисах відповідно матрицям X і Y. Тоді

                                                         

Підставимо значення X і X у формулу (5.16):

(5.17)

але

                                                                                               (5.18)

Порівнюючи вирази (5.17) і (5.18), знаходимо

                                                                                                       (5.19)

Таким чином, при зміні базису матриця квадратичної форми у новому базисі має вигляд (5.19).

Якщо матриця квадратичної форми має діагональний вид, то квадратичну форму називають канонічною.

Канонічна квадратична форма має вигляд

                                                                              (5.20)

де – координати вектора  у новому базисі. Для форми (5.20) матриця A має діагональний вигляд, тобто

                                                                                         (5.21)

Напрями, в яких квадратична форма має вигляд (5.20), називаються головними напрямами або напрямами власних векторів.

Теорема. Із власних векторів матриці квадратичної форми можна побудувати ортонормований базис. У цьому базисі квадратична форма має канонічний вигляд.

Справді, якщо за базис вважати ортонормовану систему власних векторів, то матриця A матиме діагональний вигляд, а квадратична форма – канонічний.

Таким чином, щоб квадратичну форму привести до канонічного вигляду, потрібно:

  1.  знайти матрицю A квадратичної форми;
  2.  знайти власні числа , ,…, і власні вектори  матриці A;
  3.  записати в канонічному вигляді квадратичну форму.

Приклад. Привести до канонічного вигляду квадратичну форму

Р о з в’я з а н н я. 1) Складемо матрицю квадратичної форми

  1.  Записуємо характеристичне рівняння

=0,

звідки

Розв’язуючи останнє рівняння, знаходимо власні числа

Позначимо координати вектора у системі власних векторів матриці через  Тоді квадратична форма має вигляд

  1.  Знаходимо ортонормовані власні вектори матриці

Координати l, m, n задовільняють систему рівнянь

                                                                                       (5.22)

Покладемо  тоді система набере вигляду

Ця система має єдиний розв’язок

Значення компоненти будь-яке. Щоб вектор  був нормованим, покладемо

Маємо  Оскільки то система (5.22) набере вигляду

Звідси

Нормуючи, дістанемо

тобто

Для третього власного числа  маємо із (5.22) систему

звідси

Нормуючи  знаходимо

Тобто вектор 

Відповідь. Канонічна форма квадратичної форми

власні вектори квадратичної форми

ВПРАВА. Привести до канонічного вигляду квадратичної форми і знайти їхні власні вектори, якщо:

а) Ф𝑥, 𝑥=3𝑥2−48𝑥𝑦+27𝑦2;

б)

в)

г)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81251. Инструментальные средства для разработки ППС, их достоинства и недостатки. Экспертная оценка ППС 35.7 KB
  Экспертная оценка ППС. Зайнутдинова предлагает различать 3 типа компьютерных обучающих программ: педагогические программные средства ППС компьютерные учебные программы одноцелевого назначения: сервисные контролирующие тренажеры моделирующие демонстрационные и т. Процесс создания ППС Педагогический сценарий детализирует структуру учебного материала и последовательность его изложения Технологический сценарий детализируетя технология представления Кодирование технологического сценария Технология разработки ППС рассмотрение принципов...
81252. Понятие государства 38.69 KB
  Суть ее в том что государство возникает в результате раскола общества на антагонистические классы и является исторически переходящим явлением. С исчезновением классов государство неизбежно должно отмереть. Естественноправовая договорная теория которая выводит государство из соглашения между правителями и подданными заключаемого в целях организации общественной жизни.Гумплович считал что государство возникло как результат порабощения слабых групп более организованными и более сильными.
81253. Типология государств; формационный и цивилизационный подходы 39.33 KB
  Типология государства это научная классификация государств по определенным типам на основании их общих признаков отражающая свойственные данному типу государств общие закономерности возникновения развития и функционирования. Центральным в типологии государства является понятие типа государства. Понятие тип государства служит для обозначения наиболее общих черт различных государств дающих возможность определить типовую принадлежность государства то есть его родство с другими государствами. Тип государства это совокупность общих...
81254. Государство и экономика 37.86 KB
  При построении системы государственного регулирования экономики здесь господствует принцип максимальной возможности: все экономические процессы которые в принципе поддаются централизованному регулированию должны управляться центральными органами. Методы государственного регулирования экономики. Административные или прямые методы регулирования ограничивают свободу выбора хозяйствующего субъекта. Например директивные плановые задания по объему и ассортименту производимой продукции или централизованно установленные цены на товары и услуги...
81255. Понятие формы государства 35.49 KB
  Научное исследование различных аспектов формы государственности имеет важное теоретическое и практическое значение. Более полное конкретное представление о форме государства дает анализ 3х его составляющих формы правления государственного устройства государственно правового режима.
81256. Монархическая форма правления 43.24 KB
  Другой важной формой правления является регентство временное коллегиальное или единоличное осуществление полномочий главы государства в монархиях в случае продолжительной болезни малолетства или временного отсутствия монарха. В зависимости от принципа наследования власти монархия может быть династической родовой и выборной. Гораздо чаще нам встречается родовая монархия где действовал принцип принадлежности к царскому роду.
81258. Форма государственного устройства 39.69 KB
  Конституция разграничивает полномочия субъектов и самой федерации.Территория федерации состоит из: а Субъектов которые по-разному называются. Субъекты федерации могут принимать свои конституции законы постановления и другие нормативно-правовые акты.
81259. Демократический политический режим 38.4 KB
  Демократическая политическая система это организация легальной опирающейся на законы и подконтрольной обществу власти. В демократическом государстве народ является источником власти. Профессионализация власти отличительный признак государства в котором существует демократический политический режим.