определяет на плоскости кривую. Группа членов называется квадратичной формой, – линейной формой. Если в квадратичной форме содержатся только квадраты переменных, то такой ее вид называется каноническим, а векторы ортонормированного базиса, в котором квадратичная форма имеет канонический вид, называются главными осями квадратичной формы.
Матрица называется матрицей квадратичной формы. Здесь a 1 2 =a 2 1 . Чтобы матрицу B привести к диагональному виду, необходимо за базис взять собственные векторы этой матрицы, тогда , где λ 1 и λ 2 – собственные числа матрицы B.
В базисе из собственных векторов матрицы B квадратичная форма будет иметь канонический вид: λ 1 x 2 1 +λ 2 y 2 1 .
Эта операция соответствует повороту осей координат. Затем производится сдвиг начала координат, избавляясь тем самым от линейной формы.
Канонический вид кривой второго порядка: λ 1 x 2 2 +λ 2 y 2 2 =a , причем:
а) если λ 1 >0; λ 2 >0 – эллипс, в частности, при λ 1 =λ 2 это окружность;
б) если λ 1 >0, λ 2 <0 (λ 1 <0, λ 2 >0) имеем гиперболу;
в) если λ 1 =0 либо λ 2 =0, то кривая является параболой и после поворота осей координат имеет вид λ 1 x 2 1 =ax 1 +by 1 +c (здесь λ 2 =0). Дополняя до полного квадрата, будем иметь: λ 1 x 2 2 =b 1 y 2 .
Пример
. Дано уравнение кривой 3x 2 +10xy+3y 2 -2x-14y-13=0 в системе координат (0,i,j), где i
=(1,0) и j
=(0,1).
1. Определить тип кривой.
2. Привести уравнение к каноническому виду и построить кривую в исходной системе координат.
3. Найти соответствующие преобразования координат.
Решение
. Приводим квадратичную форму B=3x 2 +10xy+3y 2 к главным осям, то есть к каноническому виду. Матрица этой квадратичной формы . Находим собственные числа и собственные векторы этой матрицы:
Характеристическое уравнение:
; λ 1 =-2, λ 2 =8. Вид квадратичной формы: .
Исходное уравнение определяет гиперболу.
Заметим, что вид квадратичной формы неоднозначен. Можно записать 8x 1 2 -2y 1 2 , однако тип кривой остался тот же – гипербола.
Находим главные оси квадратичной формы, то есть собственные векторы матрицы B. .
Собственный вектор, отвечающий числу λ=-2 при x 1 =1: x
1 =(1,-1).
В качестве единичного собственного вектора принимаем вектор , где – длина вектора x
1 .
Координаты второго собственного вектора, соответствующего второму собственному числу λ=8, находим из системы
.
1 ,j
1).
По формулам (5) пункта 4.3.3. переходим к новому базису:
или
; . (*)
Вносим выражения x и y в исходное уравнение и, после преобразований, получаем: .
Выделяем полные квадраты : .
Проводим параллельный перенос осей координат в новое начало: , .
Если внести эти соотношения в (*) и разрешить эти равенства относительно x 2 и y 2 , то получим: , . В системе координат (0*, i 1 , j 1) данное уравнение имеет вид: .
Для построения кривой строим в старой системе координат новую: ось x 2 =0 задается в старой системе координат уравнением x-y-3=0, а ось y 2 =0 уравнением x+y-1=0. Начало новой системы координат 0 * (2,-1) является точкой пересечения этих прямых.
Для упрощения восприятия разобьем процесс построения графика на 2 этапа:
1. Переход к системе координат с осями x 2 =0, y 2 =0, заданными в старой системе координат уравнениями x-y-3=0 и x+y-1=0 соответственно.
2. Построение в полученной системе координат графика функции.
Окончательный вариант графика выглядит следующим образом (см. Решение :Скачать решение
Задание
. Установить, что каждое из следующих уравнений определяет эллипс, и найти координаты его центра С, полуоси, эксцентриситет, уравнения директрис. Изобразить эллипс на чертеже, указав оси симметрии, фокусы и директрисы.
Решение
.
Дана
квадратичная форма (2) A
(x
, x
) = ,
где x
= (x
1 , x
2 , …, x
n
).
Рассмотрим квадратичную форму в
пространстве R
3 ,
то есть x
= (x
1 ,
x
2 ,
x
3),
A
(x
,
x
) =
+
+
+
+
+
+
+
+
+
=
+
+
+ 2
+ 2
+
+ 2
(использовали условие симметричности
формы, а именно а
12 = а
21 ,
а
13 = а
31 ,
а
23 = а
32).
Выпишем матрицу квадратичной формы A
в базисе {e
},
A
(e
) =
.
При изменении базиса матрица квадратичной
формы меняется по формуле A
(f
) = C
t
A
(e
)C
,
где C
– матрица перехода от базиса {e
}
к базису {f
},
а C
t
– транспонированная матрица C
.
Определение 11.12. Вид квадратичной формы с диагональной матрицей называется каноническим .
Итак,
пусть A
(f
) =
,
тогда A
"(x
,
x
) =
+
+
,
где x
" 1 ,
x
" 2 ,
x
" 3
– координаты вектора x
в новом базисе {f
}.
Определение 11.13. Пусть в n V выбран такой базис f = {f 1 , f 2 , …, f n }, в котором квадратичная форма имеет вид
A
(x
, x
) =
+
+ … +
,
(3)
где y 1 , y 2 , …, y n – координаты вектора x в базисе {f }. Выражение (3) называется каноническим видом квадратичной формы. Коэффициенты 1 , λ 2 , …, λ n называются каноническими ; базис, в котором квадратичная форма имеет канонический вид, называется каноническим базисом .
Замечание . Если квадратичная форма A (x , x ) приведена к каноническому виду, то, вообще говоря, не все коэффициенты i отличны от нуля. Ранг квадратичной формы равен рангу ее матрицы в любом базисе.
Пусть
ранг квадратичной формы A
(x
, x
)
равен r
,
где r
≤ n
.
Матрица квадратичной формы в каноническом
виде имеет диагональный вид. A
(f
) =
,
поскольку ее ранг равен r
,
то среди коэффициентов i
должно быть r
,
не равных нулю. Отсюда следует, что число
отличных от нуля канонических коэффициентов
равно рангу квадратичной формы.
Замечание . Линейным преобразованием координат называется переход от переменных x 1 , x 2 , …, x n к переменным y 1 , y 2 , …, y n , при котором старые переменные выражаются через новые переменные с некоторыми числовыми коэффициентами.
x 1 = α 11 y 1 + α 12 y 2 + … + α 1 n y n ,
x 2 = α 2 1 y 1 + α 2 2 y 2 + … + α 2 n y n ,
………………………………
x 1 = α n 1 y 1 + α n 2 y 2 + … + α nn y n .
Так как каждому преобразованию базиса отвечает невырожденное линейное преобразование координат, то вопрос о приведении квадратичной формы к каноническому виду можно решать путем выбора соответствующего невырожденного преобразования координат.
Теорема 11.2 (основная теорема о квадратичных формах). Всякая квадратичная форма A (x , x ), заданная в n -мерном векторном пространстве V , с помощью невырожденного линейного преобразования координат может быть приведена к каноническому виду.
Доказательство . (Метод Лагранжа) Идея этого метода состоит в последовательном дополнении квадратного трехчлена по каждой переменной до полного квадрата. Будем считать, что A (x , x ) ≠ 0 и в базисе e = {e 1 , e 2 , …, e n } имеет вид (2):
A
(x
,
x
) =
.
Если A (x , x ) = 0, то (a ij ) = 0, то есть форма уже каноническая. Формулу A (x , x ) можно преобразовать так, чтобы коэффициент a 11 ≠ 0. Если a 11 = 0, то коэффициент при квадрате другой переменной отличен от нуля, тогда при помощи перенумерации переменных можно добиться, чтобы a 11 ≠ 0. Перенумерация переменных является невырожденным линейным преобразованием. Если же все коэффициенты при квадратах переменных равны нулю, то нужные преобразования получаются следующим образом. Пусть, например, a 12 ≠ 0 (A (x , x ) ≠ 0, поэтому хотя бы один коэффициент a ij ≠ 0). Рассмотрим преобразование
x 1 = y 1 – y 2 ,
x 2 = y 1 + y 2 ,
x i = y i , при i = 3, 4, …, n .
Это
преобразование невырожденное, так как
определитель его матрицы отличен от
нуля
= = 2 ≠ 0.
Тогда
2a
12 x
1 x
2 = 2
a
12 (y
1 – y
2)(y
1 + y
2) = 2
– 2
,
то есть в форме A
(x
,
x
)
появятся квадраты сразу двух переменных.
A
(x
,
x
) =
+ 2
+ 2
+
. (4)
Преобразуем выделенную сумму к виду:
A
(x
,
x
) = a
11
, (5)
при этом коэффициенты a ij меняются на . Рассмотрим невырожденное преобразование
y 1 = x 1 + + … + ,
y 2 = x 2 ,
y n = x n .
Тогда получим
A
(x
,
x
) =
.
(6).
Если
квадратичная форма
= 0,
то вопрос о приведении A
(x
, x
)
к каноническому виду решен.
Если эта форма не равна нулю, то повторяем рассуждения, рассматривая преобразования координат y 2 , …, y n и не меняя при этом координату y 1 . Очевидно, что эти преобразования будут невырожденными. За конечное число шагов квадратичная форма A (x , x ) будет приведена к каноническому виду (3).
Замечание 1. Нужное преобразование исходных координат x 1 , x 2 , …, x n можно получить путем перемножения найденных в процессе рассуждений невырожденных преобразований: [x ] = A [y ], [y ] = B [z ], [z ] = C [t ], тогда [x ] = A B [z ] = A B C [t ], то есть [x ] = M [t ], где M = A B C .
Замечание
2.
Пусть
A
(x
,
x
) = A
(x
, x
) =
+
+ …+
,
где i
≠ 0,
i
= 1,
2, …, r
,
причем 1 > 0,
λ 2 > 0,
…, λ q
> 0,
λ q
+1 < 0,
…, λ r
< 0.
Рассмотрим невырожденное преобразование
y
1 = z
1 ,
y
2 = z
2 ,
…, y
q
= z
q
,
y
q
+1 =
z
q
+1 ,
…, y
r
= z
r
,
y
r
+1 = z
r
+1 ,
…, y
n
= z
n
.
В
результате A
(x
,
x
)
примет вид:
A
(x
, x
) = + + … + – – … – ,
который называется нормальным
видом квадратичной формы
.
Пример 11.1. Привести к каноническому виду квадратичную форму A (x , x ) = 2x 1 x 2 – 6x 2 x 3 + 2x 3 x 1 .
Решение . Поскольку a 11 = 0, используем преобразование
x 1 = y 1 – y 2 ,
x 2 = y 1 + y 2 ,
x 3 = y 3 .
Это
преобразование имеет матрицу A
=
,
то есть [x
] = A
[y
]
получим A
(x
,
x
) = 2(y
1 – y
2)(y
1 + y
2) – 6(y
1 + y
2)y
3 + 2y
3 (y
1 – y
2) =
2– 2– 6y 1 y 3 – 6y 2 y 3 + 2y 3 y 1 – 2y 3 y 2 = 2– 2– 4y 1 y 3 – 8y 3 y 2 .
Поскольку коэффициент при не равен нулю, можно выделить квадрат одного неизвестного, пусть это будет y 1 . Выделим все члены, содержащие y 1 .
A (x , x ) = 2(– 2 y 1 y 3) – 2– 8y 3 y 2 = 2(– 2 y 1 y 3 + ) – 2– 2– 8y 3 y 2 = 2(y 1 – y 3) 2 – 2– 2– 8y 3 y 2 .
Выполним преобразование, матрица которого равна B .
z 1 = y 1 – y 3 , y 1 = z 1 + z 3 ,
z 2 = y 2 , y 2 = z 2 ,
z 3 = y 3 ; y 3 = z 3 .
B
=
,
[y
] = B
[z
].
Получим A (x , x ) = 2– 2–– 8z 2 z 3 . Выделим члены, содержащие z 2 . Имеем A (x , x ) = 2– 2(+ 4z 2 z 3) – 2= 2– 2(+ 4z 2 z 3 + 4) + + 8 – 2 = 2– 2(z 2 + 2z 3) 2 + 6.
Выполняем преобразование с матрицей C :
t 1 = z 1 , z 1 = t 1 ,
t 2 = z 2 + 2z 3 , z 2 = t 2 – 2t 3 ,
t 3 = z 3 ; z 3 = t 3 .
C
=
,
[z
] = C
[t
].
Получили: A (x , x ) = 2– 2+ 6 канонический вид квадратичной формы, при этом [x ] = A [y ], [y ] = B [z ], [z ] = C [t ], отсюда [x ] = ABC [t ];
A
B
C
=
=
.
Формулы преобразований следующие
x 1 = t 1 – t 2 + t 3 ,
x 2 = t 1 + t 2 – t 3 ,
При рассмотрении евклидового пространства мы вводили определение квадратичной формы. С помощью некоторой матрицы
строится многочлен второго порядка вида
который называется квадратичной формой, порождаемой квадратной матрицей А.
Квадратичные формы тесно связаны с поверхностями второго порядка в n - мерном евклидовом пространстве. Общее уравнение таких поверхностей в нашем трехмерном евклидовом пространстве в декартовой системе координат имеет вид:
Верхняя строка - это не что иное, как квадратичная форма, если положить x 1 =x, x 2 =y, x 3 =z:
- симметричная матрица (a ij = a ji)
положим для общности, что многочлен
есть линейная форма. Тогда общее уравнение поверхности есть сумма квадратичной формы, линейной формы и некоторой постоянной.
Основной задачей теории квадратичных форм является приведение квадратичной формы к максимально простому виду с помощью невырожденного линейного преобразования переменных или, другими словами, замены базиса.
Вспомним, что при изучении поверхностей второго порядка мы приходили к выводу о том, что путем поворота осей координат можно избавиться от слагаемых, содержащих произведение xy, xz, yz или x i x j (ij). Далее, путем параллельного переноса осей координат можно избавиться от линейных слагаемых и в конечном итоге свести общее уравнение поверхности к виду:
В случае квадратичной формы приведение ее к виду
называется приведением квадратичной формы к каноническому виду.
Поворот осей координат есть не что иное, как замена одного базиса другим, или, другими словами, линейное преобразование.
Запишем квадратичную форму в матричном виде. Для этого представим ее следующим образом:
L(x,y,z) = x(a 11 x+a 12 y+a 13 z)+
Y(a 12 x+a 22 y+a 23 z)+
Z(a 13 x+a 23 y+a 33 z)
Введем матрицу - столбец
Тогда
- гдеX
T
=(x,y,z)
Матричная форма записи квадратичной формы. Эта формула, очевидно, справедлива и в общем случае:
Канонический вид квадратичной формы означает, очевидно, что матрица А имеет диагональный вид:
Рассмотрим некоторое линейное преобразование X = SY, где S - квадратная матрица порядка n, а матрицы - столбцы Х и У есть:
Матрица S называется матрицей линейного преобразования. Отметим попутно, что всякой матрице n-ного порядка при заданном базисе соответствует некоторый линейный оператор.
Линейное преобразование X = SY заменяет переменные x 1 , x 2 , x 3 новыми переменными y 1 , y 2 , y 3 . Тогда:
где B = S T A S
Задача приведения к каноническому виду сводится к отысканию такой матрицы перехода S, чтобы матрица В приобрела диагональный вид:
Итак, квадратичная форма с матрицей А после линейного преобразования переменных переходит в квадратичную форму от новых переменных с матрицей В .
Обратимся к линейным операторам. Каждой матрице А при заданном базисе соответствует некоторый линейный оператор А . Этот оператор имеет, очевидно, некоторую систему собственных чисел и собственных векторов. Причем, отметим, что в евклидовом пространстве система собственных векторов будет ортогональна. Мы доказывали на предыдущей лекции, что в базисе собственных векторов матрица линейного оператора имеет диагональный вид. Формула (*), как мы помним, это формула преобразования матрицы линейного оператора при смене базиса. Положим, что собственные вектора линейного оператора А с матрицей А - это вектора у 1 , y 2 , ..., y n .
А это означает, что если собственные вектора у 1 , y 2 , ..., y n взять за базис, то матрица линейного оператора в этом базисе будет диагональной
или В = S -1 А S, где S – матрица перехода от первоначального базиса {e } к базису {y }. Причем в ортонормированном базисе матрица S будет ортогональной.
Т. о. для приведения квадратичной формы к каноническому виду необходимо найти собственные числа и собственные векторы линейного оператора А, имеющего в первоначальном базисе матрицу А, которая порождает квадратичную форму, перейти к базису собственных векторов и в новой системе координат построить квадратичную форму.
Обратимся к конкретным примерам. Рассмотрим линии второго порядка.
или
С помощью поворота осей координат и последующего параллельного переноса осей это уравнение можно привести к виду (переменные и коэффициенты переобозначены х 1 = х, х 2 = у):
1)
если линия центральная, 1
0, 2
0
2)
если линия нецентральная, т. е.
один из i
= 0.
Напомним виды линий второго порядка. Центральные линии:
Нецентральные линии:
5) х 2 = а 2 две параллельные линии;
6) х 2 = 0 две сливающиеся прямые;
7) у 2 = 2рх парабола.
Для нас представляют интерес случаи 1), 2), 7).
Рассмотрим конкретный пример.
Привести к каноническому виду уравнение линии и построить ее:
5х 2 + 4ху + 8у 2 - 32х - 56у + 80 = 0.
Матрица квадратичной
формы есть
.
Характеристическое уравнение:
Его корни:
Найдем собственные векторы:
При
1
= 4:
u 1
= -2u 2 ;
u 1
= 2c, u 2
= -c или
g 1
= c 1 (2i
– j).
При
2
= 9:
2u 1
= u 2 ;
u 1
= c, u 2
= 2c или
g 2
= c 2 (i
+2j).
Нормируем эти векторы:
Составим матрицу линейного преобразования или матрицу перехода к базису g 1 , g 2:
- ортогональная матрица!
Формулы преобразования координат имеют вид:
или
Подставим в наше уравнение линии и получим:
Сделаем параллельный перенос осей координат. Для этого выделим полные квадраты по х 1 и у 1:
Обозначим
.
Тогда уравнение приобретет вид: 4х 2 2
+ 9у 2 2
= 36 или
Это эллипс с полуосями 3 и 2. Определим угол поворота осей координат и их сдвиг для того, чтобы построить эллипс в старой системе.
Построим:
Проверка: при х = 0: 8у 2 - 56у + 80 = 0 у 2 – 7у + 10 = 0. Отсюда у 1,2 = 5; 2
При у =0: 5х 2 – 32х + 80 = 0 Здесь нет корней, т. е. нет точек пересечения с осью х !
Данный метод состоит в последовательном выделении в квадратичной форме полных квадратов.
Пусть дана квадратичная форма
Напомним, что, ввиду симметричности матрицы
,
Возможны два случая:
1. Хотя бы один из коэффициентовпри квадратах отличен от нуля. Не нарушая общности, будем считать(этого всегда можно добиться соответствующей перенумерацией переменных);
2. Все коэффициенты,
но есть коэффициент , отличный от нуля (для определённости пусть будет).
В первом случае преобразуем квадратичную форму следующим образом:
,
а через обозначены все остальные слагаемые.
представляет собой квадратичную форму от (n-1) переменных .
С ней поступают аналогичным образом и так далее.
Заметим, что
Второй случай заменой переменных
сводится к первому.
Пример 1:Квадратичную форму привести к каноническому виду посредством невырожденного линейного преобразования.
Решение. Соберём все слагаемые, содержащие неизвестное , и дополним их до полного квадрата
.
(Так как .)
или
(3)
или
(4)
и
от неизвестных
формапримет вид.
Далее полагаем
или
и
от неизвестных
формапримет уже канонический вид
Разрешим
равенства (3) относительно
:
или
Последовательное
выполнение линейных преобразований
и
,
где
,
имеет матрицей
Линейное
преобразование неизвестных
приводит
квадратичную форму
к каноническому виду (4). Переменные
связаны с новыми переменными
соотношениями
С LU - разложением мы познакомились в практикуме 2_1
Вспомним утверждения из практикума 2_1
Утверждения (см.Л.5, стр. 176)
Данный скрипт призван понять роль LU в методе Лагранжа, с ним нужно работать в блокноте EDITOR с помощью кнопки F9.
А в прилагаемых ниже заданиях лучше создать свои М-функции, помогающие вычислению и осознанию задач линейной алгебры (в рамках данной работы)
Ax=X."*A*X % получаем квадратичную форму
Ax=simple(Ax) % упрощаем ее
4*x1^2 - 4*x1*x2 + 4*x1*x3 + x2^2 - 3*x2*x3 + x3^2
% найдем LU разложение без перестановки строк матрицы A
% При преобразовании матрицы к ступенчатому виду
%без перестановок строк, мы получим матрицу M1 и U3
% U получается из A U3=M1*A,
% вот такой матрицей элементарных преобразований
0.5000 1.0000 0
0.5000 0 1.0000
%мы получим U3=M1*A, где
4.0000 -2.0000 2.0000
% из M1 легко получить L1, поменяв знаки
% в первом столбце во всех строках кроме первой.
0.5000 1.0000 0
0.5000 0 1.0000
% L1 такое, что
A_=L1*U % вот это и есть нужное нам LU разложение
% Элементы, стоящие на главной диагонали U -
% это коэффициенты при квадратах y i ^2
% в преобразованной квадратичной форме
% в нашем случае, есть один только коэффициент
% значит, в новых координатах будет только 4y 1 2 в квадрате,
% при остальных 0y 2 2 и 0y 3 2 коэффициенты равны нулю
% столбцы матрицы L1 - это разложение Y по X
% по первому столбцу видим y1=x1-0.5x2+0.5x3
% по второму видим y2=x2; по третьему y3=x3.
% если транспонировать L1,
% то есть T=L1."
% T - матрица перехода от {X} к {Y}: Y=TX
0.5000 1.0000 0
1.0000 -0.5000 0.5000
% A2 – матрица преобразованной квадратичной формы
% Заметим U=A2*L1." и A=L1* A2*L1."
4.0000 -2.0000 2.0000
1.0000 -0.5000 0.5000 |
% Итак, мы получили разложение A_=L1* A2*L1." или A_=T."* A2*T
% показывающее замену переменных
% y1=x1-0.5x2+0.5x3
% и представление квадратичной формы в новых координатах
A_=T."*A2*T % T=L1." матрица перехода от {X} к {Y}: Y=TX
isequal(A,A_) % должно совпасть с исходной A
4.0000 -2.0000 2.0000
2.0000 1.0000 -1.5000
2.0000 -1.5000 1.0000
Q1=inv(T) % находим матрицу перехода от {Y} к {X}
% Найдем преобразование,
% приводящее квадратичную форму Ax=X."*A*X
% к новому виду Ay=(Q1Y)."*A*Q1Y=Y." (Q1."*A*Q1)*Y=Y." (U)*Y
Ay =4*y1^2 - y2*y3
x1 - x2/2 + x3/2
% матрица второго преобразования,
% которая составляется значительно проще.
4*z1^2 - z2^2 + z3^2
% R=Q1*Q2, X=R*Z
R=Q1*Q2 % невырожденное линейное преобразование
% приводящее матрицу оператора к каноническому виду.
det(R) % определитель не равен нулю - преобразование невырожденное
4*z1^2 - z2^2 + z3^2 ok
4*z1^2 - z2^2 + z3^2
Сформулируем алгоритм приведения квад ратичной формы к каноническому виду ортогональным преобразованием: