Квадратичная форма к каноническому виду онлайн. Методы приведения квадратичной формы к каноническому виду. Приведение квадратичной формы к каноническому виду

Приведение квадратичной формы к каноническому виду.

Канонический и нормальный вид квадратичной формы.

Линейные преобразования переменных.

Понятие квадратичной формы.

Квадратичные формы.

Определение: Квадратичной формой от переменных называется однородный многочлен второй степени относительно этих переменных.

Переменные можно рассматривать как аффинные координаты точки арифметического пространства А n или как координаты вектора n-мерного пространства V n . Будем обозначать квадратичную форму от переменных как.

Пример 1:

Если в квадратичной форме уже выполнено приведение подобных членов, то коэффициенты при обозначаются, а при () – . Т.о., считается, что. Квадратичную форму можно записать следующим образом:

Пример 2:

Матрица системы (1):

– называется матрицей квадратичной формы.

Пример: Матрицы квадратичных форм примера 1 имеют вид:

Матрица квадратичной формы примера 2:

Линейным преобразованием переменных называют такой переход от системы переменных к системе переменных, при котором старые переменные выражаются через новые с помощью форм:

где коэффициенты образуют невырожденную матрицу.

Если переменные рассматривать как координаты вектора в евклидовом пространстве относительно некоторого базиса, то линейное преобразование (2) можно рассматривать как переход в этом пространстве к новому базису, относительно которого этот же вектор имеет координаты.

В дальнейшем мы будем рассматривать квадратичные формы только с действительными коэффициентами. Будем считать, что и переменные принимают только действительные значения. Если в квадратичной форме (1) переменные подвергнуть линейному преобразованию (2), то получится квадратичная форма от новых переменных. В дальнейшем мы покажем, при надлежащем выборе преобразования (2) квадратичную форму (1) можно привести к виду, содержащему только квадраты новых переменных, т.е. . Такой вид квадратичной формы называется каноническим . Матрица квадратичной формы в таком случае диагональная: .

Если все коэффициенты могут принимать лишь одно из значений: -1,0,1 соответствующий вид называется нормальным .

Пример: Уравнение центральной кривой второго порядка с помощью перехода к новой системе координат

можно привести к виду: , а квадратичная форма в этом случае примет вид:

Лемма 1: Если квадратичная форма (1) не содержит квадратов переменных, то с помощью линейного преобразования ее можно привести в форму, содержащую квадрат хотя бы одной переменной.

Доказательство: По условию, квадратичная форма содержит только члены с произведениями переменных. Пусть при каких-либо различных значениях i и j отличен от нуля, т.е. – один из таких членов, входящих в квадратичную форму. Если выполнить линейное преобразование, а все остальные не менять, т.е. (определитель этого преобразования отличен от нуля), то в квадратичной форме появится даже два члена с квадратами переменных: . Эти слагаемые не могут исчезнуть при приведении подобных членов, т.к. каждый из оставшихся слагаемых содержит хотя бы одну переменную, отличную или от или от.

Пример:

Лемма 2: Если квадратная форма (1) содержит слагаемое с квадратом переменной , напримери еще хотя бы одно слагаемое с переменной , то с помощью линейного преобразования , f можно перевести в форму от переменных , имеющую вид: (2), где g – квадратичная форма, не содержащая переменной .

Доказательство: Выделим в квадратичной форме (1) сумму членов, содержащих: (3) здесь через g 1 обозначена сумма всех слагаемых, не содержащих.

Обозначим

(4), где через обозначена сумма всех слагаемых, не содержащих.

Разделим обе части (4) на и вычтем полученное равенство из (3), после приведения подобных будем иметь:

Выражение в правой части не содержит переменной и является квадратичной формой от переменных. Обозначим это выражение через g, а коэффициент через, а тогда f будет равно: . Если произвести линейное преобразование: , определитель которого отличен от нуля, то g будет квадратичной формой от переменных, и квадратичная форма f будет приведена к виду (2). Лемма доказана.

Теорема: Любая квадратичная форма может быть приведена к каноническому виду с помощью преобразования переменных.

Доказательство: Проведем индукцию по числу переменных. Квадратичная форма от имеет вид: , которое уже является каноническим. Предположим, что теорема верна для квадратичной формы от n-1 переменных и докажем, что она верна для квадратично формы от n переменных.

Если f не содержит квадратов переменных, то по лемме 1 ее можно привести к виду, содержащему квадрат хотя бы одной переменной, по лемме 2 полученную квадратичную форму можно представить в виде (2). Т.к. квадратичная форма является зависимой от n-1 переменных, то по индуктивному предположению она может быть приведена к каноническому виду с помощью линейного преобразования этих переменных к переменным, если к формулам этого перехода еще добавить формулу, то мы получим формулы линейного преобразования, которое приводит к каноническому виду квадратичную форму, содержащуюся в равенстве (2). Композиция всех рассматриваемых преобразований переменных является искомым линейным преобразованием, приводящим к каноническому виду квадратичную форму (1).

Если квадратичная форма (1) содержит квадрат какой-либо переменной, то лемму 1 применять не нужно. Приведенный способ называется методом Лагранжа .

От канонического вида, где, можно перейти к нормальному виду, где, если, и, если, с помощью преобразования:

Пример: Привести к каноническому виду методом Лагранжа квадратичную форму:

Т.к. квадратичная форма f уже содержит квадраты некоторых переменных, то лемму 1 применять не нужно.

Выделяем члены, содержащие:

3. Чтобы получить линейное преобразование, непосредственно приводящее форму f к виду (4), найдем сначала преобразования, обратные преобразованиям (2) и (3).

Теперь, с помощью этих преобразований построим их композицию:

Если подставить полученные значения (5) в (1), мы сразу же получим представление квадратичной формы в виде (4).

От канонического вида (4) с помощью преобразования

можно перейти к нормальному виду:

Линейное преобразование, приводящее квадратичную форму (1) к нормальному виду, выражается формулами:

Библиография:

1. Воеводин В.В. Линейная алгебра. СПБ.: Лань, 2008, 416 с.

2. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Физматлит, 2006, 304 с.

3.Кострикин А.И. Введение в алгебру. часть II. Основы алгебры: учебник для вузов, -М. : Физико-математическая литература, 2000, 368 с.

Лекция №26 (II семестр)

Тема: Закон инерции. Положительно определённые формы.

определяет на плоскости кривую. Группа членов называется квадратичной формой, – линейной формой. Если в квадратичной форме содержатся только квадраты переменных, то такой ее вид называется каноническим, а векторы ортонормированного базиса, в котором квадратичная форма имеет канонический вид, называются главными осями квадратичной формы.
Матрица называется матрицей квадратичной формы. Здесь a 1 2 =a 2 1 . Чтобы матрицу B привести к диагональному виду, необходимо за базис взять собственные векторы этой матрицы, тогда , где λ 1 и λ 2 – собственные числа матрицы B.
В базисе из собственных векторов матрицы B квадратичная форма будет иметь канонический вид: λ 1 x 2 1 +λ 2 y 2 1 .
Эта операция соответствует повороту осей координат. Затем производится сдвиг начала координат, избавляясь тем самым от линейной формы.
Канонический вид кривой второго порядка: λ 1 x 2 2 +λ 2 y 2 2 =a , причем:
а) если λ 1 >0; λ 2 >0 – эллипс, в частности, при λ 1 =λ 2 это окружность;
б) если λ 1 >0, λ 2 <0 (λ 1 <0, λ 2 >0) имеем гиперболу;
в) если λ 1 =0 либо λ 2 =0, то кривая является параболой и после поворота осей координат имеет вид λ 1 x 2 1 =ax 1 +by 1 +c (здесь λ 2 =0). Дополняя до полного квадрата, будем иметь: λ 1 x 2 2 =b 1 y 2 .

Пример . Дано уравнение кривой 3x 2 +10xy+3y 2 -2x-14y-13=0 в системе координат (0,i,j), где i =(1,0) и j =(0,1).
1. Определить тип кривой.
2. Привести уравнение к каноническому виду и построить кривую в исходной системе координат.
3. Найти соответствующие преобразования координат.

Решение . Приводим квадратичную форму B=3x 2 +10xy+3y 2 к главным осям, то есть к каноническому виду. Матрица этой квадратичной формы . Находим собственные числа и собственные векторы этой матрицы:

Характеристическое уравнение:
; λ 1 =-2, λ 2 =8. Вид квадратичной формы: .
Исходное уравнение определяет гиперболу.
Заметим, что вид квадратичной формы неоднозначен. Можно записать 8x 1 2 -2y 1 2 , однако тип кривой остался тот же – гипербола.
Находим главные оси квадратичной формы, то есть собственные векторы матрицы B. .
Собственный вектор, отвечающий числу λ=-2 при x 1 =1: x 1 =(1,-1).
В качестве единичного собственного вектора принимаем вектор , где – длина вектора x 1 .
Координаты второго собственного вектора, соответствующего второму собственному числу λ=8, находим из системы
.
1 ,j 1).
По формулам (5) пункта 4.3.3. переходим к новому базису:
или

; . (*)

Вносим выражения x и y в исходное уравнение и, после преобразований, получаем:

.
Выделяем полные квадраты :

.
Проводим параллельный перенос осей координат в новое начало:

.
Если внести эти соотношения в (*) и разрешить эти равенства относительно x 2 и y 2 , то получим:

. В системе координат (0*, i 1 , j 1) данное уравнение имеет вид:

.
Для построения кривой строим в старой системе координат новую: ось x 2 =0 задается в старой системе координат уравнением x-y-3=0, а ось y 2 =0 уравнением x+y-1=0. Начало новой системы координат 0 * (2,-1) является точкой пересечения этих прямых.
Для упрощения восприятия разобьем процесс построения графика на 2 этапа:
1. Переход к системе координат с осями x 2 =0, y 2 =0, заданными в старой системе координат уравнениями x-y-3=0 и x+y-1=0 соответственно.

2. Построение в полученной системе координат графика функции.

Окончательный вариант графика выглядит следующим образом (см. Решение :Скачать решение

Задание . Установить, что каждое из следующих уравнений определяет эллипс, и найти координаты его центра С, полуоси, эксцентриситет, уравнения директрис. Изобразить эллипс на чертеже, указав оси симметрии, фокусы и директрисы.
Решение .

Данный метод состоит в последовательном выделении в квадратичной форме полных квадратов.

Пусть дана квадратичная форма

Напомним, что, ввиду симметричности матрицы

Возможны два случая:

1. Хотя бы один из коэффициентовпри квадратах отличен от нуля. Не нарушая общности, будем считать(этого всегда можно добиться соответствующей перенумерацией переменных);

2. Все коэффициенты,

но есть коэффициент , отличный от нуля (для определённости пусть будет).

В первом случае преобразуем квадратичную форму следующим образом:

а через обозначены все остальные слагаемые.

представляет собой квадратичную форму от (n-1) переменных .

С ней поступают аналогичным образом и так далее.

Заметим, что

Второй случай заменой переменных

сводится к первому.

Пример 1:Квадратичную форму привести к каноническому виду посредством невырожденного линейного преобразования.

Решение. Соберём все слагаемые, содержащие неизвестное , и дополним их до полного квадрата

(Так как .)

или

(3)

или

(4)

и от неизвестных
формапримет вид. Далее полагаем

или

и от неизвестных
формапримет уже канонический вид

Разрешим равенства (3) относительно
:

или

Последовательное выполнение линейных преобразований
и
, где

имеет матрицей

Линейное преобразование неизвестных
приводит квадратичную форму к каноническому виду (4). Переменные
связаны с новыми переменными
соотношениями

С LU - разложением мы познакомились в практикуме 2_1

Вспомним утверждения из практикума 2_1

Утверждения (см.Л.5, стр. 176)

Данный скрипт призван понять роль LU в методе Лагранжа, с ним нужно работать в блокноте EDITOR с помощью кнопки F9.

А в прилагаемых ниже заданиях лучше создать свои М-функции, помогающие вычислению и осознанию задач линейной алгебры (в рамках данной работы)

Ax=X."*A*X % получаем квадратичную форму

Ax=simple(Ax) % упрощаем ее

4*x1^2 - 4*x1*x2 + 4*x1*x3 + x2^2 - 3*x2*x3 + x3^2

% найдем LU разложение без перестановки строк матрицы A

% При преобразовании матрицы к ступенчатому виду

%без перестановок строк, мы получим матрицу M1 и U3

% U получается из A U3=M1*A,

% вот такой матрицей элементарных преобразований

0.5000 1.0000 0

0.5000 0 1.0000

%мы получим U3=M1*A, где

4.0000 -2.0000 2.0000

% из M1 легко получить L1, поменяв знаки

% в первом столбце во всех строках кроме первой.

0.5000 1.0000 0

0.5000 0 1.0000

% L1 такое, что

A_=L1*U % вот это и есть нужное нам LU разложение

% Элементы, стоящие на главной диагонали U -

% это коэффициенты при квадратах y i ^2

% в преобразованной квадратичной форме

% в нашем случае, есть один только коэффициент

% значит, в новых координатах будет только 4y 1 2 в квадрате,

% при остальных 0y 2 2 и 0y 3 2 коэффициенты равны нулю

% столбцы матрицы L1 - это разложение Y по X

% по первому столбцу видим y1=x1-0.5x2+0.5x3

% по второму видим y2=x2; по третьему y3=x3.

% если транспонировать L1,

% то есть T=L1."

% T - матрица перехода от {X} к {Y}: Y=TX

0.5000 1.0000 0

1.0000 -0.5000 0.5000

% A2 – матрица преобразованной квадратичной формы

% Заметим U=A2*L1." и A=L1* A2*L1."

4.0000 -2.0000 2.0000

1.0000 -0.5000 0.5000

% Итак, мы получили разложение A_=L1* A2*L1." или A_=T."* A2*T

% показывающее замену переменных

% y1=x1-0.5x2+0.5x3

% и представление квадратичной формы в новых координатах

A_=T."*A2*T % T=L1." матрица перехода от {X} к {Y}: Y=TX

isequal(A,A_) % должно совпасть с исходной A

4.0000 -2.0000 2.0000

2.0000 1.0000 -1.5000

2.0000 -1.5000 1.0000

Q1=inv(T) % находим матрицу перехода от {Y} к {X}

% Найдем преобразование,

% приводящее квадратичную форму Ax=X."*A*X

% к новому виду Ay=(Q1Y)."*A*Q1Y=Y." (Q1."*A*Q1)*Y=Y." (U)*Y

Ay =4*y1^2 - y2*y3

x1 - x2/2 + x3/2

% матрица второго преобразования,

% которая составляется значительно проще.

4*z1^2 - z2^2 + z3^2

% R=Q1*Q2, X=R*Z

R=Q1*Q2 % невырожденное линейное преобразование

% приводящее матрицу оператора к каноническому виду.

det(R) % определитель не равен нулю - преобразование невырожденное

4*z1^2 - z2^2 + z3^2 ok

4*z1^2 - z2^2 + z3^2

Сформулируем алгоритм приведения квад ратичной формы к каноническому виду ортогональным преобразованием:

При рассмотрении евклидового пространства мы вводили определение квадратичной формы. С помощью некоторой матрицы

строится многочлен второго порядка вида

который называется квадратичной формой, порождаемой квадратной матрицей А.

Квадратичные формы тесно связаны с поверхностями второго порядка в n - мерном евклидовом пространстве. Общее уравнение таких поверхностей в нашем трехмерном евклидовом пространстве в декартовой системе координат имеет вид:

Верхняя строка - это не что иное, как квадратичная форма, если положить x 1 =x, x 2 =y, x 3 =z:

- симметричная матрица (a ij = a ji)

положим для общности, что многочлен

есть линейная форма. Тогда общее уравнение поверхности есть сумма квадратичной формы, линейной формы и некоторой постоянной.

Основной задачей теории квадратичных форм является приведение квадратичной формы к максимально простому виду с помощью невырожденного линейного преобразования переменных или, другими словами, замены базиса.

Вспомним, что при изучении поверхностей второго порядка мы приходили к выводу о том, что путем поворота осей координат можно избавиться от слагаемых, содержащих произведение xy, xz, yz или x i x j (ij). Далее, путем параллельного переноса осей координат можно избавиться от линейных слагаемых и в конечном итоге свести общее уравнение поверхности к виду:

В случае квадратичной формы приведение ее к виду

называется приведением квадратичной формы к каноническому виду.

Поворот осей координат есть не что иное, как замена одного базиса другим, или, другими словами, линейное преобразование.

Запишем квадратичную форму в матричном виде. Для этого представим ее следующим образом:

L(x,y,z) = x(a 11 x+a 12 y+a 13 z)+

Y(a 12 x+a 22 y+a 23 z)+

Z(a 13 x+a 23 y+a 33 z)

Введем матрицу - столбец

Тогда
- гдеX T =(x,y,z)

Матричная форма записи квадратичной формы. Эта формула, очевидно, справедлива и в общем случае:

Канонический вид квадратичной формы означает, очевидно, что матрица А имеет диагональный вид:

Рассмотрим некоторое линейное преобразование X = SY, где S - квадратная матрица порядка n, а матрицы - столбцы Х и У есть:

Матрица S называется матрицей линейного преобразования. Отметим попутно, что всякой матрице n-ного порядка при заданном базисе соответствует некоторый линейный оператор.

Линейное преобразование X = SY заменяет переменные x 1 , x 2 , x 3 новыми переменными y 1 , y 2 , y 3 . Тогда:

где B = S T A S

Задача приведения к каноническому виду сводится к отысканию такой матрицы перехода S, чтобы матрица В приобрела диагональный вид:

Итак, квадратичная форма с матрицей А после линейного преобразования переменных переходит в квадратичную форму от новых переменных с матрицей В .

Обратимся к линейным операторам. Каждой матрице А при заданном базисе соответствует некоторый линейный оператор А . Этот оператор имеет, очевидно, некоторую систему собственных чисел и собственных векторов. Причем, отметим, что в евклидовом пространстве система собственных векторов будет ортогональна. Мы доказывали на предыдущей лекции, что в базисе собственных векторов матрица линейного оператора имеет диагональный вид. Формула (*), как мы помним, это формула преобразования матрицы линейного оператора при смене базиса. Положим, что собственные вектора линейного оператора А с матрицей А - это вектора у 1 , y 2 , ..., y n .

А это означает, что если собственные вектора у 1 , y 2 , ..., y n взять за базис, то матрица линейного оператора в этом базисе будет диагональной

или В = S -1 А S, где S – матрица перехода от первоначального базиса {e } к базису {y }. Причем в ортонормированном базисе матрица S будет ортогональной.

Т. о. для приведения квадратичной формы к каноническому виду необходимо найти собственные числа и собственные векторы линейного оператора А, имеющего в первоначальном базисе матрицу А, которая порождает квадратичную форму, перейти к базису собственных векторов и в новой системе координат построить квадратичную форму.

Обратимся к конкретным примерам. Рассмотрим линии второго порядка.

или

С помощью поворота осей координат и последующего параллельного переноса осей это уравнение можно привести к виду (переменные и коэффициенты переобозначены х 1 = х, х 2 = у):

1)
если линия центральная, 1  0,  2  0