用正交变换化二次型成标准形 , 具有保持几何形状不变的优点
如果不限于用正交变换
那么还可以有多种方法(对应有多个可逆的线性变换)把二次型化成标准形
这里只介绍拉格朗日配方法 , 下面举例来说明这种方法
例15
用配方法化二次型f=+2+5+2x1x2+2x1x3+6x2x3成标准形
并求所用的变换矩阵
1. 写出二次型的矩阵
二次型
二次型的一般形式
且
。
所以对称矩阵
为:
2. 配方法(按
顺序配方)
首先把所有含
的项放在一起:
配
平方:
配成:
因此:
再对后面的
部分配方:
注意这是
,刚好可以配方:
验证:,完全正确。
因此:
3. 标准形
令
这里我们需要第三个变量
使变换可逆。
从
,
得:
再代到
:
于是:
4. 此时的二次型
代入
得:
所以标准形是:
第三个平方项系数为 0,即该二次型秩为 2,有一个零特征值。
但原题要求用配方法化标准形,一般标准形会写成
的形式,
并求所用变换矩阵。这里第三个变量
在
中没有出现,所以
。
也可取正交变换对角化,但配方法得出的可逆线性变换不一定是正交变换。
5. 写出所用变换矩阵(配方法的 C)
我们设
,其中
。
从上面我们已经得到:
写成矩阵:
所以
,且
。
例16
用配方法化二次型f=2x1x2+2x1x3-6x2x3成规范形
, 并求所用的变换矩阵
解:
一、问题分析
已知二次型
不含平方项(即没有),因此不能直接配方。
我们采用配方法,先通过可逆线性变换引入平方项,再逐步配方化为规范形,
并求出所用的变换矩阵。
二、引入新变量构造平方项
令,该变换可逆,目的是将转化为平方差形式。
计算各项:
代入原式:
三、逐步配方
1.对含的项配方
2.对含的项配方
3.合并结果
四、化为规范形
令
再令
此为规范形。
五、求变换矩阵
我们要求可逆矩阵,使得。
1.从表示
由
解得
2.从表示
由
代入得
3.写出矩阵形式
六、最终答案
规范形:
所用变换矩阵:
满足,且。