【线性代数】四、二次型

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【线性代数】四、二次型。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

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

到了这里,关于【线性代数】四、二次型的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处: 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请点击违法举报进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

领支付宝红包 赞助服务器费用

相关文章

  • 【考研数学】线性代数第四章 —— 线性方程组(2,线性方程组的通解 | 理论延伸)

    承接前文,继续学习线性方程组的内容,从方程组的通解开始。 (1)基础解系 —— 设 r ( A ) = r n r(A)=rn r ( A ) = r n ,则 A X = 0 pmb{AX=0} A X = 0 所有解构成的解向量组的极大线性无关组称为方程组 A X = 0 pmb{AX=0} A X = 0 的一个基础解系。基础解系中所含有的线性无关的解向量的个

    2024年02月11日
    浏览(57)
  • 【线性代数】四、二次型

    如果系数a ij 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 可以看出,二次型矩阵A是一个 对称矩阵 ,也就是满足A T =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

    2024年02月05日
    浏览(50)
  • 线性代数——二次型

    学习高等数学和线性代数需要的初等数学知识 线性代数——行列式 线性代数——矩阵 线性代数——向量 线性代数——线性方程组 线性代数——特征值和特征向量 线性代数——二次型 本文大部分内容皆来自李永乐老师考研教材和视频课。 将含有 n n n 个变量 x 1 , x 2 , … ,

    2024年02月15日
    浏览(50)
  • 线性代数---第六章---二次型

    我起码要会如何根据二次型写矩阵A

    2024年02月11日
    浏览(90)
  • 线性代数 第六章 二次型

    一、矩阵表示 称为二次型的秩。只含有变量的平方项,所有混合项系数全是零,称为标准形;平方项的系数为1、-1或0,称为规范形。 二次型的标准形不唯一,可以用不用的坐标变换化二次型为标准形;二次型的规范形唯一。 可以用正交变换先把二次型化为标准形,然后再做

    2024年02月06日
    浏览(48)
  • 线性代数(六)| 二次型 标准型转换 正定二次型 正定矩阵

    和第五章有什么样的联系 首先上一章我们说过对于对称矩阵,一定存在一个正交矩阵Q,使得$Q^{-1}AQ=B $ B为对角矩阵 那么这一章中,我们讲到,二次型写成矩阵后本质上就是一个对称矩阵,而我们想把它变的标准型,不就正好是一个对角矩阵,那么实际上我们的这个化标准型

    2024年02月03日
    浏览(50)
  • 线性代数-二次型及其正定性

    二次型:含有n个变量的二次齐次多项式 二次型矩阵:x T Ax,其中A为实对称矩阵 任给一个实二次型,就唯一确定一个实对称矩阵;反之,任给一个实对称矩阵,也可以唯一确认一个实二次型,因此,实二次型与实对称矩阵之间存在一一对应关系, 称实对称矩阵A为二次型f的矩阵,二次型f称为

    2024年02月08日
    浏览(48)
  • 【考研数学】线性代数第六章 —— 二次型(3,正定矩阵与正定二次型)

    (1)二次型 f ( x 1 , x 2 , x 3 ) = x 1 2 + 3 x 2 2 + 2 x 3 2 = X T A X f(x_1,x_2,x_3)=x_1^2+3x_2^2+2x_3^2=pmb{X^TAX} f ( x 1 ​ , x 2 ​ , x 3 ​ ) = x 1 2 ​ + 3 x 2 2 ​ + 2 x 3 2 ​ = X T A X 有如下特点: 对任意的 x 1 , x 2 , x 3 x_1,x_2,x_3 x 1 ​ , x 2 ​ , x 3 ​ ,有 f ( x 1 , x 2 , x 3 ) ≥ 0 f(x_1,x_2,x_3)geq0 f ( x 1 ​

    2024年02月07日
    浏览(50)
  • 【考研数学】线性代数第六章 —— 二次型(2,基本定理及二次型标准化方法)

    了解了关于二次型的基本概念以及梳理了矩阵三大关系后,我们继续往后学习二次型的内容。 定理 1 —— (标准型定理)任何二次型 X T A X pmb{X}^Tpmb{AX} X T A X 总可以经过可逆的线性变换 X = P Y pmb{X=PY} X = P Y ,即 P pmb{P} P 为可逆矩阵,把二次型 f ( X ) f(pmb{X}) f ( X ) 化为标准

    2024年02月07日
    浏览(41)
  • 线性代数Python计算:二次型的标准形计算

    为寻求正交变换 y = P T x boldsymbol{y}=boldsymbol{P}^text{T}boldsymbol{x} y = P T x ,使得二次型 f = x T A x f=boldsymbol{x}^text{T}boldsymbol{Ax} f = x T Ax 的标准形为 f = y T Λ y f=boldsymbol{y}^text{T}boldsymbol{Lambda y} f = y T Λ y ,其中 Λ boldsymbol{Lambda} Λ 为一对角阵,只需要调用numpy.linalg的eigh函数

    2023年04月20日
    浏览(82)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

博客赞助

微信扫一扫打赏

请作者喝杯咖啡吧~博客赞助

支付宝扫一扫领取红包,优惠每天领

二维码1

领取红包

二维码2

领红包