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

25 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

29243. Культурологическое образование в России 32 KB
  Главная сложность введения культурологии в систему высшего образования заключалась в том что отечественная культурологическая наука представляла и до сих пор представляет собой полностью эклектическую конструкцию. Первые шаги в организации специального культурологического образования были предприняты в одном из первых негосударственных вузов страны Российском открытом университете где в 1990 началось формирование факультета и кафедры искусствознания и культурологии. В 1995 на базе этого факультета была создана Высшая школа...
29244. Культура 41.5 KB
  Это совпадение имени симптоматично оно лишний раз подчеркивает единство культуры народов включенных в орбиту европейского мира является знаком своеобразной культурной общности всех разноплеменных носителей европейских языков. Понятие цивилизация воспринимается как синоним слова культура В немецкой традиции впервые было сформулировано и стало весьма популярным представление о различии культуры и цивилизации. Со второй половины Х1Х века идея противопоставления культуры и цивилизации приобрела особое значение и...
29245. Религия как культурный феномен 30.5 KB
  Именно религия дает ответ на главный вопрос всех ценностнонормативных систем. Религия формирует у человека чувство независимости и уверенности в себе.Дюркгейм сравнивал религию в качестве интегратора социокультурных систем с клеем поскольку именно религия помогает людям осознавать себя как духовную общность скрепленную общими ценностями и общими целями.
29246. Феномен Ренессанса 37 KB
  Расцвет культуры Ренессанса приходится на XV XVI вв. В этой связи культура Ренессанса рассматривается как отрицание средневековья как антитеза средневековой схоластике. Такова самая общая в значительной мере поверхностная характеристика Ренессанса.
29247. Феномены русской, российской, советской культуры 52.5 KB
  Проблема самосознания русской культуры. Этапы становления русской идеи. Формирование русской национальной культуры на протяжении веков проходило в русле этнического разнообразия преодоления разобщенности в условиях интенсивного воздействия извне: соединение Запада и Востока наслоение различных этнических и региональных культурных типов временных компонентов конфессиональных общностей.
29248. Понятие культурной самоидентичности 32 KB
  Современные глобальные проблемы есть следствие логическое продолжение глубокой структурной несогласованности человеческой субъективности кризиса его самоидентичности. Распад социальной системы начинается с распада социальных связей и разрушения социальных субъектов кризиса их личностных ценностных ориентации и утраты самоидентичности. Проблема самоидентичности является стержнем ядром всей социальной проблематики.
29249. Символ. Смысловая структура символа 53.5 KB
  Языком культуры в широком смысле этого понятия называются те средства знаки символы тексты которые позволяют людям вступать в коммуникативные связи друг с другом ориентироваться в пространстве культуры. Язык культуры это универсальная форма осмысления реальности в которую организуются все вновь возникающие или уже существующие представления восприятия понятия образы и другие подобного рода смысловые конструкции носители смысла. Основной структурной единицей языка культуры с точки зрения семиотики являются знаковые системы.Любой...
29250. Культура как смысловое поле человеческой жизнедеятельности и способ реализации творческих возможностей человека 60.5 KB
  Речь не о какомто единственном и едином способе деятельности а о целом их ансамбле таком же сложном как и система созидательных способов деятельности деятельность распредмечивания изоморфносимметрична деятельности опредмечивания. Но и зеркально симметричным и возвращает нас к исходному пункту деятельности человеку. Какими качествами он должен обладать чтобы выполнить эту функцию Человек субъект деятельности.
29251. КУЛЬТУРА ЗАПАДНОЕВРОПЕЙСКОГО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ 53.5 KB
  В этом исторически длительном социокультурном процессе развития феодального общества вырабатывался своеобразный тип отношений человека к миру качественно отличающий его как от культуры античного общества так и от последующей культуры Нового времени эпохи буржуазного производства. Именно христианство стало основной осью складывающегося с V века в Западной Европе мира которая влияла на все стороны жизни человека его духовные приоритеты устои общества. Следование этому образцу становилось смыслом жизни каждого человека так как...