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矩阵表示与标准形

二次型的矩阵表示

定义

nn二次型是形如

f(x1,,xn)=i=1nj=1naijxixjf(x_1, \ldots, x_n) = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} a_{ij} x_i x_j

的齐次二次多项式。写成矩阵形式:

f=XAX,X=(x1xn)f = X^\top A X, \quad X = \left(\begin{array}{c} x_1 \\ \vdots \\ x_n \end{array}\right)

其中 A=(aij)A = (a_{ij})n×nn \times n 对称矩阵

矩阵的唯一性

每个二次型对应唯一的对称矩阵 AAAA 的元素为:

  • aiia_{ii} = xi2x_i^2 的系数
  • aij=ajia_{ij} = a_{ji} = xixj 的系数2\dfrac{x_i x_j\text{ 的系数}}{2}

非退化二次型

detA0\det A \neq 0(即 AA 可逆),称二次型为非退化的。否则为退化二次型。

线性替换

X=CYX = CYCCn×nn \times n 可逆矩阵),则

f=XAX=Y(CAC)Yf = X^\top A X = Y^\top (C^\top A C) Y

新矩阵 B=CACB = C^\top A C。两个矩阵 A,BA, B 若满足 B=CACB = C^\top A CCC 可逆),则称 AABB 合同

合同不变量:秩(rankA\operatorname{rank} A 在合同变换下不变)。

化二次型为标准形

标准形:只含平方项的二次型

f=d1y12+d2y22++dryr2,r=rankAf = d_1 y_1^2 + d_2 y_2^2 + \cdots + d_r y_r^2, \quad r = \operatorname{rank} A

方法一:配方法

通过线性替换逐步消去交叉项。核心步骤:

  1. 若有平方项 aii0a_{ii} \neq 0:对该变量配方
  2. 若所有平方项系数为 00 但有交叉项 aij0a_{ij} \neq 0:先做替换 xi=yi+yjx_i = y_i + y_jxj=yiyjx_j = y_i - y_j 产生平方项

方法二:正交变换法

AA实对称矩阵(二次型总是实对称的),可通过正交变换 X=QYX = QYQQ=IQ^\top Q = I)对角化:

QAQ=diag(λ1,λ2,,λn)Q^\top A Q = \operatorname{diag}(\lambda_1, \lambda_2, \ldots, \lambda_n)

标准形:

f=λ1y12+λ2y22++λnyn2f = \lambda_1 y_1^2 + \lambda_2 y_2^2 + \cdots + \lambda_n y_n^2

优点:正交变换保持几何性质(保持向量长度和夹角)。

举例

f(x1,x2)=2x12+2x22+2x1x2f(x_1, x_2) = 2x_1^2 + 2x_2^2 + 2x_1 x_2 为标准形。

A=(2112)A = \left(\begin{array}{cc} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{array}\right)

配方法

f=2x12+2x22+2x1x2=2(x1+x22)2+32x22f = 2x_1^2 + 2x_2^2 + 2x_1 x_2 = 2\left(x_1 + \frac{x_2}{2}\right)^2 + \frac{3}{2}x_2^2

y1=x1+x22y_1 = x_1 + \frac{x_2}{2}y2=x2y_2 = x_2,得 f=2y12+32y22f = 2y_1^2 + \frac{3}{2}y_2^2

正交变换法AA 的特征值为 λ1=3,λ2=1\lambda_1 = 3, \lambda_2 = 1f=3y12+y22f = 3y_1^2 + y_2^2

两个结果都是标准形(系数可以不同,但正负号个数一致——惯性定理)。