【线性代数】四、二次型

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第四章 二次型

一、二次型定义

【线性代数】四、二次型
如果系数aij全为实数,那么为实二次型。上述二次型展开式可表示用矩阵为
【线性代数】四、二次型
可以看出,二次型矩阵A是一个对称矩阵,也就是满足AT=A,一个实对称矩阵对应的则是一个实二次型。一个二次型有多种写法,也有多个展开式,但是二次型矩阵是唯一的,各个等价的二次型展开式能够化为同一个二次型矩阵

二、合同变换

1.线性变换

【线性代数】四、二次型
那么称*为线性变换,C为线性变换的系数矩阵,如果系数矩阵可逆,那么称为可逆线性变换(常用于配方法),如果是正交矩阵,则称为正交矩阵(用于正交变换法 )。

给出二次型 f ( x ) = x T A x f(x)=x^TAx f(x)=xTAx,令x=Cy,那么就有 f ( x ) = ( C y ) T A ( C Y ) = y T ( C T A C ) y f(x)=(Cy)^TA(CY)=y^T(C^TAC)y f(x)=(Cy)TA(CY)=yT(CTAC)y记B=CTAC,那么就有 f ( x ) = y T B y = g ( y ) f(x)=y^TBy=g(y) f(x)=yTBy=g(y),也就是说二次型f(x)通过线性变换x=Cy变成了新的二次型g(y)

2.矩阵合同

设n阶矩阵A、B是二次型f(x)和g(y)的二次型矩阵,如果存在可逆矩阵C使得 C T A C = B C^TAC=B CTAC=B那么A和B合同,此时称f(x)和g(y)为合同二次型。

性质:

  1. 反身性:A和自身合同
  2. 对称性:A合同于B,则B合同于A
  3. 传递性:A和B合同,B和C合同,则A和C合同
  4. 如果A和B合同,则有r(A)=r(B),因此可逆线性变换不会改变二次型的秩
  5. 根据4.可推导出,和对称矩阵合同的也是对称矩阵。因为如果A、B为对称阵,则有 B T = ( C T A C ) T = C T A T C = C T A C = B B^T=(C^TAC)^T=C^TA^TC=C^TAC=B BT=(CTAC)T=CTATC=CTAC=B

判断同阶实对称矩阵A、B是否合同:
1.用定义法:A,B合同 ⇔ \Leftrightarrow 存在可逆矩阵C使得CTAC=B
2.用正负惯性指数:A,B合同 ⇔ \Leftrightarrow A,B正负惯性指数相同
3.用传递性:A和B合同,B和C合同,则A和C合同
4.同阶实对称矩阵A,B相似必然合同
5.特征值相同、特征向量相同无法推出A、B合同

对于合同的判别,一定要结合矩阵相似联系理解,并且充分认识到矩阵合同和矩阵相似两个概念是如何联系起来的

题型:

  • 已知 A 、 Λ A、\Lambda AΛ,求可逆矩阵C使得 C T A C = Λ C^TAC=\Lambda CTAC=Λ
  • 已知A,B,求可逆矩阵C使得 C T A C = B C^TAC=B CTAC=B(需要重点关注)

在此需要将以下概念对比记忆:矩阵合同,矩阵正交,矩阵相似,矩阵等价,向量组等价

标准型和规范型

如果二次型中只含有平方项,没有交叉项,也就是形如 d 1 x 1 2 + d 2 x 2 2 + d 3 x 3 2 + . . . d n x n 2 + d_1x_1^2+d_2x_2^2+d_3x_3^2+...d_nx_n^2+ d1x12+d2x22+d3x32+...dnxn2+的称之为标准型
若标准型中,系数di仅为0,-1,1这三种,则称该二次型为规范型

如果二次型 f ( x ) = x T A x f(x)=x^TAx f(x)=xTAx合同于标准型,则称其为合同标准型。任何二次型都可以通过配方法化为标准型和规范型,也就是任何实对称矩阵A都存在可逆矩阵C,使得 C T A C = Λ C^TAC=\Lambda CTAC=Λ。任何二次型可以通过正交变换化为标准型,也就是 Q − 1 A Q = Q T A Q = Λ Q^{-1}AQ=Q^TAQ=\Lambda Q1AQ=QTAQ=Λ。需要注意的是,配方法中的C矩阵并非是特征向量矩阵,因为C不一定是正交矩阵,不存在C-1=C^T

二次型化标准型的方法:
1.配方法
将某个变量的平方项和其相关的混合项合并在一起,配成一个完全平方项。如果不含平方项则通过 x 1 = y 1 + y 2 , x 2 = y 1 − y 2 x_1=y_1+y_2, x_2=y_1-y_2 x1=y1+y2,x2=y1y2和平方差公式来创造平方项

2.正交变换法
正交变换法的思想如下:
先求出矩阵A的特征值和特征向量,并且组成矩阵: A Q = Q Λ ⇔ Q − 1 A Q = Λ AQ=Q\Lambda \Leftrightarrow Q^{-1}AQ=\Lambda AQ=QΛQ1AQ=Λ,接着通过施密特正交化,将矩阵Q改造成正交矩阵,则有Q-1=QT,因此 Q − 1 A Q = Q T A Q = Λ Q^{-1}AQ=Q^TAQ=\Lambda Q1AQ=QTAQ=Λ,符合标准型定义

通过正交变换我们可知: Q − 1 A Q = Q T A Q = Λ Q^{-1}AQ=Q^TAQ=\Lambda Q1AQ=QTAQ=Λ,也就是 x T A x = y T ( Q T A Q ) y = y T Λ y x^TAx=y^T(Q^TAQ)y=y^T\Lambda y xTAx=yT(QTAQ)y=yTΛy,也就是x=Qy,那么 x T x = ( Q y ) T Q y = y T Q T Q y x^Tx=(Qy)^TQy=y^TQ^TQy xTx=(Qy)TQy=yTQTQy由于 Q T = Q − 1 Q^T=Q^{-1} QT=Q1,所以 x T x = y T y x^Tx=y^Ty xTx=yTy

基本步骤
【线性代数】四、二次型

3.惯性定理

无论采用何种可逆线性变换将二次型化为标准型或者规范型,其中的正项个数p,负项个数q都是不变的,p称为正惯性指数,q称为负惯性指数

三、正定二次型

【线性代数】四、二次型
二次型正定的充要条件
n元二次型f=xTAx正定 ⇔ \Leftrightarrow x ≠ 0 x\neq0 x=0有xTAx>0
⇔ \Leftrightarrow f的正惯性指数p=n
⇔ \Leftrightarrow 存在可逆矩阵D使得A=DTD
⇔ \Leftrightarrow A和E合同
⇔ \Leftrightarrow A的特征值全大于0
⇔ \Leftrightarrow A的全部顺序主子式大于0(最容易用作判断是否正定)

二次型正定的必要条件

  1. aii>0
  2. |A|>0

重要结论文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-450249.html

  • 如果A正定,则A-1,A*, Am,kA,AT,CTAC都正定,而且AT=A
  • 如果A,B正定,那么A+B正定,其对角分块矩阵正定
  • A,B正定,而AB正定的充要条件是AB=BA。(对比记忆:正交阵相乘必然正交)
  • 如果矩阵A正定并且正交,那么A=E

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