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第17次课——二次型及其标准形及化简(new)上传教案
* * fengyuan@bipt.edu.cn 对实对称矩阵A,求正交矩阵P使得P-1AP为对角阵的具体步骤为: 将线性无关的特征向量正交化; 3. 将正交的特征向量单位化; 4. 2. 1. 5. 以它们为列向量构成P,则P为正交矩阵,且 施密特正交化方法(P114) 对称矩阵对应于不同特征值的特征向量正交。 只需将同一个特征值的特征向量正交化 P的列向量是两两正交的单位向量 P-1=PT 一、二次型及其标准形的概念 称为二次型. 1. 二次型 一、二次型及其标准形的概念 例如, 都为实二次型. 1. 二次型 没有平方项 只有平方项 只含有平方项的二次型 称为二次型的标准形(或法式). 为二次型的标准形. 例如 一、二次型及其标准形的概念 2. 标准形 二、二次型的矩阵表示 实对称矩阵 二次型的矩阵 二次型与对称矩阵之间存在一一对应的关系. 二次型的矩阵形式 解: 例1 二、二次型的矩阵表示 练习题: 与例1比较,题目要求不同 例2 写出矩阵 对应的二次型. 对角形矩阵对应二次型的标准形. 解: 二、二次型的矩阵表示 三、化二次型为标准形 主要问题是: 寻求可逆的变换,将二次型化为标准形. 二次型的标准形 一般 二次型 实对称矩阵 对角形矩阵 合同变换 实对称矩阵 对角形矩阵 用正交变换化二次型为标准形的具体步骤: 三、化二次型为标准形 系数为特征值 与对角形矩阵对应 解: 1.写出对应的二次型矩阵 例3 三、化二次型为标准形 解: 例3 2. 求二次型矩阵特征值 三、化二次型为标准形 从而得特征值 3.求特征向量 三、化二次型为标准形 4.将特征向量正交化 得正交向量组 三、化二次型为标准形 施密特正交化方法(P114) 5.将正交向量单位化,得正交矩阵P 三、化二次型为标准形 则利用正交变换 x = Py,即 三、化二次型为标准形 系数为特征值 二次型的标准形是否唯一? 三、化二次型为标准形 化二次型为标准形的方法还有配方法和合同变换法,不同的方法会得到不同的标准形。 不同的标准形中系数不为0的平方项的项数是唯一确定的,系数为正的平方项的个数也是唯一确定的。 (P132 定理9 惯性定理) 二次型的秩 二次型对应的矩阵的秩 [P,D]=eig(A) P = 0 0 1 -985/1393 985/1393 0 985/1393 985/1393 0 D = 2 0 0 0 4 0 0 0 4 求正交变换化二次型为标准形,并写出标准形的形式。 例, 已知二次型f(x1, x2, x3)的矩阵为A, 若在MATLAB软件中,有如下结果: 为正定二次型. 为负定二次型. 四、二次型的正定性 例如, 既不是正定二次型, 也不是负定二次型. 矩阵的正(负)定 与二次型的正(负)定一致 推论 对称矩阵 为正定的充分必要条件是: 的特征值全为正. 定理 对称矩阵 为正定的充分必要条件是: 的各阶主子式为正,即 四、二次型的正定性 例1 判别二次型 是否正定. 解: 它的主子式 故上述二次型是正定的. 四、二次型的正定性 定理 对称矩阵A为负定的充分必要条件是:奇 数阶主子式为负,而偶数阶主子式为正,即 推论 对称矩阵 为负定的充分必要条件是: 的特征值全为负. 四、二次型的正定性 例2 判别二次型 的正定性. 解: 四、二次型的正定性 变量的形式不同 练习题: 参考答案: 2. 二次型的矩阵和二次型的秩. 五、小结 3. 利用正交变换将二次型化为标准形. 1. 二次型的矩阵形式和一般形式之间的转换. 4. 二次型正定性的判定. 5. 实二次型的化简问题,在理论和实际中经常遇到,通过在二次型和对称矩阵之间建立一一对应的关系,将二次型的化简转化为将对称矩阵化为对角矩阵,请注意这种研究问题的思想方法. 学习完线性代数后的感想与收获 (题目不限,字数不少于500字) * * * fengyuan@bipt.edu.cn * * * * *
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