第五节二次型及其标准形
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二次型的规范形与标准形
二次型的规范形与标准形在线性代数中，二次型是由一组变量的二次多项式构成的一类函数。
它在数学和应用领域都有广泛的应用。
对于任意二次型，可以通过适当的线性变换将其化为规范形或标准形。
本文将介绍二次型的规范形和标准形，并探讨它们的性质和应用。
1. 二次型的定义和性质二次型是由变量x1，x2，...，xn 的二次多项式构成的函数。
通常表示为Q(x) = x^T A x，其中x = (x1, x2, ..., xn)^T 是变量向量，A 是实对称矩阵。
二次型具有以下性质：- 对称性：Q(x) = Q(x^T)- 齐次性：Q(kx) = k^2 Q(x)，对任意实数k- 加性：Q(x + y) = Q(x) + Q(y)，对任意向量x，y2. 二次型的规范形对于任意二次型Q(x)，可以通过合适的变量变换将其化为规范形。
规范形是一种特殊的形式，使得无法再通过线性变换进一步简化。
规范形的形式如下：Q(x) = λ1 y1^2 + λ2 y2^2 + ... + λn yn^2其中，λ1，λ2，...，λn 是实数，y1，y2，...，yn 是规范变量。
通过矩阵的特征值分解，可以得到二次型的规范形。
具体步骤如下：- 求出二次型Q(x)对应的对称矩阵A的特征值λ1，λ2，...，λn- 对应每个特征值λi，求出对应的特征向量yi- 将特征向量yi按列排列得到矩阵P = (y1, y2, ..., yn)- 规范形为Q(x) = P^T Δ P，其中，Δ = diag(λ1, λ2, ..., λn) 是特征值对角矩阵3. 二次型的标准形二次型的标准形是规范形的一种特殊情况，对应于所有特征值都是1或-1的情况。
标准形的形式如下：Q(x) = y1^2 + y2^2 + ... + yn^2对于特征值λi = 1，取对应的特征向量yi作为标准变量；对于特征值λi = -1，取对应的特征向量yi的相反数作为标准变量。
相比规范形，标准形更加简洁，且易于分析和计算。
5-4二次型
1 2 1 2 0
使得 P 1 AP L 0 1 0 0 0 1 于是正交变换 x = P y 把二次型化为标准形 f = －2y12 + y22 + y32
1 6 1 6 2 6
2 0 0 P 1 AP L 0 1 0 0 0 1
2 2 f l 1 y1 ln yn .
5. 作正交变换x Cy , 则得f的标准形
例
将二次型
2 2 2 f 17 x1 14 x2 14 x3 4 x1 x2 4 x1 x3 8 x2 x3
通过正交变换 x Py , 化成标准形.
解 1．写出对应的二次型矩阵，并求其特征值 17 2 2 A 2 14 4 2 4 14 2 2 17 l 2 A lE 2 14 l 4 l 18 l 9 2 4 14 l
k1 令 K= k2 1 , i r, , 其中k | li | i 1, i r. kn
则 K 可逆，变换 y = Kz 把 f (P y) 化为 f (PKz) = (PKz)T A (PKz) = zTKTPTAPKz = zTKTΛKz 其中 T l1 l2 lr K LK diag , , , , 0, , 0 | lr | | l1 | | l2 |
2 ann xn
an1 xn x1 an 2 xn x2
i , j 1
a
n
ij
xi x j
f ( x1 , x2 ,
2 , xn ) a x a12 a x12 x x) x11 ( a x a a x 1x 22 11 nn 1n n 1 1 11 x1 2 a x x a x aa x2 x x21 ( a x a x 22 2n n 2 221 1 1 22 2 2 2n x n)
第五节 二次型及其标准型5-2
解 1）二次型的矩阵为 ）
0 1 A= 1 −1
1 −1 −1 1 ， −1 0 1 1 1 0 1 0
1 1 1 −1 1 −λ −1 1 1 −λ −1 1 A− λE = = (1−λ) 1 −1 −λ 1 1 −1 −λ 1 −1 1 1 −λ 1 1 1 −λ
5、用x=Py，把f 化成标准型 用 ，
其 λ , λ2, L λn使 的 阵 的 个 征 . 中1 , f 矩 A n 特 值
例1.2 求一个正交变换x=Py，把二次型 求一个正交变换x=Py，
f = 2x1x2 +2x1x3 −2x1x4 −2x2x3 +2x2x4 +2x3x4 化 标 形 为 准 .
例１ 写出二次型
f = x + 2 x − 3 x + 4 x1 x2 − 6 x2 x3
2 1 2 2 2 3
的矩阵. 解 a11 = 1 , a 22 = 2 , a 33 = −3 ,
a12 = a 21 = 2 , a13 = a 31 = 0 , a 23 = a 32 = −3.
0 1 2 ∴ A = 2 2 − 3 . 0 − 3 − 3
1 2 0 x 1 2 3 0 x . f (x , x2, x3) = ( x , x2, x3 ) 1 1 2 0 0 0 x3
(2)
2 二次型的标准形
定义1.2 称只含有平方项的二次型 定义
f = λ y + λ y +L+ λ y
2 1 1 2 2 2
2
3 1 1 3 A+3E = 1 −1 −1 1 1 1 0 2 ~ 0 −2 0 2
0 1 A= 1 −1
1 −1 −1 1 ， −1 0 1 1 1 0 1 0
1 1 1 −1 1 −λ −1 1 1 −λ −1 1 A− λE = = (1−λ) 1 −1 −λ 1 1 −1 −λ 1 −1 1 1 −λ 1 1 1 −λ
5、用x=Py，把f 化成标准型 用 ，
其 λ , λ2, L λn使 的 阵 的 个 征 . 中1 , f 矩 A n 特 值
例1.2 求一个正交变换x=Py，把二次型 求一个正交变换x=Py，
f = 2x1x2 +2x1x3 −2x1x4 −2x2x3 +2x2x4 +2x3x4 化 标 形 为 准 .
例１ 写出二次型
f = x + 2 x − 3 x + 4 x1 x2 − 6 x2 x3
2 1 2 2 2 3
的矩阵. 解 a11 = 1 , a 22 = 2 , a 33 = −3 ,
a12 = a 21 = 2 , a13 = a 31 = 0 , a 23 = a 32 = −3.
0 1 2 ∴ A = 2 2 − 3 . 0 − 3 − 3
1 2 0 x 1 2 3 0 x . f (x , x2, x3) = ( x , x2, x3 ) 1 1 2 0 0 0 x3
(2)
2 二次型的标准形
定义1.2 称只含有平方项的二次型 定义
f = λ y + λ y +L+ λ y
2 1 1 2 2 2
2
3 1 1 3 A+3E = 1 −1 −1 1 1 1 0 2 ~ 0 −2 0 2
第五章第五节二次型及其标准形
cn1 y1
c22 y2 c2n yn
cn2 y2 cnn yn
9
(2)
返回
P |P|≠0
即 x1 c11 c21 c1n y1
x2
c21
c22
c2
n
y2
.
xn
cn1
cn2
cnn
yn
X = PY.
(3)
要把 f 化成标准形: f k1 y12 kn yn2 .
x1
,
X
.
an2
ann
xn
则 f X ' AX .
6
返回
註: (1). f A.
(2). A的对角线上的元素是 f 中的平方 项的系数. A的右上角是 f 中交叉 项系数的一半.
例1.
f
(
y1
,
y2
)
1
0
0
2
y1 y2
1
y12
2
y22
.
例2. f 3x2 7 y2 3z2 10xy 2xz 10 yz ,
令
z1 z2
y1 y2
y3 2 y3
z3 y3
f 2z12 2z22 6z32 .
由于
y1 y2
z1 z2
z3 2z3
y3 z3
(Y P2Z )
23
返回.
X P1Y , Y P2Z . X (P1P2 )Z .
变换阵
所用的变换阵为:
1 1 01 0 1 1 1 3 P 1 1 00 1 2 1 1 1.
为标准形.
解: 利用 f 的矩阵A的特征值写出 f 的标准形.
0 1 1 1
f 的矩阵为:
c22 y2 c2n yn
cn2 y2 cnn yn
9
(2)
返回
P |P|≠0
即 x1 c11 c21 c1n y1
x2
c21
c22
c2
n
y2
.
xn
cn1
cn2
cnn
yn
X = PY.
(3)
要把 f 化成标准形: f k1 y12 kn yn2 .
x1
,
X
.
an2
ann
xn
则 f X ' AX .
6
返回
註: (1). f A.
(2). A的对角线上的元素是 f 中的平方 项的系数. A的右上角是 f 中交叉 项系数的一半.
例1.
f
(
y1
,
y2
)
1
0
0
2
y1 y2
1
y12
2
y22
.
例2. f 3x2 7 y2 3z2 10xy 2xz 10 yz ,
令
z1 z2
y1 y2
y3 2 y3
z3 y3
f 2z12 2z22 6z32 .
由于
y1 y2
z1 z2
z3 2z3
y3 z3
(Y P2Z )
23
返回.
X P1Y , Y P2Z . X (P1P2 )Z .
变换阵
所用的变换阵为:
1 1 01 0 1 1 1 3 P 1 1 00 1 2 1 1 1.
为标准形.
解: 利用 f 的矩阵A的特征值写出 f 的标准形.
0 1 1 1
f 的矩阵为:
5.5二次型及其标准形
再配方，得
f 2 y1 y3 2 2 y2 2 y3 2 6 y32 .
令
z1 z2
y1 y2
y3 2 y3
z3 y3
y1 y2
z1 z2
z3 2z3
,
即
y1 y2
1 0
0 1
1 z1 2 z2
y3 z3
y3
0
0
1
z
3
得
f 2z12 2z22 6z32 .
0 1 1 1
二次型的矩阵为
A
1 1
0 1 1 0
1 1
,
1 1 1 0
它的特征多项式为
1 1 1
1 1 1
A E
.
1 1 1
1 1 1
计算特征多项式 : 把二,三,四列都加到第一列上,有
1 1 1 1
1 1 1
A E ( 1)
,
1 1 1
1 1 1
把二,三,四行分别减去第一行,有
k2
y2
,
kn yn
也就是要使CT AC成为对角矩阵.
由 于 对 任 意 的 实 对 称 矩阵A,总 有 正 交 矩 阵P ,
使 P1 AP ,即 PT AP .把此结论应用于二次
型,有
P1 PT
定理2
任给二次型 f
n
aij xi x j aij a ji
, 总有
i , j1
2 5 15
0
2 45 y1 4 45 y2 , 5 45 y3
且有 f 9 y12 18 y22 18 y32 .
例3 求一个正交变换x Py,把二次型
f 2 x1 x2 2 x1 x3 2 x1 x4 2 x2 x3
§5 二次型及其标准形
定理8 任给二次型 f
aij xi x j aij a ji , 总有 i , j 1
n
正交变换 x Py , 使 f 化为标准形
2 2 2 f 1 y1 2 y2 n yn ,
其中 1 , 2 ,, n是 f 的矩阵A aij 的特征值.
且有
2 2 2 f 9 y1 18 y2 18 y3 .
用正交变换化二次型为标准形的具体步骤
1. 写出二次型的矩阵 A ;
2. 求出A的所有特征值1 , 2 ,, n ; 3. 求出对应于特征值的特 征向量 1 , 2 ,, n ;
4. 将特征向量1 , 2 ,, n正交化, 单位化, 得 P1 , P2 ,, Pn , 记C P1 , P2 ,, Pn ;
从而得特征值
1 9, 2 3 18.
step2．求特征向量
将 1 9代入 A E x 0, 得基础解系 T 1 (1 2,1,1) . 将 2 3 18代入 A E x 0, 得基础解系 T T 2 ( 2,1,0) , 3 ( 2,0,1) .
1 1 1 p1 1 , p 2 1 , p 3 1 . 2 0 1
思考题解答
将其单位化得
1 6 p1 1 6 , q1 p1 2 6 1 3 p3 1 3 . q3 p3 1 3
对称矩阵 A 叫做二次型 f 的矩阵 ;
f 叫做对称矩阵 A 的二次型 ; 对称矩阵 A 的秩叫做二次型 f 的秩 .
2 2 2 例1 写出二次型 f x1 2 x2 3 x3 4 x1 x2 6 x2 x3
aij xi x j aij a ji , 总有 i , j 1
n
正交变换 x Py , 使 f 化为标准形
2 2 2 f 1 y1 2 y2 n yn ,
其中 1 , 2 ,, n是 f 的矩阵A aij 的特征值.
且有
2 2 2 f 9 y1 18 y2 18 y3 .
用正交变换化二次型为标准形的具体步骤
1. 写出二次型的矩阵 A ;
2. 求出A的所有特征值1 , 2 ,, n ; 3. 求出对应于特征值的特 征向量 1 , 2 ,, n ;
4. 将特征向量1 , 2 ,, n正交化, 单位化, 得 P1 , P2 ,, Pn , 记C P1 , P2 ,, Pn ;
从而得特征值
1 9, 2 3 18.
step2．求特征向量
将 1 9代入 A E x 0, 得基础解系 T 1 (1 2,1,1) . 将 2 3 18代入 A E x 0, 得基础解系 T T 2 ( 2,1,0) , 3 ( 2,0,1) .
1 1 1 p1 1 , p 2 1 , p 3 1 . 2 0 1
思考题解答
将其单位化得
1 6 p1 1 6 , q1 p1 2 6 1 3 p3 1 3 . q3 p3 1 3
对称矩阵 A 叫做二次型 f 的矩阵 ;
f 叫做对称矩阵 A 的二次型 ; 对称矩阵 A 的秩叫做二次型 f 的秩 .
2 2 2 例1 写出二次型 f x1 2 x2 3 x3 4 x1 x2 6 x2 x3
二次型及其标准形
使
PT AP P 1AP diag(2, 1, 1)
取正交变换 x Py, 则 f ( x) 2 y12 y22 y32
二次曲面 2xy 2xz 2yz 1 通过正交变换
化为标准1 x
1 y 2 1 y
1 z 6 1 z
3
2
6
z
1 x 3
2 z 6
1
PT AP
n
其中 1, , n 是 A 的特征值. 令 x Py, 则
f ( x) (Py)T A(Py) yT(PT AP ) y 1 y12 n yn2
f (x) 的法式(标准形)
❖ 定理 设 A 为对称阵, 则存在正交阵 P, 使 P 1AP PT AP Λ
其中 L 为对角阵, 以 A 的特征值为对角元素.
f ( x) y12 3 y22
例4 化二次型 f ( x) 2 x1x2 2x1x3 2x2 x3 为标准形.
解
令
x1 x2
y1 y1
y2
得
x3 y3
f ( x) 2 y12 2 y1 y2 4 y1 y3 2 y2 y3
2( y1 0.5 y2 y3 )2 0.5 y22 2 y32
❖ 拉格朗日(Lagrange)配方法 • 如果有 xi 的平方项, 则把含 xi 的所有项归并配方; • 如果没有平方项, 则把 x1xi 化为 y12 y1 yi , 其中令
xi y1 yi xj yj, ( j i)
例3 求一个可逆线性变换 x Cy, 化二次型
f ( x) x12 x22 6 x32 4 x1 x2 6 x1 x3 6 x2 x3 为 y 的标准形.
• 当变元从 x 变换为 y 时, 二次型 f 的矩阵从 A 变为 B C T AC
二次型及其 标准形
1 1
| A E | (1 )2 (2 ) 0 ，
得特征值 1 2 1 ， 3 2 ．
1.3 二次型的标准形
例题
1
2
1
1
2
1 对应的特征向量为
1
1
， 2
0
，将其正交化，取
q1
1
1 ，
0
1
0
q2
2
[2 [q1
，q1 ] ，q1 ]
q1
2
0
1
2 2
3
换为 x Py ，所化二次型的标准形为 f 0 y12 3y22 3y32 ．
1.3 二次型的标准形
例题
例5
求一个正交变换 x
Py ，将二次型
f
1 2
x12
x1x2
2x1x3
1 2
x22
2x2x3
x32 化为标
准形．
1 2
1 2
1
解：二次型矩阵为
A
1 2
1 2
1 ，由
1
称为一个 n 元二次型，简称二次型，记为 f．
（6-1）
若式（6-1）中系数 aij 为复数，则 f 称为复二次型；若 aij 全为实数，则 f 称为实二次型
1.1 二次型的基本概念
定义
为了用矩阵表示二次型，若记 aij a ji ，则 2aij xi x j aij xi x j a ji x j xi ，式（6-1）可改写
f 1 y12 2 y22 n yn2 ．
（6-4）
1.3 二次型的标准形
化标准型
用正交变换法化二次型为标准形的步骤如下．
（1）写出二次型的矩阵 A ，求其特征值 1 ， 2 ， ， n ； （2）求出所有特征值对应的特征向量，并将它们正交单位化；
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写出二次型的矩阵 A ，并求出二次型的秩.
解 设 f = xTAx, 则
1 1 2 3
A
1 2 3
3 4 2
4 1 0
2
0 4
单击这里求秩
R( A) 4.
定义 如果一个二次型只含变量的平方项，
则称这个二次型为标准形(或法式) .
如果标准形的系数只在 1 , -1 , 0 三个数中
取值，则称之为规范形. 例如
有正交矩矩阵阵PP,,使使PP--11AAPP==, 其即中PTAP是=以 A. 把的此n 个特
结论应值用为于对二角次元型素, 即的有对角矩阵.
定理 8 任给二次型
nn
f
aij xi x j (aij a ji ),
i1 j1
总有正交变换 x = Py , 使 f 化为标准形
f = 1y12 + 2 y22 + ···+ nyn2 ,
第 五 节 二次型及其标准形
主要内容
问题的提出 二次型的概念 合同矩阵 主要结论 举例
一、问题的提出
在解析几何中, 为了便于研究二次曲线
ax2 + bxy + cy2 = 1
(1)
的几何性质, 我们可以选择适当的坐标旋转变换
x xcos ysin ,
y
x s in
y
cos
,
把方程化为标准形
证明 按 定证理明8 按任定有给理二8次型任有给二次型
nn
nn
f(Py) = yTfy(P=y)=yy2T+y=y2 +y ·2··++yy22+. ···+ y 2 .
五、举例
例 22 用正交变换化下列二次型为标准形,
并求出所作的非退化线性变换(即可逆变换):
(1) f (x1,x2,x3) 2x1x2 2x1x3 2x2x3 ;
定义 8 称 n 个变量的二次齐次式
f(x1 , x2 , ···, xn ) = a11x12 + a22x22 + ···+ annxn2 +
2a12x1x2 + 2a13x1x3 + ···+ 2an-1,nxn-1xn
(2)
为二次型.
取 aij = aji , 则 2aijxixj = aijxixj + ajixjxi ,
对于二次型，我们讨论的主要问f 题 是x12：寻3x求22 4x
可逆的线性变换 x = Cy，把二次型化为标准形.
二次型的秩的意义标准是形：一个二次型
的标准形中所含的项数即为该二f 次型x12的秩x22. x42
三、合同矩阵
1. 定义 定义 9 设 A 和 B 是 n 阶方阵，若有可逆 矩阵 C，使 B = CTAC，则称矩阵 A 与 B 合同. 2. 性质 定理 任给可逆矩阵 C ，令 B = CTAC ，
写出二次型的矩阵 A , 并求出二次型的秩.
解 设 f = xTAx , 则
A 12
12
,
x
x y
.
显然， R( A) 2.
例 23 已知二次型
f (x1,x2,x3,x4 ) x12 3x22 x32 4x42 2x1x2 4x1x3 6x1x4 8x2 x3 4x2 x4,
mx2 ny2 1.
(1) 式的左边是一个二次多项式, 从代数学的 观点看, 化标准形的过程就是通过变量的线性变 换化简一个二次齐次多项式, 使它只含有平方项. 这样一个问题, 在许多理论问题或实际问题中常 会遇到. 现在我们把这类问题一般化, 讨论 n 个 变量的二次齐次多项式的化简问题.
二、二次型的概念
yTC T ACy k1 y12 k2 y22 kn yn2
k1
y1
( y1,y2,,yn )
k2
y2
,
kn yn
也就是要使 CTAC 成为对角矩阵. 因此, 我们的主
要问题就是，对于对称矩阵 A , 寻求可逆矩阵 C,
使 CTAC 为对角矩阵.
四、主要结论
由上节 定理 7 设知A, 任为给n实阶对对称称矩矩阵阵A, 则, 总必有正
其中1 , 2 , ···, n 是 f 的矩阵 A = (aij) 的特征值.
推论 任给推n论元二任次给型nf元= 二xTT次Ax型(AfTT===xAAT)A),,x (AT =
总 总有 有可可逆逆变变总换换有xx可==逆CCzz变，，换使使xff((=CCCzz))z，为为使规规范范f(C形形z).. 为规范形.
nn
f (x1,x2,,xn )
aij xi x j xT Ax,
i1 j1
其中 AT = A 为实对称矩型的秩. 这样,
实二次型与实对称矩阵之间就建立起一一对应的
关系.
例 22 已知二次型 f (x,y) x2 4xy y2 ,
如果 A 为对称矩阵，则 B 亦为对称矩阵，且 R(B) = R(A).
证明 A 为证对明称矩A阵为, 对即称有矩AT阵=, A即, 有于是AT = A, 于是
此定理说明经可逆变换 x = Cy 后, 二次型的 矩阵由 A 变为与 A 合同的矩阵 CTAC , 且二次型 的秩不变.
要使二次型经可逆变换 x = Cy 变成标准形, 就是要使
于是 (2) 式可写成
f(x1 , x2 , ···, xn) = a11x12 + a12x1x2 + ···+ a1nx1xn + a21x2x1 + a22x22 + ···+ a2nx2xn + ··· ··· ··· ···
+ an1 xnx1 + an2xnx2 + ···+ annxn2
a11
(
x1,x2
,
,
xn
)
a21
a12
a22
a1n x1 a2n x2
an1 an2 ann xn
nn
aij xi x j .
i1 j1
若记 A = (aij)n×n , x = (x1 , x2 , ···, xn)T , 则
(2) 式所表示的二次型可以表示成
(2) f (x1,x2,x3) x12 4x22 x32 4x1x2 8x1x3 4x2x3 .
本若请本若请本若请节想本单若请节想本单若请节想本单若内请结节击想本 本单若 若内请 请结节击想本 本单若 若内请 请结节击想本 本容单若 若束内请 请返结节节击想 想本 本容单单若 若束内请 请返结节节击想 想本 本 本容单 单若 若 若束内请 请 请返结节 节已想击想本本 本容单单若 若回束内内请 请返结 结节 节已击想击想本本容单单若回束内内请返结 结节 节 节已击 击想 想想本本容单 单 单若回束内 内结请返结结堂节节已击想 想击按本本容容单 单若回束 束内 内结请返返结结堂节已击击想按本本容容单若回束 束内 内 内结请返 返结 结结堂节已击 击 击想按本本容 容束单若回束束课内内结请返返结 结钮堂节已已击 击想按本 本本容 容束单若回回束束课内结请返返结钮堂节已已击想按本 本容 容 容束单回 回束束 束课内结返 返 返结钮堂节已 已击想按本本,容容束单回回束 束课.内结结!返 返结钮堂 堂节已 已击想按按本本,容束单回回束课.内结结!返结钮堂 堂已 已 已击按 按本 本本,容束回 回 回束课.内结 结!返结钮堂堂已已击按按本 本,容束束回 回束课 课.内结 结!返结钮钮堂堂已击按按本,容束束回束课 课.结 结 结!返钮 钮堂堂 堂已按 按 按本,容束 束回束课课.结结!返钮钮堂 堂已按 按本,,容束束回束课课..结!!返钮钮堂已按本,,束束束回课 课课..结!!钮 钮 钮堂已按本,,束束回课 课..结!!钮 钮堂已按本,,束回课..结!!钮堂按,,,束课...结!!!钮堂按,,束课..结!!钮堂按,束课.!钮,束课.!钮,束课.!钮,.!,.!,.!
解 设 f = xTAx, 则
1 1 2 3
A
1 2 3
3 4 2
4 1 0
2
0 4
单击这里求秩
R( A) 4.
定义 如果一个二次型只含变量的平方项，
则称这个二次型为标准形(或法式) .
如果标准形的系数只在 1 , -1 , 0 三个数中
取值，则称之为规范形. 例如
有正交矩矩阵阵PP,,使使PP--11AAPP==, 其即中PTAP是=以 A. 把的此n 个特
结论应值用为于对二角次元型素, 即的有对角矩阵.
定理 8 任给二次型
nn
f
aij xi x j (aij a ji ),
i1 j1
总有正交变换 x = Py , 使 f 化为标准形
f = 1y12 + 2 y22 + ···+ nyn2 ,
第 五 节 二次型及其标准形
主要内容
问题的提出 二次型的概念 合同矩阵 主要结论 举例
一、问题的提出
在解析几何中, 为了便于研究二次曲线
ax2 + bxy + cy2 = 1
(1)
的几何性质, 我们可以选择适当的坐标旋转变换
x xcos ysin ,
y
x s in
y
cos
,
把方程化为标准形
证明 按 定证理明8 按任定有给理二8次型任有给二次型
nn
nn
f(Py) = yTfy(P=y)=yy2T+y=y2 +y ·2··++yy22+. ···+ y 2 .
五、举例
例 22 用正交变换化下列二次型为标准形,
并求出所作的非退化线性变换(即可逆变换):
(1) f (x1,x2,x3) 2x1x2 2x1x3 2x2x3 ;
定义 8 称 n 个变量的二次齐次式
f(x1 , x2 , ···, xn ) = a11x12 + a22x22 + ···+ annxn2 +
2a12x1x2 + 2a13x1x3 + ···+ 2an-1,nxn-1xn
(2)
为二次型.
取 aij = aji , 则 2aijxixj = aijxixj + ajixjxi ,
对于二次型，我们讨论的主要问f 题 是x12：寻3x求22 4x
可逆的线性变换 x = Cy，把二次型化为标准形.
二次型的秩的意义标准是形：一个二次型
的标准形中所含的项数即为该二f 次型x12的秩x22. x42
三、合同矩阵
1. 定义 定义 9 设 A 和 B 是 n 阶方阵，若有可逆 矩阵 C，使 B = CTAC，则称矩阵 A 与 B 合同. 2. 性质 定理 任给可逆矩阵 C ，令 B = CTAC ，
写出二次型的矩阵 A , 并求出二次型的秩.
解 设 f = xTAx , 则
A 12
12
,
x
x y
.
显然， R( A) 2.
例 23 已知二次型
f (x1,x2,x3,x4 ) x12 3x22 x32 4x42 2x1x2 4x1x3 6x1x4 8x2 x3 4x2 x4,
mx2 ny2 1.
(1) 式的左边是一个二次多项式, 从代数学的 观点看, 化标准形的过程就是通过变量的线性变 换化简一个二次齐次多项式, 使它只含有平方项. 这样一个问题, 在许多理论问题或实际问题中常 会遇到. 现在我们把这类问题一般化, 讨论 n 个 变量的二次齐次多项式的化简问题.
二、二次型的概念
yTC T ACy k1 y12 k2 y22 kn yn2
k1
y1
( y1,y2,,yn )
k2
y2
,
kn yn
也就是要使 CTAC 成为对角矩阵. 因此, 我们的主
要问题就是，对于对称矩阵 A , 寻求可逆矩阵 C,
使 CTAC 为对角矩阵.
四、主要结论
由上节 定理 7 设知A, 任为给n实阶对对称称矩矩阵阵A, 则, 总必有正
其中1 , 2 , ···, n 是 f 的矩阵 A = (aij) 的特征值.
推论 任给推n论元二任次给型nf元= 二xTT次Ax型(AfTT===xAAT)A),,x (AT =
总 总有 有可可逆逆变变总换换有xx可==逆CCzz变，，换使使xff((=CCCzz))z，为为使规规范范f(C形形z).. 为规范形.
nn
f (x1,x2,,xn )
aij xi x j xT Ax,
i1 j1
其中 AT = A 为实对称矩型的秩. 这样,
实二次型与实对称矩阵之间就建立起一一对应的
关系.
例 22 已知二次型 f (x,y) x2 4xy y2 ,
如果 A 为对称矩阵，则 B 亦为对称矩阵，且 R(B) = R(A).
证明 A 为证对明称矩A阵为, 对即称有矩AT阵=, A即, 有于是AT = A, 于是
此定理说明经可逆变换 x = Cy 后, 二次型的 矩阵由 A 变为与 A 合同的矩阵 CTAC , 且二次型 的秩不变.
要使二次型经可逆变换 x = Cy 变成标准形, 就是要使
于是 (2) 式可写成
f(x1 , x2 , ···, xn) = a11x12 + a12x1x2 + ···+ a1nx1xn + a21x2x1 + a22x22 + ···+ a2nx2xn + ··· ··· ··· ···
+ an1 xnx1 + an2xnx2 + ···+ annxn2
a11
(
x1,x2
,
,
xn
)
a21
a12
a22
a1n x1 a2n x2
an1 an2 ann xn
nn
aij xi x j .
i1 j1
若记 A = (aij)n×n , x = (x1 , x2 , ···, xn)T , 则
(2) 式所表示的二次型可以表示成
(2) f (x1,x2,x3) x12 4x22 x32 4x1x2 8x1x3 4x2x3 .
本若请本若请本若请节想本单若请节想本单若请节想本单若内请结节击想本 本单若 若内请 请结节击想本 本单若 若内请 请结节击想本 本容单若 若束内请 请返结节节击想 想本 本容单单若 若束内请 请返结节节击想 想本 本 本容单 单若 若 若束内请 请 请返结节 节已想击想本本 本容单单若 若回束内内请 请返结 结节 节已击想击想本本容单单若回束内内请返结 结节 节 节已击 击想 想想本本容单 单 单若回束内 内结请返结结堂节节已击想 想击按本本容容单 单若回束 束内 内结请返返结结堂节已击击想按本本容容单若回束 束内 内 内结请返 返结 结结堂节已击 击 击想按本本容 容束单若回束束课内内结请返返结 结钮堂节已已击 击想按本 本本容 容束单若回回束束课内结请返返结钮堂节已已击想按本 本容 容 容束单回 回束束 束课内结返 返 返结钮堂节已 已击想按本本,容容束单回回束 束课.内结结!返 返结钮堂 堂节已 已击想按按本本,容束单回回束课.内结结!返结钮堂 堂已 已 已击按 按本 本本,容束回 回 回束课.内结 结!返结钮堂堂已已击按按本 本,容束束回 回束课 课.内结 结!返结钮钮堂堂已击按按本,容束束回束课 课.结 结 结!返钮 钮堂堂 堂已按 按 按本,容束 束回束课课.结结!返钮钮堂 堂已按 按本,,容束束回束课课..结!!返钮钮堂已按本,,束束束回课 课课..结!!钮 钮 钮堂已按本,,束束回课 课..结!!钮 钮堂已按本,,束回课..结!!钮堂按,,,束课...结!!!钮堂按,,束课..结!!钮堂按,束课.!钮,束课.!钮,束课.!钮,.!,.!,.!