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1、1,第六章 二次型及其标准形,2,1. 二次型的定义,定义 含有个变量 的二次齐次函数,称为二次型. (二次齐次多项式),当系数 为复数时， 称为复二次型；当系,数 为实数时， 称为实二次型.,3,3. 二次型的矩阵表示式,令 ，则,于是,4,5,记,6,其中 为对称阵： .,二次型的矩阵表示式,说明,对称阵与二次型一一对应；,若 ，,二次型的矩阵 满足：, 的对角元 是 的系数；, 的 元是 系数的一半.,则对称阵 称为 二次型 的矩阵；二次型 称为对称阵 的 二次型；,3. 二次型的矩阵表示式,7,例如：二次型,的矩阵为,于是,8,二、二次型的标准形,二次型研究的主要问题是：,寻找可逆变换
2、 ，使,这种只含平方项的二次型称为二次型的标 准形(法式).,特别地，如果标准形中的系数 只在 三个数中取值，那么这个标准形称为二次型 的规范形.,标准形的矩阵是对角阵.,9,三、化二次型为标准型,1. 经可逆变换后，新旧二次型的矩阵的关系：,因为有,所以 与 的关系为：,10,2. 矩阵的合同关系,定义 设 和 是 阶矩阵，,若有可逆矩阵 ， 使,则称矩阵 与 合同.,说明,合同关系是一个等价关系.,设 与 合同，若 是对称阵，则 也对称阵.,对称阵一定合同相似于一个对角阵.,若 与 合同，则 .,经可逆变换 后，二次型的矩阵由 变 为与 合同的矩阵 , 且二次型的秩不变.,11,3. 化二
3、次型为标准形,相当于对对称阵 作合同变换；,即寻找可逆阵 , 使 .,定理8 任给二次型 , 总,其中 是 的矩阵 的特征值.,即任何二次型都可用正交变换化为标准形. （主轴定理，P262 Th6.1）,存在正交变换 ，使 化为标准形,12,推论 任给二次型 ，总,有可逆变换 ，使 为规范形.,即任何二次型都可用可逆变换化为规范形.,13,证 设有二次型,由定理8知，存在正交变换 ，使,设二次型 的秩为 ，则特征值 中恰有 个 不为0，不妨设 不等于0，,于是，令,其中,则 可逆，且变换 把 化为,14,记 ，,则可逆变换 能把 化为规范形,15,推论 任给二次型 ，总,有可逆变换 ，使 为规
4、范形.,即任何二次型都可用可逆变换化为标准形.,4. 用正交变换化二次型为标准形的步骤：, 写出二次型的矩阵 ；, 求出 的特征值；, 求出 的两两正交的单位特征向量；, 用 表示在中求得的特征向量构成的矩 阵，写出所求的正交变换 和二次型 的标准型.,16,4. 用正交变换化二次型为标准形的步骤：, 写出二次型的矩阵 ；, 求出 的特征值；, 求出 的两两正交的单位特征向量；, 用 表示在中求得的特征向量构成的矩 阵，写出所求的正交变换 和二次型 的标准型.,将对称阵正交相似对角化的步骤：,(1)求特征值；,(2)求两两正交的单位特征向量；,(3)写出正交矩阵和对角阵.,17,例1 已知二次
5、型,用正交变换把二次型 化为标准形，并写出相 应的正交矩阵.,解 析：此题是一道典型例题. 目的是熟悉用正 交变换化二次型为标准形的“标准程序”., 写出二次型对应的矩阵,二次型 对应的矩阵为,18, 求 的特征值,由 ，求得 的特征值为,19, 求 的两两正交的单位特征向量,对应 ，解方程 ，由,得基础解系为,将其单位化，得,20,对应 ，解方程 ，由,得基础解系为,将其单位化，得,21,对应 ，解方程 ，由,得基础解系为,将其单位化，得,22, 写出正交矩阵和二次型的标准形,令矩阵,则 为正交阵，于是，经正交变换,原二次型化为标准形,23,例1+：求一个正交变换 x = P y ，把二次型
6、 f = 2x1x2 + 2x1x3 + 2x2x3 化为标准形（规范形）,24,例1+：求一个正交变换 x = P y ，把二次型 f = 2x1x2 + 2x1x3 + 2x2x3 化为标准形 解：二次型的矩阵 有正交阵 使得 于是正交变换 x = P y 把二次型化为标准形 f = 2y12 + y22 + y32,25,如果要把 f 化为规范形，令 ，即 可得 f 的规范形：f = z12 + z22 + z32,26,例2 已知二次型,的秩为2., 求参数 以及此二次型对应矩阵的特征值；, 指出 表示何种曲面.,解, 二次型 的矩阵,因为 的秩为2，,所以 的秩也为2，因而,27,当
7、 时， 的特征多项式为,28,于是， 的特征值为, 由定理8知，必存在正交变换,其中 为正交矩阵(不必具体求出)，使二次型,于是，曲面,这表示准线是 平面上椭圆、母线平行于 轴的椭圆柱面.,在新变量 下称为标准形,29,30,一、情形1,配方法,例3 用拉格朗日配方法化二次型,成标准形，并求所用的变换矩阵.,解,31,用到的线性变换为,即,用到的线性变换为,即,配方法,32,配方法,33,所用的变换矩阵为,于是， 的标准形为,配方法,34,二、情形2,例4 用拉格朗日配方法化二次型,成规范形，并求所用的变换矩阵.,解,先用下面可逆变换，使二次型中,即,配方法,35,用到的线性变换为,即,配方法
8、,36,用到的线性变换为,即,配方法,37,配方法,38,配方法,39,于是，,配方法,40,于是，,所用的变换矩阵为,因此， 的规范形为,配方法,41,三、惯性定理,设有二次型 ，它,的秩为 ，有两个可逆变换,及,使,及,则,正数的个数相等. （证明：P275 Th6.3）,中正数的个数与,中,42,说明,二次型的标准形正系数的个数称为二次型的,负系数的个数称为负惯性指数.,正惯性指数；,若二次型 的正惯性指数为 ，秩为 ，则,的规范形变可确定为,只有用正交变换把二次型化为标准形，标准 形的系数才是二次型矩阵的特征值.,43,例5 下列矩阵中，与矩阵,合同的矩阵是哪一个？为什么？,44,解
9、析：此题的目的是熟悉惯性定理，用惯性 定理解题.,容易求得 的特征值 ，,于是可知， 所对应的二次型的正惯性指数,为 ；负惯性指数为 .,合同的二次型应有相同的正、负惯性指数，,故选(B).,应选(B)，理由是:,45,例5 下列矩阵中，与矩阵,合同的矩阵是哪一个？为什么？,46,一、正定二次型的概念,定义 设有二次型 ，, 如果对任何 ，都有, 如果对任何 ，都有 ，则称 为负定二次型，并称对称阵 是负定的；,阵 是正定的；,(显然,0 )，,则称 为正定二次型，,并称对称,47,说明,按定义，当变量取不全为零的值时，二次型 若是正定 ( ) 二次型，则它的对应值总是 正数 ( ) .,负定
10、,负数,若 是正定二次型，则,就是负定二次型.,48,二、正定二次型的性质与判别法,定理10 二次型 为正定的充要条件,是：它的标准形的 个系数全为正数，即它的,正惯性指数等于 .,推论1 正定二次型 (正定矩阵) 的秩为 .,推论2 对称阵 为正定矩阵的充要条件是：,的特征值全为正.,证明,49,定理10的证明,证 已知 ，有可逆变换 ，使,先证充分性：,设 ，任给 ，,则 ，故,再证必要性:,用反证法.,假设有 ，,取 (单位坐标向量) ，,这与 为正定相矛盾.,这就证明了 .,则有 ，且,50,定理11 (霍尔维茨定理), 对称阵 为正定的充要条件是： 的各阶 主子式都为正. 即, 对称
11、阵 为负定的充要条件是： 的奇数 阶主子式为负，偶数阶主子式为正. 即,51,正定,的正惯性指数,的 个特征值全为正,的规范形为,合同于单位阵,的各阶主子式全为正,52,例6 判定二次型,的正定性.,解 析：此题的目的是熟悉定理11，用定理11 判定二次型的正定性.,的矩阵为,1 阶主子式：,2 阶主子式：,53,3 阶主子式：,根据定理11知，,为负定.,54,三、本章小结,个变量的二次齐次函数称为二次型.,只含平方项的二次型称为二次型的标准形，,将二次型化为标准形相当于把二次型的矩阵 合同对角化.,对于任何一个二次型一定存在正交变换将它 化为标准形.,配方法是化二次型成标准形(或规范形)的一 种较方便的方法；惯性定理.,如果 ，总有 (或 )，则称 二次型 是正定(或负定)的，并称 的矩阵 是正定(或负定)的.,55,矩阵的三大关系：, 它们的定义,存在 阶可逆阵 和 阶可逆阵 ，使,存在可逆阵 ，使,存在正交阵 ，使,存在可逆阵 ，使,等价、相似(正交相似) 、合同,56, 关系不变量,等价关系的不变量：,相似关系的不变量：,秩，即, 秩，即, 特征多项式，即, 特征值.,合同关系的不变量：, 秩，即, 对称性，即若 是对称阵，则 也是 对称阵；, 对称阵 对应的二次型的正惯性指 数和负惯性指数；, 对称阵 对应的二次型的规范形.,
