矩阵二次型
二次型的矩阵怎么求 例题
二次型的矩阵怎么求例题
要求一个二次型的矩阵，首先需要明确二次型的定义。
二次型
是一个关于n个变量的二次齐次多项式，可以表示为一个n维向量
x和一个对称矩阵A的乘积，即x^T A x。
对于一个给定的二次型，我们可以通过矩阵A的特定形式来表示它。
假设我们有一个二次型Q(x, y, z) = 2x^2 + 3y^2 + 4z^2 +
2xy + 2xz + 2yz。
我们可以将这个二次型表示为向量x和矩阵A的
乘积形式，其中x = [x, y, z]^T，A是我们要求的矩阵。
为了求出
矩阵A，我们需要将二次型中的系数分别填入矩阵A的对应位置。
首先，矩阵A是一个对称矩阵，所以A的主对角线元素对应二
次型中各个变量的平方系数，而A的非主对角线元素对应二次型中
各个变量的交叉系数的一半。
在这个例子中，矩阵A应该是一个
3x3的对称矩阵，其元素应该满足A = [[2, 1, 1], [1, 3, 1], [1, 1, 4]]。
因此，对于给定的二次型，我们可以通过整理系数得到矩阵A
的形式。
这个矩阵A就是我们所求的二次型的矩阵表示形式。
总结起来，要求一个二次型的矩阵表示，首先将二次型表示为向量x和矩阵A的乘积形式，然后根据二次型中各个变量的系数填入矩阵A的对应位置，最终得到对称矩阵A。
这个矩阵A就是所求的二次型的矩阵表示形式。
对称矩阵与二次型
对称矩阵与二次型对称矩阵和二次型是线性代数中非常重要的概念，它们在各种数学和工程领域都有广泛的应用。
本文将介绍对称矩阵的定义和特性，以及与之相关的二次型的概念和性质。
一、对称矩阵的定义与特性在线性代数中，对称矩阵是指满足矩阵的转置等于其自身的矩阵。
具体定义如下：定义1：对称矩阵设A是一个n×n的矩阵，如果满足A^T=A，则称A为对称矩阵。
对称矩阵的一些特性如下：特性1：主对角线上的元素对称矩阵的主对角线上的元素都相等，即a_ij = a_ji。
特性2：特征值对称矩阵的特征值都是实数。
特性3：特征向量对称矩阵的特征向量对应不同特征值的特征向量是正交的。
特性4：对角化对称矩阵可以被对角化，即可以通过相似变换得到对角矩阵。
二、二次型的定义与性质二次型是对称矩阵与向量的乘积，它是一个函数，将向量映射为实数。
具体定义如下：定义2：二次型设f(x) = x^TAx是一个定义在R^n上的函数，其中A是一个n×n的对称矩阵，x是一个n维列向量。
称f(x)为二次型。
二次型有一些重要的性质：性质1：对称性二次型的矩阵A是对称矩阵，即A^T=A。
性质2：标准型对于任意二次型f(x)，都存在一个正交变换，将其化为标准型。
标准型的形式为f(x) = λ_1y_1^2 + λ_2y_2^2 + ... + λ_ny_n^2，其中λ_1, λ_2, ..., λ_n为实数，y_1, y_2, ..., y_n为变量。
性质3：正定、负定与半正定二次型可以根据其对应的矩阵A的特征值判定其正定、负定与半正定。
当A的所有特征值均为正时，二次型为正定；当A的所有特征值均为负时，二次型为负定；当A的特征值既有正又有负时，二次型为不定；当A的特征值既有非负又有非正时，二次型为半正定。
三、对称矩阵与二次型的关系对称矩阵与二次型之间有紧密的联系，通过对称矩阵可以定义出二次型，同时对于任意一个二次型，都可以找到对应的对称矩阵。
相似矩阵及二次型知识点
相似矩阵及二次型知识点
两个n阶矩阵A和B，若存在一个可逆矩阵P，使得P^-1AP=B，则称A和B 相似，记作A~B。
相似矩阵有以下性质：
1. 相似矩阵具有相同的特征值和特征向量。
2. 相似矩阵具有相同的秩。
3. 相似矩阵具有相同的行列式。
4. 相似矩阵的转置矩阵也是相似的。
二次型：
二次型是指一个n元二次齐次多项式，即一个形如Q(x)=x'Ax的函数，其中x 是n维列向量，A是一个n×n的实对称矩阵。
二次型有以下性质：
1. 二次型在同一个正交变换下的值是相等的。
2. 存在一个正交变换将二次型转化为标准型。
3. 标准型中的主元是该二次型的特征值。
4. 二次型的正定性、负定性和半定性都与矩阵A的特征值有关。
5. 二次型的规范形是唯一的。
二次型及其矩阵表示
什么是二次型
VS
二次型在数学、物理、工程等多个领域都有广泛应用，如物理学中的能量表达式、电气工程中的阻抗矩阵等。
理论发展推动
二次型的理论发展推动了线性代数、微积分等多个数学分支的发展，为这些学科提供了重要的理论支撑和实践指导。
应用领域广泛
Байду номын сангаас
二次型的重要性
二次型的矩阵表示
将二次型转换为矩阵形式可以借助矩阵运算实现简化，方便进行计算和推导。
通过二次型矩阵的特征值和特征向量，可以研究矩阵的性质和结构。
矩阵的相似
利用二次型矩阵的相似变换，可以对矩阵进行分类和整理。
矩阵的合同
通过二次型矩阵的合同变换，可以研究矩阵的正定性、半正定性和半负定性。
在线性代数中的应用
03
二次型微积分
利用二次型矩阵的微积分性质，可以研究函数的曲线、曲面和体积等问题。
二次型与矩阵的转换
二次型矩阵是对称矩阵，其特征值和特征向量具有重要物理意义，可以描述系统的性质和行为。
二次型矩阵的特性
二次型的定义与性质
02
二次型
实数域上的二次型，是一种特殊的方阵，代表一个二次齐次函数。
矩阵表示
二次型可以用实对称矩阵来表示，即对于一个二次型f(x1,x2,...,xn)=X^tAX，其中X是n维向量，A是n阶实对称矩阵。
例2
二次型的矩阵表示的总结与展望
05
二次型与线性代数紧密相连，是研究多变量二次关系的重要工具。
二次型矩阵表示的小结
二次型的矩阵表示具有直观、简便、易于操作等特点，有利于快速求解二次型的数值解。
通过引入矩阵这一数学工具，可以将二次型表示为矩阵的形式，从而对其进行深入分析和计算。
二次型矩阵定义
二次型矩阵定义二次型矩阵是线性代数中的一个重要概念，它在许多应用领域中都有广泛的应用。
在本文中，我们将介绍二次型矩阵的定义、性质和相关应用。
我们来定义什么是二次型矩阵。
二次型矩阵是一个实对称矩阵，它的每一个元素都是二次型函数的系数。
二次型函数是一个关于n个变量的二次多项式，可以表示为：Q(x) = x^T * A * x其中x是一个n维列向量，A是一个n×n的实对称矩阵，x^T表示x的转置。
这个函数表示了一个点x在矩阵A的作用下的变化情况。
二次型矩阵有许多重要的性质。
首先，它是实对称矩阵，即A的转置等于自身。
其次，它的特征值都是实数。
这个性质在许多应用中都非常有用，比如在物理学中表示能量的二次型函数必须是实数。
二次型矩阵还有一个重要的性质是正定性。
一个二次型矩阵A是正定的，当且仅当对于任意非零列向量x，都有x^T * A * x > 0。
这个性质在优化问题中非常有用，因为正定矩阵可以保证目标函数的凸性和最优解的存在性。
二次型矩阵的应用非常广泛。
在机器学习中，二次型矩阵可以用来表示特征之间的相关性，从而帮助我们理解数据的结构和特征的重要性。
在最小二乘法中，二次型矩阵可以用来求解最优拟合线的参数。
在信号处理中，二次型矩阵可以用来表示信号的功率谱密度。
在经济学中，二次型矩阵可以用来表示效用函数和生产函数的特性。
除了上述应用外，二次型矩阵还有许多其他的应用。
在数学中，二次型矩阵可以用来求解线性方程组的特解。
在物理学中，二次型矩阵可以用来表示质心和转动惯量。
在工程中，二次型矩阵可以用来表示结构的刚度和振动特性。
总结起来，二次型矩阵是一个重要的数学概念，它在许多领域中都有广泛的应用。
通过对二次型矩阵的研究，我们可以更好地理解和解决实际问题。
无论是在理论研究还是实际应用中，二次型矩阵都发挥着重要的作用。
希望本文对读者理解二次型矩阵有所帮助。
矩阵二次型
0 3 3
练习 求二次型 f的矩阵
(1) f ( x1, x2 , x3 ) x12 2 x22 2 x1 x2 3 x2 x3
1 1 0
解： A 1
2
3
2
0
3
0
2
(2) f ( x1, x2 , x3 , x4 ) x12 2x22 7 x42 2x1x2 2x2 x3 4x3 x4
第八章 二次型
一、二次型及其标准形的概念
定义1 含有n个变量 x1, x2 ,, xn的二次齐次函数
f x1 , x2 ,, xn a11 x12 a22 x22 ann xn2
2a12 x1 x2 2a13 x1 x3 2an1,n xn1 xn
称为二次型.
当aij是复数时, f称为复二次型 当aij是实数时, f称为实二次型
解：A
1 3
5 3
3 c
r( A) 2 A 0 c3
四、化二次型为标准形
对于二次型，我们讨论的主要问题是：寻求 可逆的线性变换，将二次型化为标准形．
设 x1 c11 y1 c12 y2 c1n yn ,
x2 c21 y1 c22 y2 c2n yn
,
xn cn1 y1 cn2 y2 cnn yn
记
a11
A
a21
a12
a22
a1n
a2n
,
x1
x
x2
,
an1 an2 ann
xn
则二次型可记作 f xT Ax,其中A为对称矩阵.
则 f xT Ax,
——二次型的矩阵表示式
A 其中 为对称阵：
. AT A
二次型矩阵正交变换
二次型矩阵正交变换
摘要：
一、二次型矩阵正交变换的定义
二、二次型矩阵正交变换的性质
三、二次型矩阵正交变换的应用
正文：
二次型矩阵正交变换，是线性代数中一种重要的矩阵变换。
它指的是在线性空间中，对二次型矩阵进行正交变换后，新的二次型矩阵与原二次型矩阵等价，即它们的内积等于原二次型矩阵的内积。
二次型矩阵正交变换在数学、物理、工程等领域具有广泛的应用。
首先，我们来看二次型矩阵正交变换的定义。
设二次型矩阵A是一个n阶矩阵，它的正交变换矩阵P是一个n阶正交矩阵，那么，二次型矩阵A在正交变换矩阵P作用下的矩阵B为B = P^TAP，其中P^T是P的转置。
容易验证，B也是一个n阶二次型矩阵，且B与A等价，即它们的内积等于原二次型矩阵的内积，即<Ax, Ay> = <Bx, By>，其中x和y是任意向量。
其次，我们来看二次型矩阵正交变换的性质。
二次型矩阵正交变换有以下几个重要性质：1）正交变换不改变二次型矩阵的秩；2）正交变换不改变二次型矩阵的行列式；3）正交变换不改变二次型矩阵的迹；4）正交变换可以将二次型矩阵转化为对角矩阵，从而简化问题。
最后，我们来看二次型矩阵正交变换的应用。
二次型矩阵正交变换在许多领域都有广泛应用，例如在求解线性代数问题时，通过正交变换可以将二次型
矩阵转化为对角矩阵，从而简化问题，提高计算效率。
在物理学中，二次型矩阵正交变换可以用于描述物体的运动，例如在量子力学中，通过正交变换可以将哈密顿算符转化为简单的形式，从而方便求解薛定谔方程。
综上所述，二次型矩阵正交变换是线性代数中一种重要的矩阵变换，它具有广泛的应用和重要的性质。
二次型矩阵的方法
二次型矩阵的方法
求解二次型矩阵的方法包括以下步骤：
1. 确定二次型的矩阵表示。
将二次型的表达式转化为矩阵形式，即将各个变量的二次项系数放入对应的位置。
2. 判断矩阵的正负惯性。
通过对称矩阵的特征值来判断二次型的正负惯性。
如果特征值的个数为正数，则二次型为正定；如果特征值的个数为负数，则二次型为负定；如果特征值的个数为零，则二次型为不定。
3. 判断矩阵的秩。
通过计算矩阵的秩，可以进一步确定二次型的类型。
如果矩阵的秩等于变量的个数，则二次型为满秩二次型；如果矩阵的秩小于变量的个数，则二次型为非满秩二次型。
4. 进一步分析二次型。
根据矩阵的秩和正负惯性的结果，可以进一步分析二次型的性质。
例如，可以确定是否存在一个线性变换可以将二次型转化为一个仅包含平方项的标准形式。
通过上述步骤，可以得到二次型矩阵的一些基本属性，以及进一步的分析结果。
这有助于我们对二次型的性质有更深入的理解，并应用于具体问题的求解。
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f x Ax( A A) , 总 存在正交变换 x Py，使 f 化为标准形 2 2 2 f 1 y1 2 y2 n yn ,
T T
其中 1 , 2 ,, n是 f 的矩阵 A 的特征值.
即任何二次型都可用正交变换化为标准形.
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1 3 2 1 0 0 －1
例3：已知二次型 f 的秩为2，求参数c。
f ( x1 , x2 , x3 ) 5 x 5 x cx 2 x1 x2 6 x1 x3 6 x2 x3
2 1 2 2 2 3
5 1 3 解：A 1 5 3 3 3 c
取 a ji aij ,
则
2a x x a x x a x x ,
ij i j ij i j ji j i
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则（1）式可以表示为
2 f a11 x1 a12 x1 x2 a1n x1 xn 2 a21 x2 x1 a22 x2 a2 n x2 xn
称为二次型.
当aij 是复数时, f称为复二次型
当aij 是实数时, f称为 实二次型
（我们仅讨论实二次型）
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例如： f ( x , y ) x 2 4 xy 5 y 2
都是二次型。 f ( x , y , z ) 2 x 2 y 2 xz yz f ( x1 , x2 , x3 , x4 ) x1 x2 x2 x3 x2 x4
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化二次型为标准形
对二次型 f x Ax 作可逆变换 x 相当于对对称阵 A 作合同变换；
T
Cy，
把二次型化成标准形相当于把对称阵 A用合 同变换化成对角阵(称为把对称阵合同对角化)， T 即寻找可逆阵 C , 使 C AC diag(k1 , k2 ,, kn ).
A.
说明
对称阵与二次型一一对应； 若 f x Ax ( A A)，则对称阵 A 称为 二次型 f 的矩阵；二次型 f 称为对称阵 A的 二次型；
T
T
二次型的矩阵 A 满足： ⑴ ⑵
A 的对角元 a ii 是 x
2 i 的系数；
A 的 ( i , j ) ( i j ) 元是 x i x j 系数的一半.
称为由变量x1 , x2 ,, xn到变量y1 , y2 ,, yn 的一个线性变换.
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记C (cij),
c11 系数 c 21 矩阵 C c n1 c12 c1 n c 22 c 2 n c n 2 c nn
用正交变换化二次型为标准形的具体步骤
1. 将二次型表成矩阵形式f x Ax, 求出A;
T
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 ;
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经可逆变换后，新旧二次型的矩阵的关系：
f x Ax
T
x Cy
f y By
T
因为有
f x Ax T (Cy ) A(Cy )
T
T T
y (C AC ) y, T 所以 A与 B 的关系为： C AC . B
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则
(1) B C AC 仍是对称矩阵 (2) r ( B) r ( A)
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结束x2 3x3 4 x1 x2 6 x2 x3
的矩阵.
解
a11 1, a22 2 , a33 3 , a12 a21 2 , a13 a31 0 , a 23 a 32 3.
0 1 2 A 2 2 3 . 0 3 3
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三、二次型的矩阵及秩
在二次型的矩阵表示中，任给一个二次型， 就唯一地确定一个对称矩阵；反之，任给一个对 称矩阵，也可唯一地确定一个二次型．这样，二 次型与对称矩阵之间存在一一对应的关系．
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.
解：
1 1 A 0 0
1 2 1 0
0 1 0 2
0 0 2 7
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( 3) f ( x1 ,, xn ) x1 x2 x2 x3 xn1 xn
解：A 0 1 2 0 0 0 1 2 0 1 2 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 1 2
所以 r ( B) r ( A)
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以上说明：
二次型 f X T AX 经过可逆线性变换 X CY后， 二次型 f 的矩阵由对称矩阵 A 变为对称矩阵 B C T AC, 且二次型 f 的秩不变.
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矩阵的合同关系
定义 设 A 和 B 是 n 阶矩阵，若有可逆矩阵 C ， 使 T B C AC , 则称矩阵 A 与 B 合同.
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注释：
1. 二次型 f 的矩阵 A 必为对称矩阵.
2. 在变换二次型时，要求所作的线性变换是非退化的（可逆的）
3. “合同”定义中，矩阵A 、B为一般方阵，但实际中， 多针对对称矩阵考虑合同关系 4. 任一对称矩阵，都存在对角矩阵与它合同 与对角矩阵合同的矩阵必是对称矩阵
第八章 二次型
一、二次型及其标准形的概念
定义1 含有n个变量 x1 , x2 ,, xn的二次齐次函数
2 2 2 f x1 , x2 , , xn a11 x1 a22 x2 ann xn
2a12 x1 x2 2a13 x1 x3 2an 1, n xn 1 xn
二次型用和号表示
2 an1 xn x1 an 2 xn x2 ann xn
i , j 1
a
n
ij
xi x j
x1 (a11 x1 a12 x2 a1n xn ) x2 (a21 x1 a22 x2 a2 n xn ) xn (an1 x1 an 2 x2 ann xn )
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二次型研究的主要问题是： 寻找可逆变换
n
x Cy，使
n
f ( x ) aij xi x j
i 1 j 1
2 2 x Cy f (Cy) k1 y12 k2 y2 kn yn .
这种只含平方项的二次型称为二次型的标 准形(法式). 标准形的矩阵是对角阵. 特别地，如果标准形中的系数 k i只在 1,1,0 三个数中取值，那么这个标准形称为二次型 的规范形.
a1n x1 a2 n x2 , x , x ann n
则二次型可记作 f xT Ax, 其中A为对称矩阵.
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则 f x Ax,
T
——二次型的矩阵表示式
其中 A为对称阵：AT
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0 0 0 1 2 0
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－2 例2：求对称矩阵 A 所对应的二次型。A 3 1 2 f ( x1 , x2 , x3 ) 解：
2 2 2 2 x1 x2 x3 2 3 x1 x2 x1 x3
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a11 a12 a 21 a 22 x1 , x 2 ,, x n a n1 a n 2
a11 a12 a21 a22 记 A a n1 an 2
a1 n x1 a 2 n x 2 a nn x n
说明
合同关系是一个等价关系. 设A 与 B 合同，若 A 是对称阵，则B 也对称阵. 若 A 与 B合同，则 R( A) R( B ) . 经可逆变换 x Cy 后，二次型的矩阵由 A变 T 为与A 合同的矩阵 C AC , 且二次型的秩不变. 对称阵一定合同, 相似与一个对角阵.
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练习 求二次型 f 的矩阵
2 2 (1) f ( x1 , x2 , x3 ) x1 2 x2 2 x1 x2 3 x2 x3
1 解： A 1 0
1 2 3 2
0 3 2 0
2 2 (2) f ( x1 , x2 , x3 , x4 ) x12 2 x2 7 x4 2 x1 x2 2 x2 x3 4 x3 x4
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x1 (a11 x1 a12 x 2 a1n x n ) x 2 (a 21 x1 a 22 x 2 a 2 n x n ) x n (a n1 x1 a n 2 x 2 a nn x n )
a11 x1 a12 x 2 a1n x n a 21 x1 a 22 x 2 a 2 n x n ( x1 , x 2 ,, x n ) a n 2 x 2 a nn x n a n1 x1