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

22738. Зовнішня політика адміністрації Трумена. «Доктрина Трумена» 33 KB
  Американский империализм стремился использовать финансовоэкономические трудности Англии усугубленные кабальным займом полученным ею от США в июле 1946 г. Американские дипломаты убеждали своих английских коллег что для их правительства самым благоприятным выходом была бы передача этой доли наследства в руки США как для облегчения финансового бремени Англии так и для ухода от той критики которой повсеместно подвергался британский империализм за его интервенцию в Греции. правительство США получило две британские ноты в которых...
22739. Американська стратегія ’’гнучкого реагування’’ у 60-ті рр 30.5 KB
  В месте тем разработчики плана учитывали и возможность нанесения Советским Союзом ответного ядерного удара по территории США. Внезапное для США появление советских ракет средней дальности на Кубе и отсутствие у них подавляющего превосходства в количестве МБР и БРПЛ над Советским Союзом сделали военный путь разрешения конфликта невозможным. Желания военных нашли должную поддержку в сенате США. Учитывая такие факторы как практически безраздельное господство ВМС США и объединенного флота НАТО на просторах мирового океана в начале 60х годов...
22740. Канада і НАФТА 44 KB
  Канада і НАФТА. Североамериканскиое соглашение о свободной торговле НАФТА между Канадой Соединенными Штатами Америки и Мексикой вступило в силу 1 января 1994 года. Созданное для поощрения увеличения торговли и инвестиций между партнерами по НАФТА Соглашение содержит грандиозный план уничтожения тарифов и сокращения нетарифных барьеров наряду с обстоятельными положениями по ведению бизнеса в зоне свбодной торговли. НАФТА увеличила доступ Канады на американский и мексиканский рынки а также повысила привлекательность канадской экономики для...
22741. Латиноамериканський курс адміністрації Дж. Картера 23.5 KB
  Планы укрепления агрессивной межамериканской военной системы консолидации правых режимов на континенте были приняты на вооружение и администрацией США во главе с Дж. Столкнувшись с падением престижа США в Латинской Америке и стремясь укрепить здесь свои позиции официальный Вашингтон возвестил о пересмотре политики в отношении латиноамериканских государств. Дипломатия США стала усиленно афишировать свой постоянный интерес к этим странам. Президент США Дж.
22742. Етапи війни США у Кореї 82 KB
  Етапи війни США у Кореї. Поэтому сейчас взрывы в Японии рассматривались как начало атомного шантажа США. Эта ошибка в переоценке своих сил вынудили США заплатить за нее очень дорого сначала в Корее а затем во Вьетнаме. Дело состояло в следующем: СССР допустив США в Корею справедливо считала что американцы в свою очередь выделят СССР зону оккупации в Японии.
22743. Основні напрямки зовнішньої політики США на початку 70-х рр 31 KB
  Зайнявши Білий дім 37й американський президент уже в липні 1969 року проголосив нову стратегію США у в'єтнамській війні яка отримала назву доктрини Ніксона . Вже в червні 1969 року почалася евакуація півмільйонного американського контингенту з Південного В'єтнаму. На травень 1972 року тут залишалось 69 тисяч американців. на думку деяких істориків змусило Ханой підписати у Парижі 27 січня 1973 року угоду про припинення військових дій та відновлення миру у В'єтнамі .
22744. Посилення холодної війни США проти соціалістичних країн у період першого президентства Д. Ейзенхауера 31 KB
  Посилення холодної війни США проти соціалістичних країн у період першого президентства Д. Они пожинали плоды послевоенного экономического подъема когда материальное благополучие США еще больше возросло. В 60е годы политизированное студенчество выступило против международной роли США особенно в разрушительной войне во Вьетнаме. Сама жизнь подводила граждан США к поискам нового социального равновесия в стране.
22745. Африканська політика адміністрації Дж. Картера 26.5 KB
  Киссинджер пытались наладить отношения с будущими партнёрами национальноосвободительными силами на юге Африки которые стремились расширить круг своих сторонников на международной арене использовать противоречия международного сообщества с Южной Родезией ЮАР и с колониальными властями Португальской Африки. В частности во время поездки по странам Африки в апрелемае 1976г. Киссинджера в ходе его поездки по странам Африки как прямое указание к действиям. Весомым практическим результатом этой политики для Африки стали посреднические усилия...
22746. Умисел як форма вини 128.5 KB
  Вина - це завжди умисел або необережність. Лише за наявності вини особи щодо вчиненої нею дії (бездіяльності) можна говорити про склад злочину як підставу кримінальної відповідальності.