二次型的矩阵表示
n 元二次型是形如
f(x1,…,xn)=∑i=1n∑j=1naijxixj
的齐次二次多项式。写成矩阵形式:
f=X⊤AX,X=x1⋮xn
其中 A=(aij) 为 n×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 A。A 的元素为:
- aii = xi2 的系数
- aij=aji = 2xixj 的系数
非退化二次型
若 detA=0(即 A 可逆),称二次型为非退化的。否则为退化二次型。
线性替换
设 X=CY(C 为 n×n 可逆矩阵),则
f=X⊤AX=Y⊤(C⊤AC)Y
新矩阵 B=C⊤AC。两个矩阵 A,B 若满足 B=C⊤AC(C 可逆),则称 A 与 B 合同。
合同不变量:秩(rankA 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=rankA
方法一:配方法
通过线性替换逐步消去交叉项。核心步骤:
- 若有平方项 aii=0:对该变量配方
- 若所有平方项系数为 0 但有交叉项 aij=0:先做替换 xi=yi+yj,xj=yi−yj 产生平方项
方法二:正交变换法
若 A 是实对称矩阵(二次型总是实对称的),可通过正交变换 X=QY(Q⊤Q=I)对角化:
Q⊤AQ=diag(λ1,λ2,…,λn)
标准形:
f=λ1y12+λ2y22+⋯+λnyn2
优点:正交变换保持几何性质(保持向量长度和夹角)。
化 f(x1,x2)=2x12+2x22+2x1x2 为标准形。
A=(2112)
配方法:
f=2x12+2x22+2x1x2=2(x1+2x2)2+23x22
令 y1=x1+2x2,y2=x2,得 f=2y12+23y22。
正交变换法:A 的特征值为 λ1=3,λ2=1,f=3y12+y22。
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)。