4.2 二次型的标准型与规范型
二次型标准型和规范型
二次型标准型和规范型二次型是数学中的一个重要概念，它在线性代数和微分几何中都有着广泛的应用。
在二次型的研究中，标准型和规范型是两个重要的概念，它们在二次型的研究和应用中起着至关重要的作用。
首先，我们来看一下二次型的标准型。
二次型的标准型是指通过合同变换将二次型化为一种特殊的形式，使得二次型的系数矩阵为对角矩阵。
对角矩阵的形式使得二次型的计算和分析变得更加简单和直观。
通过合同变换，我们可以将任意的二次型化为标准型，这为我们研究和应用二次型提供了方便。
接下来，我们来讨论二次型的规范型。
二次型的规范型是指通过正交变换将二次型化为一种特殊的形式，使得二次型的系数矩阵为对角矩阵，并且对角元素为1或-1。
规范型的形式使得二次型的计算和分析变得更加简单和规范化。
通过正交变换，我们可以将任意的二次型化为规范型，这为我们研究和应用二次型提供了便利。
二次型的标准型和规范型在实际问题中有着重要的应用。
例如，在物理学中，二次型常常用来描述物体的能量、惯性等性质。
通过将二次型化为标准型或规范型，我们可以更加直观地理解和分析物体的性质。
在工程学中，二次型常常用来描述材料的弹性、刚性等性质。
通过将二次型化为标准型或规范型，我们可以更加方便地计算和分析材料的性质。
总之，二次型的标准型和规范型是二次型研究中的重要概念，它们通过合同变换和正交变换将二次型化为特殊的形式，使得二次型的计算和分析变得更加简单和直观。
在实际问题中，标准型和规范型为我们理解和应用二次型提供了重要的工具。
希望本文能够帮助读者更加深入地理解二次型的标准型和规范型，以及它们在数学和应用中的重要作用。
二次型标准型和规范型
二次型标准型和规范型二次型是代数学中的一个重要概念，它在线性代数和矩阵理论中有着广泛应用。
二次型标准型和规范型是将一个任意的二次型通过线性变换化为一个简化的形式，使得我们可以更方便地研究和分析二次型的性质。
一个二次型可以表示为如下形式：$$Q(x_1, x_2, \dots, x_n) = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n}a_{ij}x_ix_j$$其中 $x_1, x_2, \dots, x_n$ 是变量，$a_{ij}$ 是常数。
二次型的标准型是指将二次型中的二次项化为平方和的形式。
对于一个二次型 $Q(x)$，假设其矩阵为 $A$，则存在一个非奇异矩阵 $P$，使得：$$P^TAP = D$$其中 $D$ 是对角阵，对角线上的元素称为二次型的标准型系数。
标准型的特点是二次型的二次项仅包含平方和，没有交叉项和混合项。
这样的形式更简单，更容易研究和分析。
为了得到二次型的标准型，需要进行正交变换。
正交变换可以通过选取一组特殊的基进行，其中基向量之间两两正交且模长为1。
设有一组基向量 $p_1, p_2, \dots, p_n$，构成正交矩阵$P = [p_1, p_2, \dots, p_n]$，则有 $P^TP = I$。
通过变换 $y = Px$，可以得到新的变量 $y$ 对应的二次型 $Q(y)$。
从而有：$$Q(y) = Q(Px) = x^TP^TAPx = x^TDx$$其中 $D = P^TAP$，$D$ 是一个对角阵，对角线上的元素就是二次型的标准型系数。
在二次型的标准型基础上，可以进一步进行规范化处理。
规范化处理是将标准型系数中的非零元素变为1或-1，以及调整它们的顺序。
具体步骤如下：1. 如果标准型系数中存在非零元素 $d_{ii}$，则可以将其除以本身的绝对值，将其变为1或-1。
2. 如果标准型系数中存在连续的非零元素 $d_{ii}$ 和 $d_{i+1, i+1}$，且它们同号，则可以将 $d_{i+1, i+1}$ 变为与$d_{ii}$ 同号，并将它直接相加；如果符号相反，则将它们的绝对值取为1。
二次型标准型和规范型
二次型标准型和规范型二次型是矩阵形式的二次函数，通常用向量和矩阵的乘积来表示。
在线性代数中，二次型是一种将一个多元变量的向量映射到实数的函数，常用于描述抽象空间中的二次曲面。
对于一个n维实向量空间V上的二次型，可以通过一个对称矩阵A来定义，即二次型的矩阵表达式为Q(x) = x^T Ax，其中x是一个列向量。
二次型的标准型是指将二次型通过合适的线性变换转化为一个特定的形式，这个形式更便于研究和计算。
在实数域上，任何一个n维非退化二次型都可以通过合适的正交变换（即特征变换）化为标准型，即形如Q(x) = λ1y1^2 + λ2y2^2 + ... +λnyn^2，其中λi为非零实数，yi为变换后的新变量。
标准型中的每一项都是对应新变量的平方项，没有交叉项。
二次型的规范型是指将二次型通过一个线性变换转化为一个更简洁的形式，通常是对标准型进行变换。
规范型的形式为Q(x) = y1^2 + y2^2 + ... + yn^2，其中yi为变换后的新变量。
规范型相对于标准型来说，更加精简，变量之间没有相关性，也没有尺度差异。
这样的形式能够更好地研究和理解二次型的性质。
转化为二次型的标准型和规范型在研究和计算中起着重要的作用。
它们可以帮助我们更好地理解二次型的本质和性质，更清晰地描述和分析问题。
同时，标准型和规范型之间的转化可以通过线性变换来实现，这种变换能够保持二次型的性质不变，因此在问题求解中也可以通过变换将二次型转化为更容易处理的形式，简化计算过程。
总之，二次型的标准型和规范型是对其矩阵表达形式进行变换，将其转化为更方便研究和计算的形式。
标准型通过正交变换将二次型转化为形如λ1y1^2 + λ2y2^2 + ... + λnyn^2的形式，其中λi为非零实数，yi为变换后的新变量。
规范型是对标准型进行变换，将其转化为更简洁、更方便理解和分析的形式Q(x) = y1^2 + y2^2 + ... + yn^2，其中yi为变换后的新变量。
4.2 二次型的标准型与规范型
4.2 二次型的标准型与规范型二次型是一个重要的数学概念，常常出现在线性代数和数学分析中。
在研究二次型的性质时，我们可以通过对其进行特征值分解来得到其标准型和规范型。
本文将对二次型的标准型与规范型进行详细阐述。
1. 二次型二次型是指形如 $f(x)=x^TAx$ 的二次齐次多项式，其中 $x$ 是 $n$ 维实向量，$A$ 是 $n$ 阶实对称矩阵。
其中 $n$ 称为二次型的阶数。
二次型具有以下性质：（1）对称性：$f(x)=x^TAx=x^T(A^T)x=f(x)$；（2）齐次性：$f(kx)=k^2f(x)$，其中 $k$ 是常数；（3）线性性：$f(x+y)=f(x)+f(y)$；（4）正定性：如果对于任意非零 $x$，有 $f(x)>0$，则称这个二次型是正定的；（8）无定性：如果既不是正定的，也不是负定的，则称这个二次型是无定性的。
2. 标准型标准型是指经过矩阵相似变换得到的对角矩阵。
标准型对于研究二次型的性质非常方便，因为对角矩阵的特殊性质使得二次型的性质易于判断。
我们可以通过以下步骤获得一个二次型的标准型：（1）求出二次型的矩阵 $A$ 的特征值和特征向量；（2）将特征向量按对应的特征值大小排列，组成矩阵 $P=[p_1, p_2, \cdots, p_n]$；（3）令 $D=\begin{bmatrix}\lambda_1 & & \\& \ddots & \\& & \lambda_n\end{bmatrix}$，其中 $\lambda_i$ 是矩阵 $A$ 的第 $i$ 个特征值；（4）则可得到一个相似变换矩阵 $T=P^{-1}$，使得 $T^{-1}AT=D$。
此时，$D$ 即为该二次型的标准型。
标准型的优点在于可以直接通过特征值的正负性判断二次型是否正定、负定或者无定。
例如，如果所有的特征值都为正，则该二次型是正定的；如果所有的特征值都为负，则该二次型是负定的；如果特征值有正有负，则该二次型是无定性的。
线性代数4.2 二次型的标准形与规范形
2 2 2 f ( x1 , x2 , x3 )化为 f = y1 − y2 + 4 y3
y1= x1− x2 + x3 令 y2 = 2 x 2 + x 3 y3 = x 3
标准形
2 2 2 f ( x1 , x2 , x3 ) = x1 − 3 x2 + 4 x3 − 2 x1 x2 + 2 x1 x3 − 6 x2 x3
2 2 2 f ( x1 , x2 , x3 ) = y1 − y2 + 4 y3
B= C T AC
↑
B
对称矩阵A与对角矩阵合同. 对称矩阵A与对角矩阵合同.
例 将 f ( x1 , x2 , x3 ) = 2 x1 x2 + 2 x1 x3 − 4 x2 x3 化为规范形. 化为规范 规范形
制造”平方项. 此二次型没有平方项, 此二次型没有平方项, 先“制造”平方项. f ( x1 , x2 , x3 ) = 2 y1 ( y1 + y2 ) + 2 y1 y3 −4 ( y1 + y2 ) y3 解 令
2 2 = ( x1− x2 + x3 )2−4x2 +3 x3−4 x2 x3 2 2 2 = ( x1 − x2 + x3 )2 +(− x 2x2 −4x2x 33+x3) + 3x3 + x3 −(4 42 + 4 x 2 x 2 )
线性代数二次型的标准形和规范形
含有平方项
含有x1的项配方
解 f x 1 2 2 x 2 2 5 x 3 2 2 x 1 x 2 2 x 1 x 3 6 x 2 x 3
x1 22x1x22x1x32x2 25x3 26x2x3
(x1x2x3)2x22x322x2x3 2x225x326x2x3 (x 1 x 2 x 3 )2 x 2 2 4 x 3 2 4 去x 2 掉x 3配方后多出来的项
x3 0 0 1 y3
标准形为 f y12y22.
所用变换矩阵为
1 C 0
1 1
0 0
1 2 , 1
(C 10)
例2 用配方法化二次型
f 2 x 1 x 2 2 x 1 x 3 6 x 2 x 3
为标准形，并写出对应的可逆线性变换。
解 所给二次型中无平方项，所以先作线性变换
x1 3 y 3
即
x1 x2
1 1
1 1
0 y1 0 y2
x2 0 0 1 y3
原二次型化为
f 2 y 1 2 2 y 2 2 4 y 1 y 3 8 y 2 y 3.
f 2 y 1 2 2 y 2 2 4 y 1 y 3 8 y 2 y 3.
再配方，得
f 2 (y 1 y 3 ) 2 2 (y 2 2 y 3 ) 2 6 y 3 2 ,
第二节
本节讨论的主要问题是：如何通过可逆线性变换XCY，
把二次型f(x1,x2,,xn)XTAX化为y1, y2,, yn 的平方和 d1y12 d2y22 dnyn2 ，称之为二次型的标准形。从前面分
析可以看出， 要把一个二次型化为标准形， 只要找一个可逆阵C， 使CTAC成为对角阵，即A与一个对角阵合同。
z3
二次型的标准型和规范型
5.2 二次型的标准形与规范形
二次型的标准形:
二次型f (x) xT Ax 可逆 的线性变换xCy 标准形 : g( y) yT (CT AC) y d1 y12 d2 y22 dn yn2.
d1
标准形的矩阵:
B
CT
AC
d2
2. 正交变换法 正交变换：x Qy,其中Q为正交矩阵.
Th5.3(1)实对称矩阵A, 正交矩阵Q,使QT AQ为对角矩阵. (2)任一二次型都可经正交变换化为标准形,即 二次型f (x) xT Ax, 正交变换x Qy(Q为正交矩阵),
将其化为标准形g( y1, y2 ,, yn ) 1 y12 2 y22 n yn2 , 其中 1, 2 ,, n为A的n个特征值.
命题1 二次型的标准形不唯一.
命题2 任一二次型都可经可逆的线性变换化为规范形：
g( y1,
y2 ,,
yn
)
d1 y12
dp
y
2 p
d
p
1
y
2 p
1
dr
yr2 ,
其中p r n, di 0,i 1,, r.
秩： r
正惯性指数： p
负惯性指数：r p
符号差： p (r p) 2 p r
特征值的个数分别相同.
5.2 over
方法： A 对等的初等行、列变换 对角矩阵
E 同样 的初等列变换 C CT AC为对角矩阵. 作线性变换x Cy,则可将二次型f (x) xT Ax化为标准形 g( y) yT (CT AC) y.
线性代数卢刚版4.2二次型的标准形与规范型
1 , 2 , … , n ;
Step2
Step3
求出正交矩阵 P，使
P TAP = diag(1 , 2 , … , n) ; 作正交线性替换 x = Py ，
其中 y= (y1 , y2 , … , yn )T Rn ， 则二次型 f ( x1 , x2 , … , xn ) 化为标准形
(1) f ( x1,x2 ,x3 ) 2x1x2 2x1x3 2x2 x3 ;
(2) f ( x1,x2,x3 ) x 4x2 x3 4x1x2 8x1x3 4x2 x3 .
2 1
2
2
用正交线性替换将二次型
f ( x1 , x2 ,…, xn)
= xTAx (其中 AT = A) 化为标准形的步骤: Step1 求出二次型矩阵 A 的全部特征值
1、用正交变换法 化二次型为标准形
由于二次型的矩阵为实对称矩阵，由于实对称 矩阵必可对角化，由此可得 定理4.2对于二次型 f ( x1 , x2 , … , xn ) = xTAx（AT=A） 存在n阶正交矩阵P，使得经过正交线性替换 x=Py
二次型 xTAx 化为标准形.
例 1 . 用正交线性替换化下列二次型为标准形, 并求出所作的正交线性替换:
化为标准形，并求所用的线性替换及变换矩阵.
解 先按 x12 及含有 x1 的混合项配成完全平方
2 f ( x1, x2 , x3 ) 2( x1 2x1 ( x2 x3 ) ( x2 x3 )2 )
2( x2 x3 )
2
2 3x2
2 x3
8x2 x3
2 2 2( x1 x2 x3 )2 x2 x3 4x2 x3
二次型的标准型与规范型
二次型的标准型与规范型二次型在数学中是一种重要的形式，它在线性代数、数值分析、优化理论等领域有着广泛的应用。
在二次型的研究中，标准型和规范型是两个关键概念。
本文将分别介绍二次型的标准型和规范型，探讨它们的性质以及应用。
二次型的标准型对于一个二次型，我们希望通过适当的变换将其化为最简单的形式，这就是标准型。
二次型的标准型是一个对角矩阵，其对角线上的元素就是二次型各项的系数。
通过适当的正交变换，我们可以将任意的二次型化为标准型。
标准型的计算方法要将一个二次型化为标准型，可以利用矩阵的对角化方法。
首先，我们要找到一个合适的正交矩阵，使得通过正交相似变换，原二次型矩阵可以化为对角矩阵。
这个对角矩阵就是标准型。
标准型的性质标准型的主要性质是简单明了，可以清晰地展现二次型的特征。
通过标准型，我们可以方便地进行计算和分析，从而更好地理解二次型的结构和性质。
二次型的规范型除了标准型外，二次型还有一个重要的化简形式，即规范型。
规范型是将二次型中的常数项约化为零后的形式，它也是一个重要的化简形式。
规范型的计算方法要将一个二次型化为规范型，首先要消去二次型中的常数项，这可以通过适当的平移变换实现。
消去常数项后，我们就可以得到二次型的规范型。
规范型的性质规范型和标准型一样，也具有简洁明了的性质。
它帮助我们更好地理解二次型的特征和结构，为进一步的计算和分析提供了便利。
二次型的应用二次型的标准型和规范型在数学和工程领域都有着广泛的应用。
在数值计算中，标准型和规范型可以帮助我们简化计算，提高计算效率；在优化理论中，二次型的标准型和规范型可以帮助我们分析和解决优化问题。
总之，二次型的标准型和规范型是研究二次型的重要内容，它们为我们提供了一种简洁清晰的形式，帮助我们更好地理解和应用二次型的相关知识。
通过对标准型和规范型的研究，我们可以深入探讨二次型的性质和应用，为数学和工程领域的发展贡献力量。
以上就是关于二次型的标准型和规范型的介绍，希望对读者有所帮助。
二次型的标准型与规范型
二次型的标准型与规范型二次型是数学中一个重要的概念，对于研究矩阵和向量空间具有重要的作用。
二次型的标准型与规范型是对于二次型进行化简和归类的方法。
本文将介绍二次型的标准型与规范型的概念和求解方法。
一、二次型的定义和性质在代数学中，对于n维实数向量空间V上的一个二次型可以表示为： Q(x) = x^TAX其中，x是V中的一个向量，A是一个n阶对称矩阵，x^T表示x的转置。
二次型Q(x)也可以表示为：Q(x) = x · A · x其中，·表示向量的点乘。
二次型的定义特点如下：1. 对称性：A是一个对称矩阵，即A的转置等于它本身，即A^T = A。
2. 齐次性：Q(cx) = c^2 Q(x)，其中c为一个常数。
3. 双线性性：Q(x+y) = Q(x) + Q(y) + 2x^T Ay，Q(cx) = c^2 Q(x)。
二次型的性质有很多，这里只列举了几个最基本的性质。
二、二次型的标准型为了简化对二次型的研究和求解，我们希望能将任意的二次型化简成一个简单的形式，这就是二次型的标准型。
可逆矩阵P，使得变换y = P^T x后，二次型变为：Q(x) = x^TAX = (P^T x)^T A (P^T x) = y^T B y其中，B为对角线上为1或-1的对角矩阵。
根据二次型的定义，我们知道A是一个对称矩阵，而对称矩阵可以通过正交对角化成对角矩阵。
所以，二次型的标准型可以通过正交变换来实现。
具体的求解过程如下：1. 对于对称矩阵A，可以通过正交相似对角化将其化为对角矩阵B。
即存在正交矩阵P，使得P^T A P = B。
2. 将二次型Q(x) = x^TAX中的变量进行变换，令y = P^T x，则有：Q(y) = y^T (P^T A P) y = y^T B y所以，二次型经过变换后可以化为标准型。
需要注意的是，标准型并不唯一，因为对于一个实数r，-r也是1或-1。
所以对于同一个二次型可以存在不同的标准型。
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E p
推论 2
合同,其中 1 和－1的个数
Er .
两个实对称矩阵合同的充分必要条件
是它们具有相同的正惯指数和秩.
,
e2
p2 p2
1 6
1 1 2
,
e3
p3 p3
1 3
1 1 1
.
一般地，用正交线性替换将二次型 f ( x1 , x2 ,
…, xn ) = xTAx (其中 AT = A) 化为标准形的步骤如下:
Step1 Step2 Step3
求出二次型矩阵 A 的全部特征值 1 , 2 , … , n ; 求出正交矩阵 P，使 PTAP = diag(1 , 2 , … , n) ;
作正交线性替换 X = PY ，其中
Y = (x1 , x2 , … , xn )T Rn ，则二次型 f ( x1 , x2 , … ,
xn ) 化为标准形 1y12 + 2y22 + … + nyn2 .
如果二次型 f ( x1 , x2 , …, xn ) = xTAx (其中 AT = A) 通过可逆线性替换可以化为
y12 + … + yp2 – y2p+1 – … – yr2 ( p r n )
则称上式为该二次型的规范形.
规范形中,正项的个数 p 称为二次型的 正惯性指标,负项个数r－p 称为二次型的负 惯性指标. r 是二次型的秩. p – ( r – p ) = 2p – r 称为二次型的符号差
y1
y2
yr
yr 1
0 yn
二、用正交线性替换法 化二次型为标准形
定理3.14 实对称矩阵 A 一定与对角矩阵相似, 且存在 正交矩阵 Q , 使得 Q1 AQ 为对角阵.
定理4.2 对于二次型 X T AX ,一定存在正交矩阵Q , 使得经过正交替换 x Qy 把它化为标准形
B = CTAC = diag(d1 , d2 , … , dr , 0 , … , 0).
d1
d2
( y1, y2,..., yn )
dr 0
d1 y12 d2 y22 ... dr yr2
d1 y12 d2 y22 ... dr yr2的秩为 r
1 y12 2 y22 n yn2 其中 1, 2 , , n是二次型的矩阵 A的全部特征值.
任一(实)二次型一定可以通过正交线性替换化 为标准形.
例 1 用正交线性替换化下列二次型为标 准形, 并求出所作的正交线性替换:
f ( x1,x2,x3 )
2x1x2 2x1x3 2x2 x3 ;
三、用配方法 化二次型为标准形
例 2 用配方法把三元二次型
f ( x1 , x2 , x3 ) 2 x12 3 x22 x32 4 x1 x2 4 x1 x3 8 x2 x3
化为标准形，并求所用的线性替换及变换矩阵.
例 3 用配方法化二次型
f ( x1, x2 , x3 ) 2x1 x2 2x1 x3 6x2 x3
即任何一个对称矩阵都与一个对角矩阵合同.
四、用初等变换法 化二次型为标准形
A E
对A施以一系列 行初等变换
对 A 施以一系列
E
同种列初等变换
PsT…P2TP1TAP1P2…Ps P1P2…Ps
例4
用初等变换法化二次型
f 12 x12 3 x22 12 x32
第二节 二次型的标准形与规范形
标准形的定义 正交线性替换法 配方法 初等变换法 二次型的规范形
一、标准形的定义
定义 二次型 f ( x1 , x2 , … , xn ) 经过非退化 线性替换 x= Cy所变成的如下形式(只含平方项)
yTBy = d1y12 + d2y22 + … + dryr2 ( r n ) (4.5) 的二次型称为二次型 f ( x1 , x2 , … , xn ) 的标准形. 不难看出，二次型 (4.5) 的矩阵 B 为 n 阶对角 矩阵. 即
为标准形.
定理4.3 每个二次型都可经可逆线性替换化为标准形
对任意二次型 xT Ax, 对任意对称矩阵 A, 存在可逆线性替换 x Cy, 存在可逆矩阵 C, 使得 yT (CT AC ) y 为标准形 使得矩阵 CT AC 为对角矩阵
定理 4.3' 对任意对称矩阵 A ,都存在一个可逆矩阵C , 使 CT AC 为对角矩阵, 即
1 1 |E A| 1 1 ( 2)(1 )2 ,
1 1
1 p1 1 ,
p2
1 1
, p3
1 1
.
e1
0
2
1
p1 p1
1 2
1 1 0
例. 如果二次型 f ( x1, x2 , x3 , x4 , x5 )的正惯性指数为2, 秩为4, 则它的规范形为 y12 y22 y32 y42
定理 4.4 任一二次型 f ( x1 , x2 , …, xn ) 都可以通过可逆线性替换化为规范形，且规
范形是唯一的. 推论1 任一实对称矩阵A都与对角矩阵
12 x1 x2 24 x1 x3 8 x2 x3
为标准形.
例 5 用初等变换法化二次型
f ( x1, x2 , x3 ) 2x1 x2 2x1 x3 6x2 x3
为标准形.
五、二次型的规范形
标准形唯一吗？ 标准形不唯一!
f ( x1, x2 , x3 ) 2x1 x2 2x1 x3 6x2 x3