用初等变换法化二次型为标准形正定二次型

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用初等变换化二次型为标准规定型

莆田学院数学与应用数学系“高等代数选讲”课程论文题目：用矩阵的初等变换化实二次型为标准形姓名：廖丹学号：410401141莆田学院数学与应用数学系数学与应用数学专业2004级2007年6月20日用矩阵的初等变换化实二次型为标准形041数本 410401141 廖丹摘要：本文介绍两种特殊方法：一种是用正交变换化实二次型为标准形，另一种是连续用第三种初等行变换快速将二次型化为标准形.关键词：初等变换第三种初等阵非异阵实二次型标准形1．数域下任意一个实二次型X AX ',总可以经过非奇异变换X PY =使得21ni i i X AX d y ='=∑,其中i d 为实数,通常的方法是采用配方法或初等变换法,然而传统的方法最大的缺点是不易求矩阵P .下面介绍一种特殊方法,能够快速将原二次型化为标准形，一举求出非异阵P .定义1.1以()ij k T 表示将单位矩阵的j 行（列）的k 倍加到i 行（列）,所得到的第三种初等阵.定理1.2设A 是n 阶实对称阵,P 是有限个第三种初等阵()ij k T ,1i >的乘积.且110d a P A A ⎛⎫'=⎪⎝⎭其中a 是1n -维行向量,1A 是1n -阶阵,则必有100dP AP A ⎛⎫'= ⎪⎝⎭. 证明：由于P 是()ij k T 的乘积，且1i >,根据矩阵的乘法规则，用P 右乘P A '时,P A '的第一列元素不变,从而110d P AP A β⎛⎫'=⎪⎝⎭,即A 是实对称的. ∴ P AP '亦为实对称阵 ∴ 0β=这个定理实质上就给出矩阵A 化标准形,求出变换矩阵P 的一种方法,只要连续使用第三种初等变换即可把A 化为上三角形.现作矩阵(),A E 找出P '使()(),,P A E P A P '''=1*,00rd d P ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪'= ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭则这个P '的转置阵就是我们要找的非异阵P ,它使P AP '为对角阵.即只要对(),A E 作有限次第三种初等变换()ij k T ,i j >,则当把A 变换成上三角阵时,(),A E 的E 就同时化为P ',且使10rd d P AP ⎛⎫ ⎪ ⎪⎪'=⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭. 例1 求非异阵P ,使P AP '为对角阵,其中112110202A -⎛⎫ ⎪=-- ⎪ ⎪⎝⎭. 解：()112100,110010202001A E -⎛⎫⎪=-- ⎪⎪⎝⎭21112100022110202001r r +-⎛⎫⎪−−−→- ⎪⎪⎝⎭31(2)r r +-−−−−→32112100112100022110022110022201000111r r +--⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪-−−−→- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪---⎝⎭⎝⎭故由定理知111011001P -⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭.100020000P AP ⎛⎫ ⎪'=- ⎪ ⎪⎝⎭例2将实二次型122313262x x x x x x -+化为平方和.解：此二次型的系数矩阵 011103130A ⎛⎫⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭,A 的主对角元素全是0,故不能立即引用定理,需先对A 作初等行变换及其相应的列.使经过如此变换后得到的新合同阵的主对角有非零数,然后再用定理即可.()12011100112110,103010103010130001130001r r A E +-⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪=-−−−→- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭12123112212110212110111103010020222230001022111r r r r c c -++-⎛⎫-⎛⎫⎪-- ⎪ ⎪−−−→-−−−→- ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭ ⎪--⎝⎭32421211011120222006311r r --⎛⎫⎪-- ⎪−−−→- ⎪ ⎪-⎝⎭∴ 11321112001P -⎛⎫⎪⎪ ⎪=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,2126P AP ⎛⎫⎪- ⎪'= ⎪⎪⎝⎭令X PY =, 则122313262x x x x x x -+2221231262yy y =-+. 2．若要求一正交阵P 使P AP '成对角阵,这等价于经过正交变换X PY =将二次型X AX'化为标准形.一般步骤是通过施密特正交化过程来求解,但此方法较为复杂,下面介绍用解一些齐次线性方程组的方法来化实二次型为标准形.定理2.1设A 为n n ⨯阶矩阵,秩()A r =,且n n n A E ⨯⎛⎫ ⎪⎝⎭−−−−→列初等变换(1)(1)*n nn n n n B Q P ⨯⨯-⨯-⎛⎫⎪⎝⎭其中B 是秩为r 的列满秩矩阵,则矩阵P 所含n r -个列向量就是齐次线性方程组0AX =的一个基础解系. 证明：秩()A r =∴存在可逆的n 级矩阵12S PP P 使()12*,0S n r APP P B =，其中*n r B 是秩为r 的列满秩矩阵同理：()12*,*()n S nr n n r E PP P E E -''=，其中*n r E '表示秩为r 的每一列有且只有一元素为1的列满秩矩阵，*()nn r E -'表示秩为n r -的每一列有且只有一元素为1的列满秩矩阵 ∴*12(1)0n nn n S n n n n n B A PP P Q P E ⨯⨯⨯-⎛⎫⎛⎫=⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，其中n n nr Q E ⨯⨯'=，()n n n n r P E ⨯⨯-'= 由于0AX =的解向量个数为n r -，而()n n r P ⨯-为秩为n r -的列满秩矩阵再由初等变换原理易知：矩阵P 所含n r -个列向量就是齐次线性方程组0AX =的一个基础解系.定理2.2矩阵A 的特征矩阵()A λ经列的初等变换可化为下三角的λ矩阵()B λ,且()B λ的主对角线上元素的乘积的λ多项式的根恰为A 的所有特征根.此定理证明与定理1.2相仿,故省去.下面探讨计算方法：设()A E A λλ=- 且()A E λ⎛⎫ ⎪⎝⎭−−−−→列初等变换()()B A λλ⎛⎫⎪⎝⎭,其中()B λ为下三角矩阵,则()B λ的主对角线上的全部元素的λ多项式的全部根恰为矩阵A 的全部特征根,对于矩阵A 的每一特征根i λ,若矩阵()B λ中非零向量的列构成列满秩矩阵,那么矩阵()i P λ中和()i B λ中零向量所对应的列向量是属于特征根i λ的全部线性无关的特征向量；否则继续()()i i B A λλ⎛⎫ ⎪⎝⎭−−−−→列初等变换()()**i i B P λλ⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭使得()*i B λ中非零向量的列构成列满秩矩阵,那么()*i P λ中和()*i B λ中向量对应的列向量是属于特征根i λ的全部线性无关的特征向量.设所求出的特征向量111111iski iks skαααααα,它是一组线性无关的向量,以ijα为列向量构成矩阵()ijB α=,则B B '是一个n 阶正定矩阵,必与单位矩阵正合同,即存在n阶可逆矩阵Q ,使得()()1Q B B Q E ''=即()()()2Q B BQ E''=()1式说明：对矩阵B B '施行一系列的列初等变换,（相应的初等矩阵的乘积为Q ）及一系列的行初等变换（相应的初等矩阵的乘积为Q '）,可化为单位矩阵；(2)式说明：BQ 的列向量组是一个标准正交基,BQ 可以通过对矩阵B 施行与对矩阵B B'所施行的相同的初等变换求出.于是得到求正交矩阵的初等变换法B B E B BQ '⎛⎫⎛⎫→ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭对B B '施行列初等变换,对B 施行行初等变换.实际上将B B '化为E ,分别乘以11a 所在的行和列使11a 变成1；再施以列初等变换把11a 所在行其他元素化为0，又施以行初等变换把11a 所在列的其他元素化为0 ,按此法,依次把22nn a a ，变为1.其它元素变为0,那么矩阵BQ 即为所求的矩阵P ,且P AP '为对角阵,其中主对角线上元素11,si ls k k λλλλ例1 求正交矩阵P 使P AP '为对角阵,其中422242224A ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭.解：()422242224100010001A E λλλλ---⎛⎫ ⎪--- ⎪⎪---⎛⎫=⎪ ⎪⎝⎭ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭21001241221424*********2001001010010114001222λλλλλλλλλλ--⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪----⎪⎪ ⎪⎪---+---⎪⎪ ⎪ ⎪→→ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪- ⎪--- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭210012022582200101111322λλλλλλ⎛⎫⎪- ⎪ ⎪-+-+-+⎪ ⎪→ ⎪⎪⎪ ⎪--- ⎪⎝⎭∴ 矩阵A 的特征根为12λ=（二重）,28λ=.当12λ=时,有()()111001001000010111122B P λλ⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭⎪ ⎪- ⎪-- ⎪⎝⎭非零向量的列构成满秩矩阵,对应零向量的向量12011,112αα⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪== ⎪ ⎪⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭当28λ=时,同法求出对应特征向量3111α⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭,123,,ααα是无关的,以123,,ααα为列向量构成矩阵B ,再求出B B '于是得：1000102300013600030011111121B B B ⎛⎫ ⎪ ⎪⎛⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪'⎛⎫=→ ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪ ⎪ ⎪-- ⎝⎭⎝即得：0P ⎛ =⎝且有200020008P AP ⎛⎫⎪'= ⎪ ⎪⎝⎭参考文献：[1] 北大. 高等代数[M]. 高等教育出版社,1989.11[2] 北大数学系几何与代数教研室代数小组. 高等代数[M]. 高等教育出版社,1987.3 [3] 王琳. 用正交变换化实二次型为标准形方法研究[J]. 数学通讯, 1990（3） [4] 牟俊霖、李青古.洞穿考研数学[M]. 航空工业出版社, 2005.3。

初等变换法由正交矩阵得出二次型的标准型_概述及解释说明

初等变换法由正交矩阵得出二次型的标准型概述及解释说明1. 引言1.1 概述初等变换法由正交矩阵得出二次型的标准型是矩阵理论中一个重要且常用的概念。

通过进行一系列的初等变换和利用正交矩阵，我们可以将给定的二次型转化为标准型，从而简化问题的求解过程。

本文将对初等变换法和正交矩阵进行介绍，并说明它们在得出二次型的标准型中起到的关键作用。

1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、初等变换法与正交矩阵、二次型的标准型、初等变换法由正交矩阵得出二次型的标准型以及结论。

首先，在引言部分将对整篇文章的内容进行概述，并说明文章结构。

接下来，将详细介绍初等变换法和正交矩阵的概念及其性质，并讨论它们之间的关联性。

然后，我们会深入探讨二次型及其标准型的定义、意义以及性质。

紧接着，在给定了必要背景知识后，我们将介绍如何使用初等变换法和正交矩阵来得到二次型的标准型，包括具体的步骤和计算方法。

最后，在结论部分对全文进行总结，并讨论初等变换法由正交矩阵得出二次型的标准型在实际问题中的应用价值。

1.3 目的本文旨在通过概述和解释说明初等变换法由正交矩阵得出二次型的标准型，帮助读者充分理解初等变换法与正交矩阵在矩阵理论中的重要性以及它们在处理二次型问题中的作用。

同时，本文还将提供详细的步骤和计算方法，使读者能够从实际问题出发，灵活运用这种方法来求解相关的数学和工程问题。

2. 初等变换法与正交矩阵2.1 初等变换法介绍初等变换是线性代数中一种重要的操作，它可以通过对矩阵进行一系列基本运算来改变矩阵的形态。

常见的初等变换包括行交换、行倍乘以一个非零数和第j行加上第i行的k倍。

2.2 正交矩阵概述正交矩阵是指满足其转置矩阵乘以自身结果为单位矩阵的方阵。

简而言之，正交矩阵的转置就是它的逆矩阵。

具体而言，设A为n×n的实矩阵，若满足A^T⋅A=I (其中I为n×n的单位矩阵)，则称A为正交矩阵。

在线性代数中，正交矩阵有很多重要性质和应用。

化二次型为标准型的方法解读

化二次型为标准型的方法二、二次型及其矩阵表示在解析几何中，我们看到，当坐标原点与中心重合时，一个有心二次曲线的一般方程是 22ax 2bxy cy f ++=. （1）为了便于研究这个二次曲线的几何性质，我们可以选择适当的角度θ，作转轴（反时针方向转轴） ''''x x cos y sin y x sin y cos θθθθ⎧=-⎪⎨=+⎪⎩ （2）把方程（1）化成标准方程。

在二次曲面的研究中也有类似的情况。

（1）的左端是一个二次齐次多项式。

从代数的观点看，所谓化标准方程就是用变量的线性替换（2）化简一个二次齐次多项式，使它只含平方项。

二次齐次多项式不但在几何中出现，而且数学的其他分支以及物理、力学中也常会碰到。

现在就来介绍它的一些最基本的性质。

设P 是一数域，一个系数在数域P 上的12n x ,x ,...,x 的二次齐次多项式22212n 11112121n 1n 2222n 2n nn n f (x ,x ,...,x )a x 2a x x ...2a x x a x ...2a x x ...a x =++++++++称为数域P 上的一个n 元二次型，或者在不致引起混淆时简称二次型。

设12n x ,x ,...,x ；12n y ,y ,...,y 是两组文字，系数在数域P 中的一组关系式11111221n n 22112222n n 33113223n n n n12n22nn nx c y c y ...c y x c y c y ...c y x c y c y ...c y ...........x c y c y ...c y =++⎧⎪=++⎪⎪=++⎨⎪⎪=++⎪⎩ （4）称为由12n x ,x ,...,x 到12n y ,y ,...,y 的一个线性替换，。

如果ij c 0≠，那么线性替换（4）就称为非退化的。

在讨论二次型时，矩阵是一个有力的工具，因此把二次型与线性替换用矩阵来表示。

化二次型为标准型

化二次型为标准型二次型是数学中的一个重要概念，它在线性代数和数学分析中有着广泛的应用。

在矩阵理论中，我们经常会遇到需要将一个二次型化为标准型的问题。

本文将介绍如何将一个二次型化为标准型，希望对读者有所帮助。

首先，我们来回顾一下二次型的定义。

对于n元变量x1,x2, ..., xn，二次型可以表示为。

Q(x) = a11x1^2 + a22x2^2 + ... + annxn^2 + 2a12x1x2 + 2a13x1x3 + ... + 2ann-1xn-1xn。

其中，aij (i, j = 1, 2, ..., n) 是常数。

二次型的矩阵表示为。

Q(x) = XTAX。

其中，A是一个对称矩阵，其对角线上的元素就是二次型中的系数，而非对角线上的元素的二倍就是二次型中交叉项的系数。

接下来，我们介绍如何将一个二次型化为标准型。

首先，我们需要找到一个合适的正交变换，使得通过这个变换后，原二次型化为标准型。

设P是一个正交矩阵，即PT = P^-1，那么对于任意的向量x，有。

Q(x) = XTAX = (Px)T A (Px)。

令y = Px，则有。

Q(x) = XTAX = (Px)T A (Px) = yTAy。

这样，原二次型就被化为标准型yTAy。

其中，A是一个对称矩阵，因此可以对角化为对角矩阵Λ。

即存在一个正交矩阵P，使得。

PTAP = Λ。

其中Λ是对角矩阵，其对角线上的元素就是二次型的标准型的系数。

最后，我们来总结一下化二次型为标准型的步骤。

首先，找到二次型的矩阵表示A。

然后，对A进行合同对角化，即找到一个正交矩阵P，使得PTAP = Λ。

最后，通过变换y = Px，将原二次型化为标准型yTAy。

通过以上的介绍，我们可以看到，将一个二次型化为标准型并不是一件困难的事情。

只需要找到合适的正交变换，就可以将原二次型化为标准型。

这对于矩阵理论的学习和应用都有着重要的意义。

总之，化二次型为标准型是矩阵理论中的一个重要问题，通过合同对角化的方法，我们可以很容易地将一个二次型化为标准型。

第七章二次型分析

第七章二次型二次型是型论的内容之一，是非线性的.二次型的研究源于解析几何中对有心二次曲线和二次曲面方程的化简.由于实二次型的讨论,可以转化为对实对称矩阵的讨论,所以将它纳入线性代数的内容,本章内容可以看作矩阵化简理论一个方面的应用.本章的重点是实二次型化标准形及正定二次型.7.1 二次型及其矩阵定义1 数域F 上的一个二次齐次多项式n n n x x a x x a x a x x x f 112112211121),,,(+++=ΛΛn n x x a x a x x a 2222221221++++Λ++Λ22211n nn n n n n x a x x a x x a +++Λ∑∑===n i nj j i ij x x a 11, (1)称为F 上的一个n 元二次型.),,2,1,(n j i F a ij Λ=∈称二次型),,,(21n x x x f Λ的系数.由于i j j i x x x x =,令⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=nn n n n n a a a a a a a a a A ΛΛΛΛΛΛΛ212222111211, 其中n j i a a ji ij ,,2,1,,Λ==.即A 为对称矩阵:A A T=.那么(1)可表为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n nn n n n n n n x x x a a a a a a a a a x x x x x x f M ΛΛΛΛΛΛΛΛΛ212122221112112121),,,(),,,( AX X T=, (2)其中⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n x x x X M 21.(2)称为(1)的矩阵表示式,称A 为二次型),,,(21n x x x f Λ的矩阵. A 的秩称为该二次型的秩.显然,每一个n 元二次型都对应一个n 阶对称矩阵.例1 三元二次型23322121321232),,(x x x x x x x x x f ++-=的矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=20010112323A .下面我们主要讨论实数域R 上的二次型,即对实对称矩阵进行讨论.我们的目的是化实对称矩阵为对角形矩阵.实对称矩阵有如下性质:性质1 实对称矩阵的特征值都是实数.证设A 是n 阶实对称矩阵,λ为A 的特征值,Tn x x x ),,,(21Λ=α是属于特征值λ的特征向量.即有.λαα=A (3)令α为α的共轭向量,A 为A 的共轭矩阵（由A 的元素ij a 的共轭数ij a 构成）.由(3)两边取共轭有λαα=A ,即αλα=A .因A A =,所以αλα=A . (4)对(4)两边取转置,得T T T A αλα=. (5)用α右乘(5)两边,得ααλααααααλTT T T T A A ===.于是0)(=-ααλλT .由222212211||||||n n T x x x x x x x x x +++=+++=ΛΛαα,而0≠α,则有ααT＞0.因此0=-λλ,即λλ=,故λ为实数.性质2 实对称矩阵的属于不同特征值的特征向量正交.证设21,λλ是实对称矩阵A 的两个不同的特征值,21,αα是分别属于21,λλ的特征向量（实n 元列向量）,即有111αλα=A , 222αλα=A ,那么><>=>=<<21121121,,,ααλααλααA .又><====>=<21221221212121,)(,ααλααλααααααααT T T T T A A A A . 于是0,)(2121>=<-ααλλ.而021≠-λλ,故0,21>=<αα,即21,αα正交.性质3 n 阶实对称矩阵相似于n 阶对角形矩阵. 证对n 采用归纳法. 2=n ,令⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=c b b a A .若0=b ,A 已是对角形矩阵.若0≠b ,由22)(||b ac c a cb ba A E -++-=----=-λλλλλ. (6)(6)式右端为λ的二次三项式,其判别式22224)()(4)(b c a b ac c a +-=--+=∆＞0.因而A 有两个不同的特征值,由定理6.3.1的推论,A 可对角化.设对1-n 阶实对称矩阵,结论成立.当A 为n 阶实对称矩阵时,设111αλα=A .由于0≠k ,1αk 也属于1λ的特征向量,于是可取1α为单位向量.令),,,(211n p αααΛ=为正交矩阵,则有),,,(212111111n T n T T TA A A AP p AP p ααααααΛM ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==-,212221212111⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n T n T n T nn TT T n T T T A A A A A A A A A ααααααααααααααααααΛΛΛΛΛΛΛ 该矩阵仍为对称矩阵.而.1,1,0,,111111≠=⎩⎨⎧>=<==j j A j Tj T j λααλαλααα 于是.00001111⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-BAp p M Λλ 其中B 为1-n 阶对称矩阵.由归纳假设,有(1-n )阶可逆矩阵Q ,使得.321⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-n BQ Q λλλO令,0012⎪⎪⎭⎫⎝⎛=Q p且令21p p p =,则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==----Q B Q p Ap p p Ap p 00100001112111121λ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n λλλO 21. (7)实对称矩阵的讨论可以放在欧氏空间中进行.一个实对称矩阵A 化对角形矩阵,先求出A 的全部特征值(它即为对角矩阵中的元素)及相应的特征向量.将A 的属于同一特征值的特征向量正交化,单位化,仍为A 的属于该特征值的特征向量.由于属于不同特征值的特征向量正交,那么,此时A 的这n 个特征向量均为单位向量,且两两正交.以它们为列构成(7)式中的p ,则p 为正交矩阵.于是有定理7.1.1 A 是n 阶实对称矩阵,则一定存在n 阶正交矩阵U ,使得AU U T为对角形矩阵.定义2 设A ,B 是数域F 上两个n 阶矩阵,如果存在F 上的一个n 阶可逆矩阵p ,使得B AP P T = (8)那么就称A 与B 合同,记为A ≈B .矩阵的合同关系具有以下性质:1°自反性: A ≈A . 在(8)中取E P =即可.2°对称性: 若A ≈B ,则有可逆矩阵P ,使B AP P T =.于是11)(--BPP TTP )(1-=A BP =-1.即有B ≈A .3°传递性: 若A ≈B ,B ≈C ,则有可逆矩阵P ,Q ,使得B AP P T =, C BQ Q T=.于是C BQ Q APQ P Q PQ A PQ TT T T ===)()(,即有A ≈C .若A ≈B ,显然秩(A )=秩(B ).定理7.1.1说明,任意一个实对称矩阵都合同于一个对角形矩阵.例2 设⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=020212022A求正交矩阵U ,使AU U T为对角形.解 A 的特征多项式)2)(4)(1(20212022+--=--=-λλλλλλλA E , 特征值为:2,4,1-===λλλ. 对,1=λ求得齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+-0202202323121x x x x x x 的基础解系T)2,1,2(1--=α.对应,42=λ23-=λ的齐次线性方程组分别求得基础解系: T )1,2,2(2-=α,T )2,2,1(3=α.将321,,ααα单位化得:T )32,31,32(1--=η, T )31,32,32(2-=η, T )32,32,31(3=η.于是 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=21222112231U ,而 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=241AU U T .习题1.写出下列实二次型的矩阵.(1) ;4232),,(233222312121321x x x x x x x x x x x x f --+-+=(2) 433241312143216532),,,(x x x x x x x x x x x x x x g +-+-=;(3) 232221321432),,(x x x x x x h +-=.2.设⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=320222021A ,求可逆矩阵AP P P T使,为对角形.3.设A 是一个可逆对称矩阵.证明,1-A ≈A .4.A 为四阶实对称矩阵,秩(A )2=,问与A 合同的对角形矩阵有哪几种情况?*5. 设σ是欧氏空间V 的一个线性变换,若V ∈∀ηξ,有>>=<<)(,),(ησξηξσ,则称σ是一个对称变换.证明对称变换σ在V 的任一个标准正交基下的矩阵是对称矩阵.7.2 实二次型的标准形我们已经知道,如果A 是n 阶实对称矩阵,秩r A =)(≤n ,那么,总存在n 阶可逆矩阵P ,有⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=0021OOrTd d d AP P . (1) 显然,与(1)中这个对角形矩阵相应的二次型只含有变量的平方项,即为.2222211r r y d y d y d +++Λ称此二次型为与A 相应的二次型的标准形.如何将一个二次型化为标准形,定理7.1.1已经给出了一个方法.事实上,设实二次型AX X x x x f T n =),,,(21Λ.其中,21⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n x x x X M TA A =.由定理7.1.1,则有正交矩阵P ,使得⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n T AP P λλλO21. 令,PY X =,),,,(21Tn y y y Y Λ=那么)()(),,,(21PY A PY AX X x x x f TT n ==Λ),,,()(21n TT y y y Y AP P Y Λ==⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛n λλλO21⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛n y y y M 21. (2) (2)中A n 为λλλ,,,21Λ的全部特征值.P 的第j 列为属于j λ的特征向量正交化、单位化后所得的特征向量.上述这种化二次型为标准形的方法,称为正交变换法.如果不考虑求正交矩阵P ,那么,求出实二次型矩阵的全部特征值后,便可得到该二次型的标准形.在正交变换法中,PY X =( P 为正交矩阵),称为坐标的正交变换.解析几何中.就是通过这种坐标的正交变换,将有心二次曲线或二次曲面方程化为标准形式的.正交变换法中,如果要求出正交矩阵P ,显然是比较麻烦的.下面我们再给出两种化二次型为标准形的方法.1.初等变换法设⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n T d d d AP P O21, 由P 可逆,令s p p p P Λ21=,),,2,1(s i p i Λ=为初等矩阵,那么有⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=s S TT T s d d d P P AP P P P OΛΛ212112. (3) 又P P P EP s =Λ21. (4)(3)与 (4)说明,对A 施行某一类行初等变换后,同时施行相应的列的初等变换,并且对单位矩阵A E 随施行同样的列变换,当A 化成对角矩阵时,那么E 化为可逆矩阵P .综合(3)、(4),可表成如下形式:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛→⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛P D E A ,其中D 为对角形矩阵.这种化实二次型为标准形的方法称为初等变换法.例1 用初等变换法化下列二次型为标准形32312123222132142224),,(x x x x x x x x x x x x f +++---=.解 ),,(321x x x f 的矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=221241111A .−−→−⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++)1()3()1()2(100010001221241111E A ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---100010111130330001−−→−+)2()3(⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--100110211200030001. 所以⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=100110211P ,而经可逆变量替换PY X =,23222132123),,(y y y x x x f +--=.2.配方法.配方法是将二次型的一些项,配成全完平方项,逐步通过可逆的变量替换,最后化成只含新变量的平方项的二次型例2 用配方法化下列二次型为标准形2332312122213214642),,(x x x x x x x x x x x x f +++++=.解 3223213212)]2([),,(x x x x x x x x f +++=令32112x x x y ++=, 32112y y y x --=, 22x y =,或22y x =,33x y =.33y x =.经变量替换Y p X 1=,其中⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=321x x x X , ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=321y y y Y , ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=1000102111p ,有 32213212),,(y y y x x x f +=.再令11z y =, 2y = 32z z +,=3y 32z z -.经变量替换 ,2Z P Y =其中⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1101100012p , ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=321z z z Z ,有 3322212121222z z z y y y -+=+.令⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--==11011013121p p p ,那么,经可逆变量替换PZ X =有23222132122),,(z z z x x x f -+=.采用初等变换法或配方法化二次型为标准形,由于变换过程不同,或者选择配方的变量不一样,所化得的标准形可能不同,但标准形中,所含变量的平方项的个数都是一样的,这是因为两个相似或合同的矩阵有相同的秩.一个二次型经过变量的替换后,化成一个含新变量的二次型,那么,称这两个二次型是等价的.于是可以说,一个实二次型与它的标准形等价.为了避免实二次型的标准形可能出现的不唯一性,我们需要将它的标准形作进一步的规范.设n A 是阶实对称矩阵,秩)(A =r (0＜r ＜n ),P 为实可逆矩阵,且⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=0021OOr Td d d AP P .必要时,交换对角矩阵中的两列和两行(相当于对它右乘以ij R 左乘以Tij R ),因而,总可以假定p d d ,,1Λ＞0; r p d d ,,1Λ+＜0, 0≤p ≤r .令⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=11||1||11OO r d d Q , 则有.0000000⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-Pr PT T E E APQ P Q 于是我们得到定理7.2.1 任意一个秩为r 的实n 元二次型,都与如下一个二次型等价:.221221r P P y y y y ---+++ΛΛ (5)二次型(5)称为实二次型的规范形.下面我们进一步证明(5)中的P 也是唯一确定的,即有定理7.2.2(惯性定理) 实二次型的规范形是唯一的.证设实二次型),,,(21n x x x f Λ的秩为r ，且经过可逆变量替换BY X =和CZ X =分别化为22122121),,(r p p n y y y y x x x f ---++=+ΛΛΛ 和22122121),,(r q q n z z z z x x x f ---++=+ΛΛΛ. 即经 BY C Z 1-=,有221221221221r p p r q q y y y y z z z z ---++=---++++ΛΛΛΛ (6)假设p ＞q ,令⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-nn n n n n t t tt t tt t t B C ΛΛΛΛΛΛΛ2122221112111. 那么,BY C Z 1-= 即为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+++=+++=+++=.22112222121212121111n nn n n n nn nn y t y t y t z y t y t y t z y t y t y t z ΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛ (7)考虑齐次线性方程组:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===+++=++++,0000122111212111n p n qn q q n n y y y t y t y t y t y t y t ΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛ (8)(8)中方程个数为 )()(q p n p n q --=-+＜n ,因而有非零解:),,,,,(11n p p k k k k ΛΛ+，其中,01===+n p k k Λ.将它代入(6)的右端得221p k k ++Λ＞0,又代入(8)的前q 个方程知(7)中有01===q z z Λ,于是(6)的左端221r q z z ---+Λ≤0,矛盾.因而p ≤q ,同法可得q ≤p ,从而q p =.规范形(5)中的p 称实二次型的正惯性指数,p r -称为负惯性指数,r p p r p -=--2)(称为二次型的符号差,记为s ,即r p s -=2.由惯性定理得,推论两个实二次型等价,当且仅当它们有相同的秩和符号差.习题1.用正交变换法,化二次型为标准形31232221321422),,(x x x x x x x x f +-+=.2.分别用初等变换法和配方法,将二次型2332222121321242),,(x x x x x x x x x x f -+-+=化为标准形.3.求下列二次型的秩、正惯性指数和符号差. (1);262),,(313221321x x x x x x x x x f +-=(2).4242),,(3221232221321x x x x x x x x x x f ++++=4.将等价的二次型作为一类,证明,所有的n 元实二次型共有)2)(1(21++n n 个类.7.3 正定二次型一个n 元实二次型AX X x x x f Tn =),,,(21Λ,实际上可以看成定义在实数域R 上的一个n 元实函数.用Tn c c c X ),,,(210Λ=取代X ,得到一个唯一确定的实数0021),,,(AX X c c c f Tn =Λ,称该实数为),,(1n x x f Λ在0X X =时的值.定义 1 设有n 元实二次型AX X x x x f Tn =),,,(21Λ,如果对于任何一组不全为零的实数n c c c ,,,21Λ,都有),,,(21n c c c f Λ＞0,那么称),,,(21n x x x f Λ是正定二次型.正定二次型的矩阵A 称为正定矩阵(A 是正定矩阵简称A 正定).定理7.3.1 n 元实二次型AX X x x x f Tn =),,,(21Λ正定的充分必要条件是它的正惯性指数n p =.证若),,,(21n x x x f Λ的正惯性指数n p =,则经可逆变量替换PY X =,可化为规范形2222121),,,(n n y y y x x x f +++=ΛΛ. (1)任取0),,,(210≠=Tn c c c X Λ,代入X PY =,得线性方程组0X PY =.由p 可逆及00≠X ,可得唯一非零解010X p Y -=.令.0),,,(210≠=T n b b b Y Λ得2222121),,,(n n b b b c c c f +++=ΛΛ＞0.故),,,(21n x x x f Λ是正定二次型.反之,若AX X x x x f Tn =),,,(21Λ正定,而正惯性指数p ＜n .1＝.设秩p A =)(,则该二次型经可逆变量替换Z Q X 1=,化为规范形:.),,,(221222121n n n z z z z x x x f -+++=-ΛΛ (2)取Tp n p Z )1,,1,0,,0(0876Λ876Λ个个-=,得010Z Q X =.由00≠Z 且1Q 可逆,知00≠X .令0),,,(210≠=T n k k k X Λ,代入(2),得0),,,(21=n k k k f Λ,与),,,(21n x x x f Λ正定矛盾.2).设秩()p r A >=,则该二次型经可逆变量替换W Q X 2=化为规范形:.),,,(22122121r p p n w w w w x x x f ---++=+ΛΛΛ取Tp n p W )1,,1,0,,0(0876Λ876Λ个个-=.同样可得.0),,,(210≠=T n t t t X Λ而,0)(),,,(21<--=p r t t t f n Λ必与),,,(21n x x x f Λ正定矛盾.故.n p =由定理7.3.1,可得推论1 n A 是阶实对称矩阵,A 正定的充分必要条件是A 的所有特征值都大于零. 推论2 n 阶实对称矩阵A 为正定矩阵的充分必要条件是A 合同于单位矩阵n E . 由推论1,2可知, A 是正定矩阵,那么A 对应的二次型是正定二次型.这样,对正定二次型的讨论可以转化为对正定矩阵的讨论,下面给出正定矩阵的几个性质.性质1 实对称矩阵A 正定的充分必要条件是存在可逆的实矩阵Q ,使得Q Q A T=.事实上,若A 正定,那么有可逆矩阵p ,使n T E AP P =.于是.)()(1111----==P P PP A T T令1-=P Q ,则有Q Q A T =.反过来,若Q Q A T=,且Q 可逆,那么.)()(1111E AQ Q AQ Q T T==----令1-=Q P ,便有E AP p T=,由定理7.3.1的推论2知,A 正定.性质2 实对称矩阵A 正定,则||A ＞0事实上,在性质1中,对Q Q A T=两边取行列式即得.为了直接从A 来判定A 是否正定,我们先给出定义2 设n a A ij 是)(=阶实对称矩阵,由A 的前k 行,前k 列的元构成的k 阶子式kkk k kk a a a a a a a a a ΛΛΛΛΛΛΛ212222111211, 称为A 的k 阶主子式(或称k 阶顺序主子式).取,,,2,1n k Λ=便得到A 的所有主子式.定理7.3.2 A 是n 阶实对称矩阵, A 正定的充分必要条件是A 的所有主子式都大于零.证设),,,(21k k x x x f Λ为k 元二次型,其矩阵为k k ij k a A ⨯=)(.任取0),,,(210≠=T k c c c X Λ代入k f ,有∑==kj i jiij k k c c a c c c f 1,21.),,,(Λ令Tk n k c c X )0,,0,,,(11876ΛΛ个-=,则01≠X .由),,,(21n x x x f Λ正定,有),,,()0,,0,,,(211k k k c c c f c c f ΛΛΛ=＞0,因此),,,(21k k x x x f Λ正定,从而k A 正定,由性质2, |k A |＞0,.,,2,1n k Λ=反之，设⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=nn n n n n a a a a a a a a a A ΛΛΛΛΛΛΛ212222111211. A 的所有主子式||k A ＞0,n k ,,2,1Λ=.从第二行起,逐步对A 的第i 行,第i 列施行同样的第三类初等变换,首先有⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→0000111B a A M Λ, 其中11a ＞0,1B 仍为对称矩阵(因为122112)(P P P P P AP P P P s T T S T T s ΛΛΛ=TT P AP 21 i T S P P ,Λ为第三类初等矩阵).如此下去,最后得⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛→n d d a A O211. (3) 由行列式的性质得知||111A a =＞0,||2211A d a =＞0,…,||211A d d a n =Λ＞0,因此11a ＞0,i d ＞0,n i ,,2Λ=.而(3)相当于⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n T d d a AP P O211, 其中p 为第三类初等矩阵的乘积,而A 对应的二次型经可逆变量替换PY X =,有.),,(222221111n n n y d y d y a x x f +++=ΛΛ),,,(21n x x x f Λ的正惯性指数n p =,因而),,(1n x x fΛ正定,故A 正定.例1 证明A 是正定矩阵⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=521241111A . 证由于A 的主子式1||1=A ＞0,34111||2==A ＞0,1||=A ＞0.所以A 正定.例2 λ为何值时,二次型3231212322213214225),,(x x x x x x x x x x x x f +-+++=λ是正定二次型.解 ),,(321x x x f 的矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=5212111λλA .A 的主子式11=A , 22111λλλ-==A ,.45521211123λλλλ--=--=A由⎩⎨⎧---λλλ45122 ＞0＞0解得54-＜λ＜0.即当54-＜λ＜0时,所给二次型为正定二次型. 与正定二次型相仿,我们可以定义负定二次型,半正定二次型.即对任意的0),,(2,1≠=T n x x x X Λ,若AX X x x x f T n =),,,(21Λ＜0,那么称),,(2,1n x x x f Λ为负定二次型;若有AX X x x x f T n =),,,(21Λ≥0,那么称),,(2,1n x x x f Λ为半正定二次型.习题1.下列矩阵中,哪些是正定矩阵(1) ;5221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ (2);4331⎪⎪⎭⎫⎝⎛ (3)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛510142022.2.下列二次型中,哪些是正定二次型(1) 3121232221443210x x x x x x x +++-; (2) 32312123222148455x x x x x x x x x --+++.3.λ取何值时,下列二次型是正定的.313221232221222)(x x x x x x x x x --+++λ.4.证明:如果A 正定,那么1-A 、)0(>k kA 、*A 也正定.5.如果n B A 为,阶正定矩阵,证明B A +也是正定矩阵.。

数学化二次型为标准形的几种方法

化二次型为标准形的几种方法摘要二次型是代数学要研究的重要内容，我们在研究二次型问题时，为了方便，通常将二次型化为标准形.这既是一个重点又是一个难点，本文介绍了一些化二次型为标准形的方法：正交变换法，配方法，初等变换法，雅可比方法，偏导数法．正文详细介绍了几种方法的定义以及具体步骤，并举出合适的例题加以说明．其中，偏导数法与配方法又相似，只是前者具有固定的步骤，而配方法需要观察去配方．关键词：正交变换法配方法初等变换法雅可比方法偏导数法reduce the quadratic forms to thestandard formsAbstract：Quadratic is the important content should study algebra, in our studies of quadratic problem, for convenience, will usually be quadratic into standard form. This is both a key is a difficulty, this paper introduces some HuaEr times for the standard form of orthogonal transform method, method: match method, elementary transformation, jacobian method, partial derivative method. The text introduces several methods defined and concrete step, simultaneously gives appropriate examples to illustrate. Among them, the partial derivative method and match method and similar, but the former has the fixed steps, and match method need to observed to formula.Keywords:orthogonal transform method match method elementary transformation jacobian method partial derivative method一、引言二次型的本质是一个关于n 个变量二次齐次函数，在它的表达式中除了平方项就是交叉项，没有一次项或常数项，其具体定义为：设P 是一个数域，一个系数在数域P 中12,n x x x ⋯的二次齐次多项式2121112121211222222f(,,,,)2...2...2...n n n n n nn n x x x a x a x x a x x a x a x x a x =++++++++=11n nij ijj i a x x==∑∑，称为数域P 上的一个n 元二次型．二次型具有广泛的应用性，在工程技术、经济管理、社会科学以及数学的其他分支中均需要运用到二次型，在实际运用过程中经常需要将二次型化为标准形，很多同学能够根据标准的步骤将二次型化为标准形，但是却不能很好地根据所给的题目运用最适宜的方法进行解决．本文参考已有的研究结果，总结化二次型为标准形的几种方法，分析每种方法的解题原理和过程，归纳其应用特点，帮助《线性代数》的初学者根据题目的特点和要求采取最佳的方法解决问题，达到简明快速的目的．关于二次型化为标准型的问题，许多数学学者作了较深入的研究，获得了许多具有研究价值和参考价值的成果．庄瓦金在文【11】中给出了二次型的定义及其若干性质．陈惠汝、刘红超在文【12】中将二次型和非退化线性替换用矩阵形式表示，对二次型化为标准形问题采取两种转化思路：一是联系矩阵的初等变换，把问题转化为矩阵合同变换问题；二是借助实对称矩阵特征值与特征向量的有关理论，把问题转化为用正交变换化实对称矩阵为对角形的问题．这两种转化思路产生了二次型化为标准形的两种方法，即合同变换法(也称初等变换法)和正交变换法．李五明，张永金，张栋春在【7】中给出了实二次型化为标准形的方法．通过观察各项进行配方，其实质就是运用非退化的线性替换．使用配方法将二次型化为标准形问题时采取两种转化思路：一是含有平方项时，把平方项集中，然后配方，化为标准形；二是不含平方项时构造平方项，进行逆变换，继续第一步进行配方，这种转化思路产生了二次型化为标准形的方法，即配方法．胡明琼在【9】中给出了二次型化为标准形的方法．此方法是利用二次型的矩阵的顺序主子式来确定标准形中各项平方和项的系数．它要求二次形的矩阵所有的顺序主子式必须都不为零．这种转化思路产生了又一种二次型化为标准形的方法，即合雅可比方法．郭佑镇在【8】中给出了实二次型的化简及应用偏导数法与配方法的实质是相同的，但是它是根据函数与其偏导数之间关系这一原理，依据配方法而提出的化二次型为标准行的新方法，解题思路与配方法极为相似．把问题转化为用偏导数法实解决问题．这种转化思路产生了二次型化为标准形的另一种方法，即偏导数法．孙秀花在文【13】讨论了化二次型为标准形的两种常用方法的区别：正交变换法的第一步是将二次型写成矩阵形式，然后将二次型的矩阵通过单位正交化方法进行对角化，最后利用正交矩阵得到正交变换，利用特征值得到标准形．正交变换法需要求出二次型矩阵的全部特征值，即求特征方程的根，由于代数方程没有统一的求根公式，因此在操作上存在一定的困难．而配方法避免了求解矩阵特征值的问题，因而使用起来比较方便．以上学者的研究为本文介绍的化二次型为标准形的六种方法奠定了基础，为以后的研究工作做出了重要贡献.本文梳理了已有的研究成果，并对六种方法做出总结，希望能够对未来的相关研究作出贡献．二、化二次型为标准形的六种方法（一）正交变换法由于实对称矩阵必定与对角矩阵合同，因此任何实二次型必定可以通过一个适当的正交线性替换将此实二次型化为标准形．定理1任意一个实二次型TAX f X =＝11nnij i j i j a x x ==∑∑（其中ij ji a a =）都可以经过正交线性替换变成平方和2221122...n ny y y λλλ+++，其中平方项的系数12,...,n λλλ就是矩阵A 的全部特征根．由此定理得到的化二次型为标准形的方法称为正交变换法，此法的解题步骤为：1. 将实二次型表示成矩阵形式T AX f X =，并写出矩阵A ；2. 求出矩阵A 的所有特征值12,...,i λλλ，它们的重数分别记为21,...,i k k k （21...i k k k +++=n ）○3求出每个特征值所对应的特征向量，因为21...i k k k +++=n ，所以共有n 个特征向量21...,,i ξξξ．具体方法是：列出方程1()0E A X λ→-=，解出与1λ对应的1k 个线性无关的特征向量；同理求出其他的特征值23,...,i λλλ所对应的特征向量．○4将n 个特征向量21...,,i ξξξ，先后施行正交化和单位化，得到单位正交向量组21,,,n ηηη，并记C =21)(,,T n ηηη；○5作正交变换X CY =，则二次型f 化为标准形f =2221122...n ny y y λλλ+++．例1 用正交变换方法化二次型222212341234121314232434,,,)264462(x x x x x x x x x x x x x x x x x x x f x =+++-+--+-为标准形．解：（1）二次型的矩阵为A =1132112332112311⎛⎫⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭-------- 由A 的特征多项式E A λ-=1132112332112311λλλλ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭--------=(3)(7)(1)(1)λλλλ+--+ 得A 的特征值为1λ=-3，2λ=7，3λ=-1，4λ=1．（2）将1λ=-3代入1()0E A X λ-=中，得到方程组12341234123412324320423032402340x x x x x x x x x x x x x x x x -+-+=⎧⎪-+-=⎪⎨-+-+=⎪⎪-+-=⎩ 解此方程组可得出基础解系1α=(1,1,1,1)T --，同样地，分别把2λ=7，3λ=-1，4λ=1 代入()0E A X λ-=中，求解方程组得与2λ=7，3λ=-1，4λ=1对应的基础解系依次为2α=(1,1,1,1)T--，3α=(1,1,1,1)T--，4α=222211223344d x d x d x d x +++．（3）将1234,,,αααα正交化：1α=1β=(1,1,1,1)T--2β=2α-21111(,)(,)αββββ=(1,1,1,1)T -- 3β=3α-3132121122(,)(,)(,)(,)αβαβββββββ-=(-1,-1,1,1)T 4β=4α-434142123112233(,)(,)(,)(,)(,)(,)αβαβαββββββββββ--=(1,1,1,1)T 将正交向量组1234,,,ββββ，单位化得单位正交向量组：11=(1,1,1,1)2T η--，21(1,1,1,1)2T η=--，31(1,1,1,1)2T η=--，41(1,1,1,1)2Tη=（4）令C =121111111111111111⎛⎫⎪ ⎪⎪⎪⎝⎭------，于是正交线性替换1234x x x x ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=121111111111111111⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭------1234y y y y ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭将二次型化为标准形f =2222123173y y y y +-+-．（二）配方法使用配方法化二次型为标准形时，最重要的是要消去像()i j x x i j ≠这样的交叉项，其方法是利用两数的平方和公式及平方差公式逐个消去非平方项，并构造新的平方项．定理92【】数域P 上任意一个二次型都可以经过非退化的线性替换变成平方和2221122...n nd x d x d x +++的形式．用配方法化二次型为标准形的关键是构造平方项，其方法是利用完全平方公式、平方差公式逐步消去交叉项，同时构造新的平方项．具体解题思路可分两种情形来处理：(1) 若二次型中含有某变量i x 的平方项和交叉项，则可先将含i x 的交叉项合并在一起，使之与2i x 配方成为完全平方项，然后类似地对剩下的1n -个变量进行配方，直到各项全部化为平方项为止；(2) 若二次型中没有平方项，则可先利用平方差公式将二次型化为含有平方项的二次型，例如，当二次型中出现交叉项i j x x 时，先作可逆线性替换i i j x y y =+，j i j x y y =-，k k x y =（,k i j ≠），使之成为含有2i y ,2j y 的二次型，然后按照情形（1）的方法进行配方．例２用配方法化二次型23(,,)f x x x =22112223224x x x x x x +++为标准形，并写出所用的线性替换矩阵．解：原二次型中含有1x 的平方项，先将含有1x 的项集中，利用平方和公式消去12x x ，然后对23,x x 配平方，消去23x x 项.此过程为23(,,)f x x x =221122(2)x x x x +++222233(44)x x x x ++-234x ()()2221223324x x x x x =+++-于是作非退化线性替换11221233+2y x x y x x y x =+⎧⎪=⎨⎪=⎩，由此得11232233322x y y y x y y x y =-+⎧⎪=-⎨⎪=⎩，即123x x x ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=112012001-⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭123y y y ⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎝⎭，于是二次型化为标准形23(,,)f x x x =2221234y y y +-，所用的线性替换矩阵为C =112012001-⎛⎫⎪- ⎪⎪⎝⎭．例3 将二次型23(,,)f x x x =121323422x x x x x x -++化为标准形，并写出所用的线性替换矩阵．解：由于所给的二次型中无平方项，故需要构造出平方项，令11221233x y y x y y x y=+⎧⎪=-⎨⎪=⎩ 即123x x x ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=110110001⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭123y y y ⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎝⎭代入原二次型得23(,,)f x x x =12121231234()()2()2()y y y y y y y y y y -+-+++-221213444y y y y =-++此时就可以按照情形（1）中的步骤进行，将含有1y 的项集中，消去13y y ，再分别对 23,y y 配平方即可．所以有23(,,)f x x x =221213444y y y y -++2222113332444y y y y y y =-++-+ ()222133224y y y y =--++作非退化线性替换11322332z y y z y z y =-⎧⎪=⎨⎪=⎩，或写成11222331122y z z y z y z ⎧=+⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩，即123y y y ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=11022010001⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭123z z z ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭于是二次型化为标准形23(,,)f x x x =2221234z z z -++，所用的线性替换矩阵为C =110110001⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭11022010001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭=1112211122001⎛⎫⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭从以上配方法的过程可以看出，将一般二次型通过配方法化成标准形，实际上就是通过一系列的非退化线性替换将n 个元逐渐配方的过程，这个过程用矩阵的形式表示出来就是将二次型化为标准形的第三种方法------初等变换法．这种方法的实质就是将二次型矩阵通过一系列的合同变换（即进行矩阵的初等行、列变换），逐步地化成与它合同且在形式上又比较简单的矩阵，最后得到对角矩阵的过程．定理[7]3 在数域P 上，任意一个对称矩阵都合同于一对角矩阵．即对于任意一个对称矩阵A ，都可以找到一个可逆矩阵C 使TC AC 成对角形．根据初等矩阵的有关性质知，用初等矩阵左乘A 相当于对A 作一次初等行变换；用初等矩阵右乘A 相当于对A 作一次初等列变换，任意对称矩阵都可用同样类型的初等行变换和初等列变换化成与之合同的对角阵，对初等矩阵施行一个初等行变换，同时要对矩阵作一次相应的列变换，以保证每对变换作过以后得到的矩阵与原来的矩阵合同．具体的解题步骤为：（1）写出二次型()12,n f x x x 的矩阵A ,A 与E 构成2n n ⨯矩阵A E ⎛⎫⎪⎝⎭（2）对A 进行初等行变换和相同的初等列变换，化成与A 合同的但是形式较为简单的矩阵，直至将A 化成对角矩阵；但是对E 只进行其中的列变换.，用C D 、分别表示A E 、变化后的矩阵．（3）写出正交变换过程中所进行的一系列非退化线性替换X CY =，此线性替换将化原二次型化为标准形()12,n f x x x ='Y DY ．此过程可简单表示为：A E ⎛⎫ ⎪⎝⎭A E −−−−−−−−−→对进行同样的初等行、列变换对只进行其中的列变换D C ⎛⎫⎪⎝⎭．例4 用初等变换法将二次型23(,,)f x x x =22211213223322243x x x x x x x x x +-+++变为标准形．解：首先写出二次型23(,,)f x x x 的矩阵A =111122123-⎛⎫⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭然后构造出63⨯矩阵A E ⎛⎫⎪⎝⎭=111122123100010001-⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭2113-r ,+r r r −−−−→111013032100010001-⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭2113-,+j j j j −−−−→100013032111010001⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭26364656-3,i -9,i +3,-3i i i i i i −−−−−−−→100010037114013001⎛⎫⎪ ⎪ ⎪-⎪- ⎪ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭32-3,i i −−−→ 10001000711*******⎛⎫⎪ ⎪⎪-⎪- ⎪⎪- ⎪ ⎪⎝⎭从以上过程可以看出C =114013001-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪⎝⎭，最后作可逆线性替换X CY =，则23(,,)f x x x = '100010007Y Y⎛⎫ ⎪⎪ ⎪-⎝⎭（四）雅可比(Jacobi)方法此方法利用二次型的矩阵的顺序主子式（也即雅可比行列式）来确定标准形中各平方项的系数 .这种方法较为简便，但是有条件限制，它需要二次型的矩阵所有的顺序主子式必须都不为零．1. 几个相关定义[1]定义 V 是数域P 上一个线性空间，f (,)αβ是V 上一个二元函数，如果f (,)αβ有下列性质：（1）11221122f (,k +)=k f (,)+k f (,)k αββαβαβ；（2）11221122f (k +,)=k f (,)+k f (,)k βββαβαβ；其中1212,,,,,αααβββ是V 中任意向量，12k ,k 是P 中任意数，则称f (,)αβ为V 上的一个双线性函数．[11]定义 f (,)αβ线性空间V 上的一个双线性函数，如果对V 中任意两个向量α,β都有f (,)αβ=f (,)βα，则称f (,)αβ为对称双线性函数．[11]定义设f (,)αβ是数域P 上n 维线性空间V 上的一个双线性函数.12n ,,...,εεε是V 的一组基，则矩阵11)1n n 1)n n)f (,f (,)A=f (,f (,εεεεεεεε⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭称为 f (,)αβ在12n ,,...,εεε下的度量矩阵．2. 解题步骤雅可比方法的计算步骤归纳如下：（1）在矩阵A 的非对角线元素中选取一个非零元素 ija .一般说来，取绝对值最大的非对角线元素;（2）由公式jjii ij a a a tan -=22θ求出θ，从而得平面旋转矩阵IJ P P=1; （3） 111AP P A T=,1A 的元素由公式(9)计算．（4）以1A 代替A ，重复第一、二、三步求出2A 及2P ，继续重复这一过程，直到m A 的非对角线元素全化为充分小(即小于允许误差)时为止．（5） m A 的对角线元素为A 的全部特征值的近似值,m P ...P PP 21=的第j 列为对应于特征值j λ(jλ为m A 的对角线上第j 个元素)的特征向量．例5 用雅可比方法将二次型123(,,)f x x x =2221231213234x x x x x x x ++++化为标准形．解：二次型的矩阵32223A =102201⎛⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭，顺序主子式1=2∆，21=-4∆，31=-44∆都不等于零，所以能采用雅可比方法．设1231000,1,0001εεε⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪=== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭，双线性函数f (,)αβ关于基123,,εεε的矩阵为A , 则A=()()()()()()()()()111213212223313233f ,f ,f ,f ,f ,f ,f ,f ,f ,εεεεεεεεεεεεεεεεεε⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=3222310221⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭再设111121212223131232333c c c c c c ηεηεεηεεε=⎧⎪=+⎨⎪=++⎩系数11c 可由条件()11f ,1ηε=求出，即()111111c f ,2c 1εε==，从而得出1112c =，所以11111121020c ηεε⎛⎫ ⎪ ⎪=== ⎪ ⎪⎪⎝⎭，系数1222,c c 可由方程组()()()()1211221212122222,,0,,1c f c f c f c f εεεεεεεε+=⎧⎪⎨+=⎪⎩求出，并可得到122268c c =⎧⎨=-⎩，所以2121222c c ηεε=+=680⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭，系数132333,,c c c 可由方程组132333132313333220230221c c c c c c c ⎧++=⎪⎪⎪+=⎨⎪+=⎪⎪⎩求出，即1323338171217117c c c ⎧=⎪⎪⎪=-⎨⎪⎪=⎪⎩，所以38171217117η⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪=- ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭.由此可得，由基123,,εεε到123,,ηηη的过渡矩阵为18621712081710017C ⎛⎫ ⎪ ⎪⎪=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭．因此123(,,)f x x x 经线性替换X CZ =能够化成标准形：22222201212312312311z z z 8217z z z ∆∆∆++=-+∆∆∆．（五）偏导数法偏导数法与配方法的实质是相同的，但是它是根据函数与其偏导数之间的关系这一原理，依据配方法提出的化二次型为标准形的新方法，配方法需要仔细观察然后进行配方，而这种方法具有固定的程序，可以按步骤一步一步进行计算．因此，能够提高准确性，且易于理解，求解过程也更加简单．利用偏导数法将二次型()12,...n f x x x ＝11nnij i j i j a x x ==∑∑化为标准形的解题步骤如下：（注意，运用该方法时，要将二次型分为两种情形来进行讨论．）1. 情形1：二次中含有ix 的平方项，即iia()1,2,...i n =中至少有一个不为零的情形．（1）不妨设11a 不等于零，将f 对1x 的偏导数1f x ∂∂求出来，并记1112ff x ∂=∂. （2）根据偏导数法()2121111,...(f )g n f x x x a =+，通过计算得出g ．此时g 中已经不再含有1x ．（3）求出g 对2x 的偏导数2g x ∂∂，并记1212gg x ∂=∂，又可得()12,,...n f x x x =()()2211'112211f g u a a ++，此时u 中不再含有2x ．（4）按照这种程序继续运算，最终可以将二次型化为标准形．2. 情形2：二次型中不含ix 的平方项，即所有ii a ()1,2,...i n =都等于零，但是至少有一1(1)j a j >不等于零的情形．（1）不妨设12a 不等于零，首先求出f 对1x 的偏导数1fx ∂∂，以及f 对2x的偏导数2f x ∂∂，并记1112f f x ∂=∂，2212ff x ∂=∂，（2）将(1)结果代入，此时得到()22121212121,,...[()()]n f x x x f f f f a ϕ=+--+，其中ϕ中不含12,x x 的项．（3）进行观察：如果ϕ中含有i x的平方项，则按照情形1中的方法去进行计算，如果ϕ中仍然不含有ix 的平方项，则按照上述步骤继续计算，直到将二次型化为标准形为止．例6 用偏导数法化二次型23(,,)f x x x =22212312232422x x x x x x x +-+-为标准形．解：原二次型中含有1x 的平方项，符合情形1，首先求出f 对1x的偏导数1fx ∂∂=1222x x +，所以可以得到：1112ff x ∂=∂=12x x +23(,,)f x x x =()21111f g a +=()212x x g++整理可得到：22232342g x x x x =--接下来求出g 对2x 的偏导数2g x ∂∂=()232x x -, 1212gg x ∂=∂=23x x -23(,,)f x x x =()()222113'1122115f g x a a +- ()()222122335x x x x x =++--令11222333y x x y x x y x=+⎧⎪=-⎨⎪=⎩经过变形可以得到112322333x y y y x y y x y =--⎧⎪⇒=+⎨⎪=⎩于是原二次型化为标准形23(,,)f x x x =2221235y y y +-所得的变换矩阵为111011001C --⎛⎫⎪= ⎪⎪⎝⎭，例7 用偏导数法化二次型23(,,)f x x x =121323422x x x x x x -++为标准形．解：由于所给的二次型中不含ix 的平方项，符合情形2，所以分别求出f 对1x 的偏导数1f x ∂∂，以及f 对2x的偏导数2fx ∂∂，其结果如下：1f x ∂∂=2342x x -+，2fx ∂∂=1342x x -+1112f f x ∂=∂=232x x -+，2132122ff x x x ∂==-+∂23(,,)f x x x =()()221212121f f f f a ϕ⎡⎤+--+⎣⎦整理上式可得：ϕ=23x于是得到23(,,)f x x x =()()2223121231222224x x x x x x ⎡⎤-----+⎣⎦=()()222312123x x x x x x ---+-+=222123y y y -++令112321233y x x x y x x y x =--+⎧⎪=-⎨⎪=⎩经过整理可以得到1123212333111222111222x y y y x y y y x y ⎧=-++⎪⎪⎪=--+⎨⎪=⎪⎪⎩可以得到所用的可逆矩阵为111222111222001C ⎛⎫- ⎪ ⎪ ⎪=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭，（六）顺序主子式法对于二次型'12,1(,,...,)nn ij iji j f x x x X AX a x x===∑ （1）其中,,1,2,...,ij ji a a i j n ==，以上介绍了五种化二次型为标准形的方法，本文第六部分介绍顺序主子式法．[1]定理对于二次型（1）矩阵()A =ij n na ⨯假如11121,-121222,-1111211221221-1-1,n-1-1,-1-1,-10,-0,,=n n n n n n n n a a a a a a a a a ααααα∆=≠∆=≠∆≠则二次型可化为标准形12222211111(,,...,)...n n n n f x x x y y y -∆∆=∆+++∆∆例8 化二次型32212132145),,(x x x x x x x x f -+=为标准形解：二次型的矩阵为51025022020A ⎛⎫⎪ ⎪⎪=- ⎪ ⎪- ⎪⎪⎝⎭方法一：4,425,1321-=∆-=∆=∆ 所以1222231232516(,,)425f x x x y y y =-+方法二： 32218125255101022252502024402016025r r r r A --⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-- ⎪ ⎪−−−→-−−−−→- ⎪ ⎪ ⎪⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭所以1,23251,44-∆=∆=∆=-1222222231231232542516(,,)2544254f x x x y y y y y y -=-+=-+-雅可比方法是利用二次型的矩阵的顺序主子式来确定标准形中各项平方和项的系数．它要求二次形的矩阵所有的顺序主子式必须都不为零．3.1二次型在二次曲面研究中的应用二次曲面的一般方程为：2221122331213231232220a x a y a z a xy a xz a yz b x b y b z c +++++++++= 其中,,(,1,2,3)ij i a b c i j =都是实数．我们记x =(x,y,z)T ，123=(,,)b b b b T，111213212223313233A =a a a a a a a a a ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭其中ij jia a =利用二次型的表示方法，方程（1）可表示成下列形式：0TTx Ax b x c ++= (2)为研究一般二次曲面的性态，我们需将二次曲面的一般方程转化为标准方程，为此分两步进行．第一步，利用正交变换X =PY 将方程（2）左边的二次型TX AX 的部分化成标准形：222112131T x Ax x y z λλλ=++其中P 为正交矩阵，3=()12y x ,x ,x T,相应地有()112131T T T b x b Py b P y k x k y k z ===++于是方程(2)可化为2221121311121310x y z k x k y k z c λλλ++++++=第二步, 作平移变换0y y y =+，将方程(3)化为标准方程, 其中(,,)y x y z =这里只要用配方法就能找到所用的平移变换.以下对123,,λλλ是否为零进行讨论:1)当123,,0λλλ≠时，用配方法将方程(3)化为标准方程：222123x y z d λλλ++= (6-1)根据123,,λλλ与d 的正负号，可具体确定方程(6-1）表示什么曲面．例如123,,λλλ与d 同号，则方程（6-1）表示椭球面．（2）当123,,λλλ中有一个为0，设30λ=方程（3）可化为22123(0)x y kz z λλ+=≠ (6-2) 22123(0)x y d k λλ+== (6-3)根据12,λλ与d 的正负号，可具体确定方程(6-2)、(6-３)表示什么曲面．例如当12,λλ同号时，方程(6-2)表示椭圆抛物面．当12,λλ异号时，方程(6-2)表示双曲抛物面，(6-3) 表示柱面．(3) 当123,,λλλ中有两个为０，不妨设230λλ==，方程(3) 可化为下列情况之一：21()0(,0)a x py qz p q λ++=≠ 此时，再作新的坐标变换：2222py qz qy pz x x y z p q p q +-'''===++(实际上是绕x ~轴的旋转变换)，方程可化为：02221='++'y q p x λ表示抛物柱面；)0(0~~)(21≠=+p y p x b λ表示抛物柱面；)0(0~~)(21≠=+q z q x c λ表示抛物柱面；21()0d x d λ+=若1λ与d 异号，表示两个平行平面；若1λ与d 同号，图形无实点，若0d =，表示yoz 坐标面．例二次曲面由以下方程给出，通过坐标变换，将其化为标准型，并说明它是什么曲面．222234444212100x y z xy yz x y z +++++-++= 解：将二次曲面的一般方程写成矩阵形式：010=++x b Ax x T T，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=z y x x ，1224⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=b ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=420232022A )6)(3(18923---=-+-=-λλλλλλλE AA 的特征值为1236,3,0λλλ===，分别求出它们所对应的特征向量，并将它们标准正交化：1132323p ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭，2231323p ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪- ⎪⎝⎭，⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=3132323p 取 P= ( p 1 , p 2 , p 3 ) , 则 P 为正交矩阵. 作正交变换x = P y , 其中(),,,111Tz y x y =则有: 212136y x x A x T +=111868)(z y x y P b b T T +-==因此，原方程可化为：221111163868100x y x y z ++-++= 配方得：221118176()3(1)8()0372x y z ++-++=令111817,1,372x x y y z z =+=-=+ 则原方程化为标准方程：0~8~3~622=++z y x该曲面为椭圆抛物面．四、总结不同方法化简的优劣对于初学者来说，配方法是最基础的方法，它的原理很容易被学生消化吸收，因此，这种方法需要熟练掌握，灵活应用.配方法是推导二次型重要理论的基础，要熟悉它的推导过程.对于简单的二次型也可以灵活使用合同变换法，有时候这种方法更具简便性，节约计算量和计算时间.正交变换法由于具有保持几何形状不变的优点而备受青睐.在用正交变换法化二次型为标准型中,如何求正交矩阵是一个难点,常见的求法只有一种,求解过程大致如下:先用二次型矩阵A的特征方程求出A的n个特征值,然后通过直接求矩阵方程的基础解系,得到对应于征值的线性无关的特征向量,再用施密特正交化过程将它们正交化、单位化,进而得到n个两两正交的单位特征向量,最后由这n个两两正交的单位特征向量构成正交矩阵,即得所要求的正交变换和对应的标准型.这种方法综合性比较强,算比较复杂.雅可比方法是一种新的方法，它的过程与施密特正交化过程类似，思想上也有相似之处.用它解决正定性问题时比较方便.体会并深刻理解各种方法的实质与技巧，才能帮助我们快速并正确解决二次型问题.这需要多做练习，熟能生巧，方可以不变应万变.二次型是高等代数的重要内容之一，二次型的基本问题是要寻找一个线性替换把它变成平方项，即二次型的标准型.二次型的理论来源于解析几何中二次曲线、二次曲面的化简问题，其理论也在网络、分析、热力学等问题中有广泛的应用.将二次型化为标准型往往是困惑学生的一大难点问题，而且它在物理学、工程学、经济学等领域有非常重要的应用，因此探索将实二次型化为标准型的简单方法有重要的理论与应用价值通过典型例题，更能体会在处理二次型问题时的多样性和灵活性，我们应熟练掌握各种方法.致谢我衷心感谢我们论文指导老师，她在论文选题和写作过程中，给予了许许多多认真细致的指导和鼓励 .我也要感谢多年来家人和朋友对我学习工作上的支持，这是我继续在求学路上不断前进的动力之一.大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多.请允许我以此文来纪念大学四年的美好时光，时间的前进是无法挽回的，四年的求学生活让我明白了一切都来之不易，得到成果的前提是你要不断地脚踏实地地付出自己的努力本文主要就二次型化标准型的方法进行了一定的探讨，在前人的基础上综合了六种化二次型为标准型的方法，这对于二次型的研究和教学都有一定意义！参考文献[1]王萼芳，石生明.高等代数（第三版）[M]北京：高等教育出版社，2007.[2]同济大学数学教研室.线性代数（第三版）[M]北京：高等教育出版社，1999.[3]丘维声.高等代数（上册）[M].北京：高等教育出版社，2002.[4]屠伯.线性代数－方法导引[M].上海：上海科技出版社，1986.[5]蓝以中.高等代数简明教程[M].北京：北京大学出版社，2003.[6]王琳.用正交变换化实二次为标准形方法研究.[J]数学通讯，1990（3）.[7]李五明，张永金，张栋春.实二次型化为标准形的几种方法[J]和田师范专科学校学报（汉文综合版）2007，27（5）[8]郭佑镇.实二次型的化简及应用[J]渭南师专学报（自然科学版）2000（2）.[9]胡明琼.把二次型化为标准形的方法[J]工程数学.1998，14（1）.[10]北京大学数学系几何与代数教研室小组编.高等代数(第三版)[M].高等教育出版社.2007:205-234.[11]庄瓦金编.高等代数教程[M].高等教育出版社.2004:427.[12]陈惠汝,刘红超.浅淡二次型标准形的两种方法[J].长春师范学院报,2004,23(2):13-15.[13]孙秀花.二次型的应用[J].宜宾学院报,2010,10(6):28-29[14]鱼浩,戴培良.二次型在不定方程中的应用[J].常熟理工学院报,2009,23(10):38-42[15]杨文杰.实二次型半正定性及应用[J].渤海大学学报,2004,25(2):127-129[16]郑华盛.二次型半正定性在不等式证明中的应用[J].科技通报，2002,18(30):227[17]袁仕芳,陈云长,曾丽容.关于二次型XAX最大值和最小值的教学思考[J].考试周刊,2010,35:74[18]JaneM.Day,DanKalmanTeachingLinearAlgebra:IssuesandResources[J].Th eCollegeMathematicsJournal.2001.目录第一章项目基本情况 ....................................................... 错误！未定义书签。

[全]线性代数之化二次型为标准形的方法总结[下载全]

线性代数之化二次型为标准形的方法总结
线性代数考研中的两道大题是线性方程组，二次型和相似轮流来的。

由于二次型与它的实对称矩阵式一一对应的，所以二次型的很多问题都可以转化为它的实对称矩阵的问题，可见正确写出二次型的矩阵式处理二次型问题的一个基础。

二次型的标准型：
二次型的标准型
化二次型为标准型：
化二次型为标准型
用正交变换化二次型为标准型的解题步骤为：（1）把二次型表示成矩阵形式；
（2）求矩阵A的特征值及对应的特征向量；（3）对重根对应的特征向量作施密特正交化；（4）全体特征向量单位化；
（5）将正交单位特征向量合并成正交矩阵；（6）令x=Qy。

题型一：化二次型为标准型
例1：用正交变换把如下二次型化为标准型：
解题思路：按照上面用正交变换化二次型为标准型的方法来求解。

解：
总结：用正交变换把二次型化为标准型的题型是考研必考的大题，所以同学们一定要熟练掌握。

第5.2节二次型的标准化

则线性变换的矩阵表示为 x=Cy. 若C是可逆矩阵，称之为可逆线性变换；若C是正交矩阵，称之为正交线性变换.
主要问题：如何寻找可逆的线性变换x=Cy,将二次型f =xTAx化为标准形. 从矩阵角度考虑为
f x T Ax x Cy(Cy)T A(Cy) yT (C T AC ) y yT y.
由于二次型的矩阵A都是实对称矩阵，由第4.4节的结果知,存在正交矩阵Q ，使 Q–1AQ= QT AQ =Λ 为对角矩阵. 将此结论应用于二次型，有如下结论
定理1 任意n元实二次型 f =xTAx，都可经正交变换x＝Qy 化为标准形 1 2 2 2 y， f 1 y12 2 y2 n yn yT n
得A的特征值1 解方程组 (0E-A)x=0. 由
1 0 1 1 0 1 0 1 0 0E A 0 2 0 1 0 1 0 0 0 1 得对应的一个线性无关的特征向量 1 0 . 1 当 2 3 2 时，解方程组 (2E-A)x=0. 由
1 0 2 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 c 2c r r c c 3 1 3 2 3 2 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 2 1 1 2 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1
化为标准形,并求相应的可逆线性变换.
1 1 2 A 1 0 1 解二次型f 的矩阵 , 于是 2 1 3

判断二次型是否半正定例题

判断二次型是否半正定例题为了判断一个二次型是否半正定，我们可以使用主元法。

具体来说，我们需要将二次型表示成标准形式：$$f(x_1,x_2,cdots,x_n) = a_1x_1^2 + a_2x_2^2 + cdots +a_nx_n^2$$其中 $a_1,a_2,cdots,a_n$ 是主元，需要满足 $a_i geq 0$。

我们可以使用初等变换将二次型转化为标准形式。

对于给定的二次型 $f(x_1,x_2,cdots,x_n)$，我们可以构造一个 $ntimes n$ 的矩阵 $A$，其中 $A_{i,j}$ 是系数 $x_ix_j$ 的系数。

也就是说，$$A = begin{pmatrix}a_{1,1} & a_{1,2} & cdots & a_{1,n}a_{2,1} & a_{2,2} & cdots & a_{2,n}vdots & vdots & ddots & vdotsa_{n,1} & a_{n,2} & cdots & a_{n,n}end{pmatrix}$$我们可以使用初等变换将矩阵 $A$ 转化为对角矩阵 $D$，也就是说，存在一个可逆矩阵 $P$，使得 $D = P^TAP$。

这样我们就可以得到二次型的标准形式：$$f(x_1,x_2,cdots,x_n) = lambda_1y_1^2 + lambda_2y_2^2 + cdots + lambda_ny_n^2$$其中 $y_i = P_{i,1}x_1 + P_{i,2}x_2 + cdots + P_{i,n}x_n$，$lambda_i$ 是主元，需要满足 $lambda_i geq 0$。

回到我们的例题，我们可以构造矩阵 $A$：$$A = begin{pmatrix}2 & 2 & -22 &3 & -4-2 & -4 & 4end{pmatrix}$$我们需要使用初等变换将矩阵 $A$ 转化为对角矩阵 $D$。

化二次型为标准型的初等变换法

b1
b2
,
bn
下面的n个行构成的方记作 P;
(4) f ( X )经非退化线性替换 X PY 得到的标准形为
f ( X ) X TAX
Y T(PT AP)Y
b y2 b y2
11
22
b y2. nn
例7 用初等变换法将下列二次型 f 化为标准形
f 2x12 9x22 15x32 8x1x2 4x1x3 14x2x3, 并求出所用的线性替换矩阵.
解二次型 f 的矩阵为
2 4 2
A
4
9
7
.
2 7 15
2 4 2 2 0 2 2 0 2
4
9
7
4
1
7
0
1
3
A 2 7 15 2 3 15 2 3 15
I
3
1
0
0
1
2
0
1
2
0
0 1 0 0 1 0 0 1 0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
2 0 2 2 0 0 2 0 0
用初等变换化二次型为标准形的方法
nn
设 f ( X ) f (x1, x2, , xn)
aij xi xj 为n元二次型.
i1 j1
(1) 写出二次型 f ( X )的矩阵A (aij );
(2)
构造 ( 2n)
n 矩阵
H
A In
;
(3) 用相同的初等列变换与初等行变换将 H 上面的n个行构成的方阵化为对角矩阵
1
2
1
1
2
5
1
2
5

化二次型为标准形几种方法的比较及技巧

化二次型为标准形几种方法的比较及技巧化二次型为标准形是线性代数中的一个重要问题，其结果对于矩阵的性质和应用具有重要的意义。

在实际应用中，常会遇到需要将二次型化为标准形的情况。

化二次型为标准形的方法有很多种，而每种方法都有其适用的范围和特点。

本文将对几种常见的方法进行比较及技巧的介绍，希望能够为读者加深对化二次型为标准形的理解和掌握提供帮助。

方法一：配方法配方法是化二次型为标准形的经典方法之一。

其基本思想是将二次型中的平方项进行配方，从而将二次型转化为标准形。

下面以一个简单的例子进行介绍。

假设有二次型Q(x1, x2) = 3x1^2 + 4x1x2 + 5x2^2，我们希望将其化为标准形。

我们可以将二次型写成矩阵的形式：Q(x) = x^TAX，其中A是一个对称矩阵，其元素为二次型的系数。

对于这个例子，A = \begin{bmatrix} 3 & 2 \\ 2 & 5 \end{bmatrix}。

接下来，我们使用配方法，即将4x1x2进行配方处理。

我们可以观察到4x1x2 = 2(2x1x2) = 2(x1x2 + x1x2)，然后我们引入一个新的变量y = x1 + x2，并进行代换：3x1^2 + 4x1x2 + 5x2^2 = 3x1^2 + 2(x1x2 + x1x2) + 5x2^2 = 3x1^2 + 2yx + 2xy + 5x2^2进一步，我们可以将式子改写为：此时，我们可以观察到每一项都可以进行配方处理，从而得到标准形。

通过这个例子，我们可以看到，配方法的关键在于巧妙地利用代换和配方来将二次型化为标准形。

在实际应用中，配方法通常适用于对称矩阵，且二次型的系数较为简单的情况下。

读者在应用配方法时，需要灵活运用代换和配方的技巧，确定合适的替换变量，并进行得当的计算，从而将二次型化为标准形。

方法二：特征值分解接下来，我们对对称矩阵A进行特征值分解：A = PDP^-1，其中P是A的特征向量矩阵，D是A的特征值对角矩阵。

化二次型为标准形的几种方法

化二次型为标准形的几种方法摘要二次型是代数学要研究的重要内容，我们在研究二次型问题时，为了方便，通常将二次型化为标准形.这既是一个重点又是一个难点，本文介绍了一些化二次型为标准形的方法：正交变换法，配方法，初等变换法，雅可比方法，偏导数法．正文详细介绍了几种方法的定义以及具体步骤，并举出合适的例题加以说明．其中，偏导数法与配方法又相似，只是前者具有固定的步骤，而配方法需要观察去配方．关键词：正交变换法配方法初等变换法雅可比方法偏导数法reduce the quadratic forms to thestandard formsAbstract：Quadratic is the important content should study algebra, in our studies of quadratic problem, for convenience, will usually be quadratic into standard form. This is both a key is a difficulty, this paper introduces some HuaEr times for the standard form of orthogonal transform method, method: match method, elementary transformation, jacobian method, partial derivative method. The text introduces several methods defined and concrete step, simultaneously gives appropriate examples to illustrate. Among them, the partial derivative method and match method and similar, but the former has the fixed steps, and match method need to observed to formula.Keywords:orthogonal transform method match method elementary transformation jacobian method partial derivative method一、引言二次型的本质是一个关于n 个变量二次齐次函数，在它的表达式中除了平方项就是交叉项，没有一次项或常数项，其具体定义为：设P 是一个数域，一个系数在数域P 中12,n x x x ⋯的二次齐次多项式2121112121211222222f(,,,,)2...2...2...n n n n n nn n x x x a x a x x a x x a x a x x a x =++++++++= 11n n ij ij j i a x x ==∑∑，称为数域P 上的一个n 元二次型．二次型具有广泛的应用性，在工程技术、经济管理、社会科学以及数学的其他分支中均需要运用到二次型，在实际运用过程中经常需要将二次型化为标准形，很多同学能够根据标准的步骤将二次型化为标准形，但是却不能很好地根据所给的题目运用最适宜的方法进行解决．本文参考已有的研究结果，总结化二次型为标准形的几种方法，分析每种方法的解题原理和过程，归纳其应用特点，帮助《线性代数》的初学者根据题目的特点和要求采取最佳的方法解决问题，达到简明快速的目的．关于二次型化为标准型的问题，许多数学学者作了较深入的研究，获得了许多具有研究价值和参考价值的成果．庄瓦金在文【11】中给出了二次型的定义及其若干性质．陈惠汝、刘红超在文【12】中将二次型和非退化线性替换用矩阵形式表示，对二次型化为标准形问题采取两种转化思路：一是联系矩阵的初等变换，把问题转化为矩阵合同变换问题；二是借助实对称矩阵特征值与特征向量的有关理论，把问题转化为用正交变换化实对称矩阵为对角形的问题．这两种转化思路产生了二次型化为标准形的两种方法，即合同变换法(也称初等变换法)和正交变换法．李五明，张永金，张栋春在【7】中给出了实二次型化为标准形的方法．通过观察各项进行配方，其实质就是运用非退化的线性替换．使用配方法将二次型化为标准形问题时采取两种转化思路：一是含有平方项时，把平方项集中，然后配方，化为标准形；二是不含平方项时构造平方项，进行逆变换，继续第一步进行配方，这种转化思路产生了二次型化为标准形的方法，即配方法．胡明琼在【9】中给出了二次型化为标准形的方法．此方法是利用二次型的矩阵的顺序主子式来确定标准形中各项平方和项的系数．它要求二次形的矩阵所有的顺序主子式必须都不为零．这种转化思路产生了又一种二次型化为标准形的方法，即合雅可比方法．郭佑镇在【8】中给出了实二次型的化简及应用偏导数法与配方法的实质是相同的，但是它是根据函数与其偏导数之间关系这一原理，依据配方法而提出的化二次型为标准行的新方法，解题思路与配方法极为相似．把问题转化为用偏导数法实解决问题．这种转化思路产生了二次型化为标准形的另一种方法，即偏导数法．孙秀花在文【13】讨论了化二次型为标准形的两种常用方法的区别：正交变换法的第一步是将二次型写成矩阵形式，然后将二次型的矩阵通过单位正交化方法进行对角化，最后利用正交矩阵得到正交变换，利用特征值得到标准形．正交变换法需要求出二次型矩阵的全部特征值，即求特征方程的根，由于代数方程没有统一的求根公式，因此在操作上存在一定的困难．而配方法避免了求解矩阵特征值的问题，因而使用起来比较方便．以上学者的研究为本文介绍的化二次型为标准形的六种方法奠定了基础，为以后的研究工作做出了重要贡献.本文梳理了已有的研究成果，并对六种方法做出总结，希望能够对未来的相关研究作出贡献．二、化二次型为标准形的六种方法（一）正交变换法由于实对称矩阵必定与对角矩阵合同，因此任何实二次型必定可以通过一个适当的正交线性替换将此实二次型化为标准形．定理1 任意一个实二次型T AX f X =＝11n nij i j i j a x x ==∑∑（其中ij ji a a =）都可以经过正交线性替换变成平方和2221122...n n y y y λλλ+++，其中平方项的系数12,...,n λλλ就是矩阵A 的全部特征根．由此定理得到的化二次型为标准形的方法称为正交变换法，此法的解题步骤为：1. 将实二次型表示成矩阵形式T AX f X =，并写出矩阵A ；2. 求出矩阵A 的所有特征值12,...,i λλλ，它们的重数分别记为21,...,i k k k （21...i k k k +++=n ）○3求出每个特征值所对应的特征向量，因为21...i k k k +++=n ，所以共有n 个特征向量21...,,i ξξξ．具体方法是：列出方程1()0E A X λ→-=，解出与1λ对应的1k 个线性无关的特征向量；同理求出其他的特征值23,...,i λλλ所对应的特征向量． ○4将n 个特征向量21...,,i ξξξ，先后施行正交化和单位化，得到单位正交向量组21,,,n ηηη，并记C =21)(,,T n ηηη；○5作正交变换X CY =，则二次型f 化为标准形f =2221122...n ny y y λλλ+++．例1 用正交变换方法化二次型222212341234121314232434,,,)264462(x x x x x x x x x x x x x x x x x x x f x =+++-+--+-为标准形．解：（1）二次型的矩阵为A =1132112332112311⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭-------- 由A 的特征多项式E A λ-=1132112332112311λλλλ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭--------=(3)(7)(1)(1)λλλλ+--+ 得A 的特征值为1λ=-3，2λ=7，3λ=-1，4λ=1．（2）将1λ=-3代入1()0E A X λ-=中，得到方程组12341234123412324320423032402340x x x x x x x x x x x x x x x x -+-+=⎧⎪-+-=⎪⎨-+-+=⎪⎪-+-=⎩ 解此方程组可得出基础解系1α=(1,1,1,1)T --，同样地，分别把2λ=7，3λ=-1，4λ=1 代入()0E A X λ-=中，求解方程组得与2λ=7，3λ=-1，4λ=1对应的基础解系依次为2α=(1,1,1,1)T --，3α=(1,1,1,1)T --，4α=222211223344d x d x d x d x +++．（3）将1234,,,αααα正交化：1α=1β=(1,1,1,1)T -- 2β=2α-21111(,)(,)αββββ=(1,1,1,1)T -- 3β=3α-3132121122(,)(,)(,)(,)αβαβββββββ-=(-1,-1,1,1)T 4β=4α-434142123112233(,)(,)(,)(,)(,)(,)αβαβαββββββββββ--=(1,1,1,1)T 将正交向量组1234,,,ββββ，单位化得单位正交向量组：11=(1,1,1,1)2T η--，21(1,1,1,1)2T η=--，31(1,1,1,1)2T η=--，41(1,1,1,1)2T η=（4）令C =121111111111111111⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭------，于是正交线性替换1234x x x x ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=121111111111111111⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭------1234y y y y ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭将二次型化为标准形f =2222123173y y y y +-+-．（二）配方法使用配方法化二次型为标准形时，最重要的是要消去像()i j x x i j ≠这样的交叉项，其方法是利用两数的平方和公式及平方差公式逐个消去非平方项，并构造新的平方项．定理92【】数域P 上任意一个二次型都可以经过非退化的线性替换变成平方和2221122...n nd x d x d x +++的形式．用配方法化二次型为标准形的关键是构造平方项，其方法是利用完全平方公式、平方差公式逐步消去交叉项，同时构造新的平方项．具体解题思路可分两种情形来处理：(1) 若二次型中含有某变量i x 的平方项和交叉项，则可先将含i x 的交叉项合并在一起，使之与2i x 配方成为完全平方项，然后类似地对剩下的1n -个变量进行配方，直到各项全部化为平方项为止；(2) 若二次型中没有平方项，则可先利用平方差公式将二次型化为含有平方项的二次型，例如，当二次型中出现交叉项i j x x 时，先作可逆线性替换i i j x y y =+，j i j x y y =-，k k x y =（,k i j ≠），使之成为含有2i y ,2j y 的二次型，然后按照情形（1）的方法进行配方．例２用配方法化二次型23(,,)f x x x =22112223224x x x x x x +++为标准形，并写出所用的线性替换矩阵．解：原二次型中含有1x 的平方项，先将含有1x 的项集中，利用平方和公式消去12x x ，然后对23,x x 配平方，消去23x x 项.此过程为23(,,)f x x x =221122(2)x x x x +++222233(44)x x x x ++-234x ()()2221223324x x x x x =+++- 于是作非退化线性替换11221233+2y x x y x x y x =+⎧⎪=⎨⎪=⎩，由此得11232233322x y y y x y y x y =-+⎧⎪=-⎨⎪=⎩，即123x x x ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=112012001-⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭123y y y ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭，于是二次型化为标准形23(,,)f x x x =2221234y y y +-，所用的线性替换矩阵为C =112012001-⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭．例3 将二次型23(,,)f x x x =121323422x x x x x x -++化为标准形，并写出所用的线性替换矩阵．解：由于所给的二次型中无平方项，故需要构造出平方项，令11221233x y y x y y x y =+⎧⎪=-⎨⎪=⎩即123x x x ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=110110001⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭123y y y ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭代入原二次型得23(,,)f x x x =12121231234()()2()2()y y y y y y y y y y -+-+++-221213444y y y y =-++此时就可以按照情形（1）中的步骤进行，将含有1y 的项集中，消去13y y ，再分别对 23,y y 配平方即可．所以有23(,,)f x x x =221213444y y y y -++2222113332444y y y y y y =-++-+()222133224y y y y =--++ 作非退化线性替换11322332z y y z y z y =-⎧⎪=⎨⎪=⎩，或写成11222331122y z z y z y z ⎧=+⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩，即123y y y ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=11022010001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭123z z z ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭于是二次型化为标准形23(,,)f x x x =2221234z z z -++，所用的线性替换矩阵为C =110110001⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭11022010001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=1112211122001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ 从以上配方法的过程可以看出，将一般二次型通过配方法化成标准形，实际上就是通过一系列的非退化线性替换将n 个元逐渐配方的过程，这个过程用矩阵的形式表示出来就是将二次型化为标准形的第三种方法------初等变换法．这种方法的实质就是将二次型矩阵通过一系列的合同变换（即进行矩阵的初等行、列变换），逐步地化成与它合同且在形式上又比较简单的矩阵，最后得到对角矩阵的过程．定理[7]3 在数域P 上，任意一个对称矩阵都合同于一对角矩阵．即对于任意一个对称矩阵A ，都可以找到一个可逆矩阵C 使T C AC 成对角形．根据初等矩阵的有关性质知，用初等矩阵左乘A 相当于对A 作一次初等行变换；用初等矩阵右乘A 相当于对A 作一次初等列变换，任意对称矩阵都可用同样类型的初等行变换和初等列变换化成与之合同的对角阵，对初等矩阵施行一个初等行变换，同时要对矩阵作一次相应的列变换，以保证每对变换作过以后得到的矩阵与原来的矩阵合同．具体的解题步骤为：（1）写出二次型()12,n f x x x 的矩阵A ,A 与E 构成2n n ⨯矩阵A E ⎛⎫ ⎪⎝⎭（2）对A 进行初等行变换和相同的初等列变换，化成与A 合同的但是形式较为简单的矩阵，直至将A 化成对角矩阵；但是对E 只进行其中的列变换.，用C D 、分别表示A E 、变化后的矩阵．（3）写出正交变换过程中所进行的一系列非退化线性替换X CY =，此线性替换将化原二次型化为标准形()12,n f x x x ='Y DY ．此过程可简单表示为：A E ⎛⎫ ⎪⎝⎭A E −−−−−−−−−→对进行同样的初等行、列变换对只进行其中的列变换D C ⎛⎫ ⎪⎝⎭．例4 用初等变换法将二次型23(,,)f x x x =22211213223322243x x x x x x x x x +-+++变为标准形．解：首先写出二次型23(,,)f x x x 的矩阵A =111122123-⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭然后构造出63⨯矩阵A E ⎛⎫ ⎪⎝⎭=111122123100010001-⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭2113-r ,+r r r −−−−→111013032100010001-⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭2113-,+j j j j −−−−→100013032111010001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭26364656-3,i -9,i +3,-3i i i i i i −−−−−−−→100010037114013001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪- ⎪ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭32-3,i i −−−→ 100010007114013001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪- ⎪ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭从以上过程可以看出C =114013001-⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭，最后作可逆线性替换X CY =，则23(,,)f x x x = '100010007Y Y ⎛⎫⎪ ⎪⎪-⎝⎭（四）雅可比(Jacobi)方法此方法利用二次型的矩阵的顺序主子式（也即雅可比行列式）来确定标准形中各平方项的系数 .这种方法较为简便，但是有条件限制，它需要二次型的矩阵所有的顺序主子式必须都不为零．1. 几个相关定义[1]定义 V 是数域P 上一个线性空间，f (,)αβ是V 上一个二元函数，如果f (,)αβ有下列性质：（1）11221122f (,k +)=k f (,)+k f (,)k αββαβαβ；（2）11221122f (k +,)=k f (,)+k f (,)k βββαβαβ；其中1212,,,,,αααβββ是V 中任意向量，12k ,k 是P 中任意数，则称f (,)αβ为V 上的一个双线性函数．[11]定义 f (,)αβ线性空间V 上的一个双线性函数，如果对V 中任意两个向量α,β都有f (,)αβ=f (,)βα，则称f (,)αβ为对称双线性函数．[11]定义设f (,)αβ是数域P 上n 维线性空间V 上的一个双线性函数.12n ,,...,εεε是V 的一组基，则矩阵11)1n n 1)n n)f (,f (,)A=f (,f (,εεεεεεεε⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭称为 f (,)αβ在12n,,...,εεε下的度量矩阵．2. 解题步骤雅可比方法的计算步骤归纳如下：（1）在矩阵A 的非对角线元素中选取一个非零元素 ija .一般说来，取绝对值最大的非对角线元素;（2）由公式jj ii ija a a tan -=22θ求出θ，从而得平面旋转矩阵IJ P P =1; （3） 111AP P A T=,1A 的元素由公式(9)计算．（4）以1A 代替A ，重复第一、二、三步求出2A 及2P ，继续重复这一过程，直到m A 的非对角线元素全化为充分小(即小于允许误差)时为止．（5） m A 的对角线元素为A 的全部特征值的近似值,m P ...P PP 21=的第j 列为对应于特征值j λ(jλ为m A 的对角线上第j 个元素)的特征向量．例5 用雅可比方法将二次型123(,,)f x x x =2221231213234x x x x x x x ++++化为标准形．解：二次型的矩阵32223A =102201⎛⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭，顺序主子式1=2∆，21=-4∆，31=-44∆都不等于零，所以能采用雅可比方法．设1231000,1,0001εεε⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪=== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭，双线性函数f (,)αβ关于基123,,εεε的矩阵为A , 则A=()()()()()()()()()111213212223313233f ,f ,f ,f ,f ,f ,f ,f ,f ,εεεεεεεεεεεεεεεεεε⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎝⎭=3222310221⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭再设111121212223131232333c c c c c c ηεηεεηεεε=⎧⎪=+⎨⎪=++⎩系数11c 可由条件()11f ,1ηε=求出，即()111111c f ,2c 1εε==，从而得出1112c =，所以11111121020c ηεε⎛⎫ ⎪ ⎪=== ⎪ ⎪⎪⎝⎭，系数1222,c c 可由方程组()()()()1211221212122222,,0,,1c f c f c f c f εεεεεεεε+=⎧⎪⎨+=⎪⎩求出，并可得到122268c c =⎧⎨=-⎩，所以2121222c c ηεε=+=680⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭，系数132333,,c c c 可由方程组132333132313333220230221c c c c c c c ⎧++=⎪⎪⎪+=⎨⎪+=⎪⎪⎩求出，即1323338171217117c c c ⎧=⎪⎪⎪=-⎨⎪⎪=⎪⎩，所以38171217117η⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪=- ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭.由此可得，由基123,,εεε到123,,ηηη的过渡矩阵为18621712081710017C ⎛⎫ ⎪⎪ ⎪=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭．因此123(,,)f x x x 经线性替换X CZ =能够化成标准形：22222201212312312311z z z 8217z z z ∆∆∆++=-+∆∆∆．（五）偏导数法偏导数法与配方法的实质是相同的，但是它是根据函数与其偏导数之间的关系这一原理，依据配方法提出的化二次型为标准形的新方法，配方法需要仔细观察然后进行配方，而这种方法具有固定的程序，可以按步骤一步一步进行计算．因此，能够提高准确性，且易于理解，求解过程也更加简单．利用偏导数法将二次型()12,...n f x x x ＝11nnij i j i j a x x ==∑∑化为标准形的解题步骤如下：（注意，运用该方法时，要将二次型分为两种情形来进行讨论．）1. 情形1：二次中含有i x 的平方项，即ii a ()1,2,...i n =中至少有一个不为零的情形．（1）不妨设11a 不等于零，将f 对1x 的偏导数1f x ∂∂求出来，并记1112ff x ∂=∂. （2）根据偏导数法()2121111,...(f )g n f x x x a =+，通过计算得出g ．此时g 中已经不再含有1x ．（3）求出g 对2x 的偏导数2g x ∂∂，并记1212gg x ∂=∂，又可得()12,,...n f x x x =()()2211'112211f g ua a ++，此时u 中不再含有2x ．（4）按照这种程序继续运算，最终可以将二次型化为标准形．2. 情形2：二次型中不含i x 的平方项，即所有iia ()1,2,...i n =都等于零，但是至少有一1(1)j a j >不等于零的情形．（1）不妨设12a 不等于零，首先求出f 对1x 的偏导数1fx ∂∂，以及f 对2x 的偏导数2f x ∂∂，并记1112f f x ∂=∂，2212ff x ∂=∂，（2）将(1)结果代入，此时得到()22121212121,,...[()()]n f x x x f f f f a ϕ=+--+，其中ϕ中不含12,x x 的项．（3）进行观察：如果ϕ中含有i x 的平方项，则按照情形1中的方法去进行计算，如果ϕ中仍然不含有i x 的平方项，则按照上述步骤继续计算，直到将二次型化为标准形为止．例6 用偏导数法化二次型23(,,)f x x x =22212312232422x x x x x x x +-+-为标准形．解：原二次型中含有1x 的平方项，符合情形1，首先求出f 对1x 的偏导数1fx ∂∂=1222x x +，所以可以得到：1112ff x ∂=∂=12x x +23(,,)f x x x =()21111f g a +=()212x x g ++ 整理可得到：22232342g x x x x =--接下来求出g 对2x 的偏导数2g x ∂∂=()232x x -, 1212gg x ∂=∂=23x x -23(,,)f x x x =()()222113'1122115f g x a a +- ()()222122335x x x x x =++--令11222333y x x y x x y x=+⎧⎪=-⎨⎪=⎩经过变形可以得到112322333x y y y x y y x y =--⎧⎪⇒=+⎨⎪=⎩于是原二次型化为标准形23(,,)f x x x =2221235y y y +-所得的变换矩阵为111011001C --⎛⎫⎪= ⎪⎪⎝⎭，例7 用偏导数法化二次型23(,,)f x x x =121323422x x x x x x -++为标准形．解：由于所给的二次型中不含i x 的平方项，符合情形2，所以分别求出f 对1x 的偏导数1f x ∂∂，以及f 对2x 的偏导数2fx ∂∂，其结果如下：1f x ∂∂=2342x x -+，2fx ∂∂=1342x x -+1112f f x ∂=∂=232x x -+，2132122ff x x x ∂==-+∂23(,,)f x x x =()()221212121f f f f a ϕ⎡⎤+--+⎣⎦整理上式可得：ϕ=23x于是得到23(,,)f x x x =()()2223121231222224x x x x x x ⎡⎤-----+⎣⎦=()()222312123x x x x x x ---+-+=222123y y y -++令112321233y x x x y x x y x =--+⎧⎪=-⎨⎪=⎩经过整理可以得到1123212333111222111222x y y y x y y y x y ⎧=-++⎪⎪⎪=--+⎨⎪=⎪⎪⎩可以得到所用的可逆矩阵为111222111222001C ⎛⎫- ⎪ ⎪ ⎪=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭，（六）顺序主子式法对于二次型'12,1(,,...,)nn ij iji j f x x x X AX a x x===∑ （1）其中,,1,2,...,ij ji a a i j n ==，以上介绍了五种化二次型为标准形的方法，本文第六部分介绍顺序主子式法．[1]定理对于二次型（1）矩阵()A=ij n na⨯假如11121,-121222,-1111211221221-1-1,n-1-1,-1-1,-10,-0,,=n n n n n n n n a a a a a a a a a ααααα∆=≠∆=≠∆≠则二次型可化为标准形12222211111(,,...,)...n n n n f x x x y y y -∆∆=∆+++∆∆例8 化二次型32212132145),,(x x x x x x x x f -+=为标准形解：二次型的矩阵为51025022020A ⎛⎫⎪ ⎪⎪=- ⎪ ⎪- ⎪⎪⎝⎭方法一：4,425,1321-=∆-=∆=∆ 所以1222231232516(,,)425f x x x y y y =-+方法二： 32218125255101022252502024402016025r r r r A --⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-- ⎪ ⎪−−−→-−−−−→- ⎪ ⎪ ⎪⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭所以1,23251,44-∆=∆=∆=-1222222231231232542516(,,)2544254f x x x y y y y y y -=-+=-+-雅可比方法是利用二次型的矩阵的顺序主子式来确定标准形中各项平方和项的系数．它要求二次形的矩阵所有的顺序主子式必须都不为零．3.1二次型在二次曲面研究中的应用二次曲面的一般方程为：2221122331213231232220a x a y a z a xy a xz a yzb x b y b zc +++++++++=其中,,(,1,2,3)ij i a b c i j =都是实数．我们记x =(x,y,z)T ，123=(,,)b b b b T ，111213212223313233A =a a a a a a a a a ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭其中ij jia a =利用二次型的表示方法，方程（1）可表示成下列形式：0TTx Ax b x c ++= (2)为研究一般二次曲面的性态，我们需将二次曲面的一般方程转化为标准方程，为此分两步进行．第一步，利用正交变换X =PY 将方程（2）左边的二次型TX AX 的部分化成标准形：222112131T x Ax x y z λλλ=++其中P 为正交矩阵，3=()12y x ,x ,x T,相应地有()112131T T T b x b Py b P y k x k y k z ===++于是方程(2)可化为2221121311121310x y z k x k y k z c λλλ++++++= 第二步, 作平移变换y y y =+，将方程(3)化为标准方程, 其中(,,)y x y z =这里只要用配方法就能找到所用的平移变换.以下对123,,λλλ是否为零进行讨论:1)当123,,0λλλ≠时，用配方法将方程(3)化为标准方程：222123x y z d λλλ++= (6-1) 根据123,,λλλ与d 的正负号，可具体确定方程(6-1）表示什么曲面．例如123,,λλλ与d 同号，则方程（6-1）表示椭球面．（2）当123,,λλλ中有一个为0，设30λ=方程（3）可化为22123(0)x y kz z λλ+=≠ (6-2)22123(0)x y d k λλ+== (6-3)根据12,λλ与d 的正负号，可具体确定方程(6-2)、(6-３)表示什么曲面．例如当12,λλ同号时，方程(6-2)表示椭圆抛物面．当12,λλ异号时，方程(6-2)表示双曲抛物面，(6-3) 表示柱面．(3) 当123,,λλλ中有两个为０，不妨设230λλ==，方程(3) 可化为下列情况之一：21()0(,0)a x py qz p q λ++=≠此时，再作新的坐标变换：2222py qz qy pz x x y z p q p q +-'''===++(实际上是绕x ~轴的旋转变换)，方程可化为：02221='++'y q p x λ表示抛物柱面；)0(0~~)(21≠=+p y p x b λ表示抛物柱面；)0(0~~)(21≠=+q z q x c λ表示抛物柱面；21()0d x d λ+=若1λ与d 异号，表示两个平行平面；若1λ与d 同号，图形无实点，若0d =，表示yoz 坐标面．例二次曲面由以下方程给出，通过坐标变换，将其化为标准型，并说明它是什么曲面．222234444212100x y z xy yz x y z +++++-++= 解：将二次曲面的一般方程写成矩阵形式：010=++x b Ax x T T，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=z y x x ，1224⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=b ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=420232022A )6)(3(18923---=-+-=-λλλλλλλE AA 的特征值为1236,3,0λλλ===，分别求出它们所对应的特征向量，并将它们标准正交化：1132323p ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭，2231323p ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪- ⎪⎝⎭，⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=3132323p取 P= ( p 1 , p 2 , p 3 ) , 则 P 为正交矩阵. 作正交变换x = P y , 其中(),,,111Tz y x y =则有: 212136y x x A x T +=111868)(z y x y P b b T T +-==因此，原方程可化为：221111163868100x y x y z ++-++= 配方得：221118176()3(1)8()0372x y z ++-++=令111817,1,372x x y y z z =+=-=+ 则原方程化为标准方程：0~8~3~622=++z y x该曲面为椭圆抛物面．四、总结不同方法化简的优劣对于初学者来说，配方法是最基础的方法，它的原理很容易被学生消化吸收，因此，这种方法需要熟练掌握，灵活应用.配方法是推导二次型重要理论的基础，要熟悉它的推导过程.对于简单的二次型也可以灵活使用合同变换法，有时候这种方法更具简便性，节约计算量和计算时间.正交变换法由于具有保持几何形状不变的优点而备受青睐.在用正交变换法化二次型为标准型中,如何求正交矩阵是一个难点,常见的求法只有一种,求解过程大致如下:先用二次型矩阵A的特征方程求出A的n个特征值,然后通过直接求矩阵方程的基础解系,得到对应于征值的线性无关的特征向量,再用施密特正交化过程将它们正交化、单位化,进而得到n个两两正交的单位特征向量,最后由这n个两两正交的单位特征向量构成正交矩阵,即得所要求的正交变换和对应的标准型.这种方法综合性比较强,算比较复杂.雅可比方法是一种新的方法，它的过程与施密特正交化过程类似，思想上也有相似之处.用它解决正定性问题时比较方便.体会并深刻理解各种方法的实质与技巧，才能帮助我们快速并正确解决二次型问题.这需要多做练习，熟能生巧，方可以不变应万变.二次型是高等代数的重要内容之一，二次型的基本问题是要寻找一个线性替换把它变成平方项，即二次型的标准型.二次型的理论来源于解析几何中二次曲线、二次曲面的化简问题，其理论也在网络、分析、热力学等问题中有广泛的应用.将二次型化为标准型往往是困惑学生的一大难点问题，而且它在物理学、工程学、经济学等领域有非常重要的应用，因此探索将实二次型化为标准型的简单方法有重要的理论与应用价值通过典型例题，更能体会在处理二次型问题时的多样性和灵活性，我们应熟练掌握各种方法.致谢我衷心感谢我们论文指导老师，她在论文选题和写作过程中，给予了许许多多认真细致的指导和鼓励 .我也要感谢多年来家人和朋友对我学习工作上的支持，这是我继续在求学路上不断前进的动力之一.大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多.请允许我以此文来纪念大学四年的美好时光，时间的前进是无法挽回的，四年的求学生活让我明白了一切都来之不易，得到成果的前提是你要不断地脚踏实地地付出自己的努力本文主要就二次型化标准型的方法进行了一定的探讨，在前人的基础上综合了六种化二次型为标准型的方法，这对于二次型的研究和教学都有一定意义！参考文献[1]王萼芳，石生明.高等代数（第三版）[M]北京：高等教育出版社，2007.[2]同济大学数学教研室.线性代数（第三版）[M]北京：高等教育出版社，1999.[3]丘维声.高等代数（上册）[M].北京：高等教育出版社，2002.[4]屠伯.线性代数－方法导引[M].上海：上海科技出版社，1986.[5]蓝以中.高等代数简明教程[M].北京：北京大学出版社，2003.[6]王琳.用正交变换化实二次为标准形方法研究.[J]数学通讯，1990（3）.[7]李五明，张永金，张栋春.实二次型化为标准形的几种方法[J]和田师范专科学校学报（汉文综合版）2007，27（5）[8]郭佑镇.实二次型的化简及应用[J]渭南师专学报（自然科学版）2000（2）.[9]胡明琼.把二次型化为标准形的方法[J]工程数学.1998，14（1）.[10]北京大学数学系几何与代数教研室小组编.高等代数(第三版)[M].高等教育出版社.2007:205-234.[11]庄瓦金编.高等代数教程[M].高等教育出版社.2004:427.[12]陈惠汝,刘红超.浅淡二次型标准形的两种方法[J].长春师范学院报,2004,23(2):13-15.[13]孙秀花.二次型的应用[J].宜宾学院报,2010,10(6):28-29[14]鱼浩,戴培良.二次型在不定方程中的应用[J].常熟理工学院报,2009,23(10):38-42[15]杨文杰.实二次型半正定性及应用[J].渤海大学学报,2004,25(2):127-129[16]郑华盛.二次型半正定性在不等式证明中的应用[J].科技通报，2002,18(30):227[17]袁仕芳,陈云长,曾丽容.关于二次型XAX最大值和最小值的教学思考[J].考试周刊,2010,35:74[18]JaneM.Day,DanKalmanTeachingLinearAlgebra:IssuesandResources[J].Th eCollegeMathematicsJournal.2001.。

《线性代数》(第二版)智能教学系统习题解答第五章A组题

第五章二次型习题五〔A 〕1、写出以下二次型的矩阵〔1〕),,(321x x x f =32312221242x x x x x x -+-；〔2〕),,,(4321x x x x f =434131212222x x x x x x x x +++。

解：〔1〕因为),,(321x x x f =),,(321x x x ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---012110202⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛321x x x ,所以二次型),,(321x x x f 的矩阵为：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---012110202。

〔2〕因为),,,(4321x x x x f =),,,(4321x x x x ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛0101100100011110⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛4321x x x x ，所以二次型),,,(4321x x x x f 的矩阵为：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛0101100100011110。

2、写出以下对称矩阵所对应的二次型：〔1〕⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----2221202121211；〔2〕⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---121210210211212112101210。

解：〔1〕设T 321),,(x x x X =，那么),,(321x x x f =X T AX =),,(321x x x ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----2221202121211⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛321x x x =323121232142x x x x x x x x -+-+。

〔2〕设T 4321),,,(x x x x X =，那么),,,(4321x x x x f =X T AX =),,,(4321x x x x ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---121210210211212112101210⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛4321x x x x =434232312124222x x x x x x x x x x x x +++-++-。

线性代数第六章

1 2 1
1 2 1
对
A
2
2
0
进行行变换可以得到
0
2
5
，所以二次型的秩为
3．
1 0 6
0 0 17
6.1.1 二次型的基本概念
例题
5
1 2
0
例2
设
A
1 2 0
3
4
，写出矩阵
A
所对应的二次型．
4
2
解： f (x1 ，x2 ，x3 ) 5x12 3x22 2x32 x1x2 8x2 x3 ．
6.1.2 可逆变换
定义
设由变量 y1 ，y2 ，L ，yn 到 x1 ，x2 ，L ，xn 的线性变换为
x1 c 1 y1
1 c
y1 2 L2
c
n
yn
，
1
x2
c
2 y1
1 c y2 2 L2 L
c
n
yn
，
2
xn cn1 y 1 cn y2 2 L cnn yn ，
（6-3）
c11 c12 L
解：由于
f
中没有平方项，但有
x1
x2
项，由此令
x1 x2
y1 y1
y2 y2
，，即
x3
y3 ，
x1 1 1 0 y1
x2
1
1
0
y2
，
x3 0 0 1 y3
得
f ( y1 y2 )( y1 y2 ) ( y1 y2 ) y3 y12 y22 y1 y3 y2 y3
n
nn
f aij xi xj
aij xi x j
i ，j 1

化二次型为标准形的方法

化二次型为标准形的方法内容摘要:高等代数作为我们数学专业的一门重要的基础课。

它以线性空间为背景，以线性变换为方法，以矩阵为工具，着重研究线性代数的问题。

二次型式多元二次函数，其内容本属于函数的讨论范围，然而二次型用矩阵表示之后，用矩阵方法讨论函数问题，使得二次型的问题变得更加简洁明确，二次函数的内容也更加丰富多彩。

而我们要讨论的是如何化二次型为标准形，也就是用矩阵方法把对称矩阵合同与对角矩阵。

二次型是高等代数的重要内容之一，二次型的基本问题是要寻找一个线性替换把它变成平方项，即二次型的标准形。

下面介绍了一些化二次型为标准形的方法：配方法，交变换法，初等变换法，雅可比方法，偏导数法关键词：二次型线性替换矩阵标准形导言：二次型的理论来源于解析几何中二次曲线、二次曲面的化简问题。

二次型是学中的一个极其重要的问题，这个问题不仅在数学上，而且在物理学，工程学，经济学领域都有广泛的应用。

在研究时为了研究的方便，我们经常要化二次型为标准形。

我们知道，任一二次型和某一对称矩阵是相互唯一确定的，而任一实对称矩阵都可以化为一对角矩阵，相应的以实二次型都可以化为标准形，以下就是化二次型为标准形的几种方法，通过典型例题，体会二次型问题时的多样性和灵活性。

化二次型为标准形的方法一．配方法配方法是解决这类问题时另一个常用方法，通过观察对各项进行配方，其实质就是运用非退化的线性替换。

使用配方法化二次型为标准形时，最重要的是要消去像()i j x x i j ≠这样的交叉项，其方法是利用两数的平方和公式和两数的平方差公式逐步的消去非平方项并构造新的平方项。

定理:数域P 上任意一个二次型都可以经过非退化的线性替换变成平方和2221122...n n d x d x d x +++的形。

1.如果二次型含有i x 的平方项，那么先把含有i x 的乘积项集中，然后再配方，再对其余的项同样进行，直到都配成平方项为止，写出前面过程所经过的所有非退化的线性替换，就将二次型化为标准形了。

求二次型标准形方法及正定二次型

例3. 化二次型 f 3x 2 x1 x2 2 x1 x3 4 x2 x3
2 1
成标准形, 并求所用的变换矩阵.
3 1 1 解二次型的矩阵为 1 0 2 1 2 0 3 0 3 1 1 1 0 0 c 1 c 2 3 1 ( AE ) 1 0 2 0 1 0 r 1 r 0 1 3 2 3 1 5 1 2 0 0 0 1 1 3
其标准形为
f z z z
2 1 2 2
2 3
13 坐标变换矩阵为 C 0 0
0 0 1 1 0 3 2 5 1 1 0 0 0 c c 2 3 0 r r 0 1 0 2 3 0 0 1 1
a11 a12 a 21 a22 x1 , x2 , , xn a n1 a n 2
a11 a12 a 21 a 22 A a n1 a n 2
a1n x1 a 2 n x 2 x a nn n
二次型及其标准形的概念
定义1 含有n个变量 x1 , x2 ,, xn的二次齐次函数
f ( x1 , x2 , , xn ) a11 x12 2a12 x1 x2 2a13 x1 x3
2 a22 x2 2a23 x2 x3
2a1n x1 xn 2a 2 n x 2 x n
矩阵P称为把 A变为B的合同变换矩阵
合同矩阵有一下性质：（1）自反性（2）对称性(3) 传递性定理设 P 是一个可逆矩阵,若 A 为对称矩阵, 则 B P T AP 也为对称矩阵,且 R( A) R( B)
四、配方法求二次型的标准形

化二次型为标准型的方法

在二次曲面的研究中也有类似的情况。

（1）的左端是一个二次齐次多项式。

从代数的观点看，所谓化标准方程就是用变量的线性替换（2）化简一个二次齐次多项式，使它只含平方项。

二次齐次多项式不但在几何中出现，而且数学的其他分支以及物理、力学中也常会碰到。

现在就来介绍它的一些最基本的性质。

如果ij c 0≠，那么线性替换（4）就称为非退化的。

在讨论二次型时，矩阵是一个有力的工具，因此把二次型与线性替换用矩阵来表示。

矩阵初等变换化二次型

设有二次型 ( x1 , x2 , xn ) f
i , j 1
aij xi x j X T AX ,
n
X 定若存在可逆变换 PY , 使义 f ( x1 , x2 , xn ) X T AX Y T BY
则称二次型 T AX与二次型 T BY等价 X Y
aij xi x j
2．用矩阵表示
2 f a11 x1 a12 x1 x 2 a1n x1 x n 2 a 21 x 2 x1 a 22 x 2 a 2 n x 2 x n

2 a n1 x n x1 a n 2 x n x 2 a nn x n
2 a22 x2 2a23 x2 x3 2a2 n x2 xn

2 an1,n1 xn1 2an1,n xn1 xn 2 ann xn
称为二次型. 当aij是复数时, f称为复二次型 ;
当aij是实数时, f称为实二次型 .
只含有平方项的二次型 2 2 2 f k1 y1 k2 y2 kn yn 称为二次型的标准形．例如
2 则二次型为 f ( x1 , x2 , x3 ) x2 2 x1 x3
三、矩阵的合同
定义
设有两个阶矩阵和B, 若存在可逆 n A 矩阵P，使B P T AP，则称与A合同 B
矩阵P称为把变为B的合同变换矩阵 A
合同矩阵有一下性质：（1）自反性（2）对称性(3) 传递性定理设 P 是一个可逆矩阵,若 A 为对称矩阵, 则 B P T AP 也为对称矩阵,且 R( A) R( B)
思考题解答
x1 y1 y 2 , 解由于所给二次型不含平方项, 故令 x 2 y 1 y 2 , x y , 3 3 2 2 2 有 f ( y 1 y 3 ) y 2 y 3 ,

用初等变换法判断实二次型的类型

学术论坛180科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N正定二次型与正定矩阵的判定与证明是二次型的一个重点。

对于具体的实二次型,一般采用全部顺序主子式大于零的充分必要条件来判定;而对于抽象的实二次型,往往采用定义及特征值法等判定其正定性。

但以上方法计算量大,且不容易计算。

本文介绍一种新的方法——初等变换法来判断实二次型的类型。

该方法只涉及矩阵的初等变换,所以步骤单一、运算量小、易于掌握,最有效、最实用。

1 初等合同变换的定义及结论1.1定义1 对于矩阵A ,称以下三种初等变换为A 的初等合同变换(1)交换A 的第i 行与第j 行的位置得1A ,紧接着交换1A 的第i 列与第j 列的位置。

(2)A 的第i 行乘以非零数k 得1A ,紧接着1A 的第i 列乘以非零数k 。

(3)A 的第i 行的k 倍加到第j 行得1A ,紧接着1A 的第i 列的k 倍加到第j 列上。

由定义知,任意的实对称矩阵经过初等合同变换后仍然是实对称矩阵,且任意实对称矩阵都可以经过若干次初等合同变换化为对角矩阵。

1.2定理设矩阵A 是实二次型),,,(21n x x x f 的矩阵,若矩阵A 经过一些初等合同变换化为对角矩阵n d d d D00000021,则:(1)当),,2,1(,0n i d i 时,该实二次型为正定二次型。

(2)当),,2,1(,0n i d i 时,该实二次型为负定二次型。

(3)当),,,2,1(,0≥且至少有一个n i d i 0有一个为时,该实二次型为半正定二次型。

(4)当),,,2,1(,0≤且至少有一个为n i d i 0有一个为时,该实二次型为半负定二次型。

(5)当),,2,1(n i d i 中有正数也有负数时,该实二次型为不定二次型。

2 用初等变换法判断实二次型类型的应用例1：判断实二次型213212),,(x x x x f 323121232284453x x x x x x x x 的类型。

第十五次课用初等变换法化二次型为标准形正定二次型

第十五次课
教学内容
§6.3 用初等变换法化二次型为标准形 §6.4 正定二次型教学目标及基本要求
掌握用正交变换法化二次型为标准形的方法了解惯性定理了解正定二次型、正定矩阵的概念及他们的判别法重点
正交变换化二次型为标准形难点
正交变换化二次型为标准形
§6.3 用初等变换法化二次型为标准形
惯性定理 (P172)
即 D1 0, D3 0, D5 0, L ；顺序主子式负、正相间 A的偶数阶顺序主子式全为正数, 即
D2 0, D4 0, D6 0, L 。
2020年6月1日星期一
7
例1 (P175例6.4.2)
判断下列二次型的正定性：
(1) f ( x1 , x2 , x3 ) 5 x12 x22 5 x32 4 x1 x2 8 x1 x3 4 x2 x3 (2) f ( x1, x2 , x3 ) 5 x12 6 x22 4 x32 4 x1 x2 4 x1 x3
L
zr2
3、惯性定理：n元实二次型 f X T AX 都存在
满秩变换化为规范二次型，且规范性是唯一的。
4 、在实二次型的规范形（或标准形）中，
(1)：正平方项的项数 p称为正惯性指数；
positive index of inertia
(2)：负平方项的项数q r p称为负惯性指数；
negative index of inertia
2020年6月1日星期一
5
二、判定
1、f X T AX 正定二次型（实对称矩阵 A为正定矩阵）
X 0, f X T AX 0。 f 的标准形中di 0 (i 1,2,L ,n)，
即：正惯性指数 p n。
A的特征值全为正数。

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ak1 L
2020年5月8日星期五
a1k M 0 (k 1,2,L , n)．
akk
5
2、f X T AX 负定二次型（实对称矩阵 A为负定矩阵）
f X T( A)X 为正定二次型
f 的标准形中di 0 (i 1,2,L ,n)，即：负惯性指数q n。
A的特征值全为负数
A的奇数阶顺序主子式全为负数,
2020年5月8日星期五
7
小结
1、f X T AX 正定二次型（实对称矩阵 A为正定矩阵）
X 0, f X T AX 0。 f 的标准形中di 0 (i 1,2,L ,n)，
即：正惯性指数 p n。
ADk M L
ak1 L
negative index of inertia
(3)： p q称为二次型的符号差。
signature 5、A合同于B：A ; B 它们的惯性指数相同。
2020年5月8日星期五
2
§6.4 正定二次型
一、基本概念 (P173定义6.4.1)
1、Def：n元实二次型 f X T AX ：
(1)： X 0, f X T AX 0 0，称 f 为正（负）
z12 L
z
2 p
z2 p1
L
zr2
3、惯性定理：n元实二次型 f X T AX 都存在
满秩变换化为规范二次型，且规范性是唯一的。
4 、在实二次型的规范形（或标准形）中，
(1)：正平方项的项数 p称为正惯性指数；
positive index of inertia
(2)：负平方项的项数q r p称为负惯性指数；
2020年5月8日星期五
4
二、判定
1、f X T AX 正定二次型（实对称矩阵 A为正定矩阵）
X 0, f X T AX 0。 f 的标准形中di 0 (i 1,2,L ,n)，
即：正惯性指数 p n。
A的特征值全为正数。
A的顺序主子式全为正数,
a11 L 即 Dk M L
dp
y
2 p
d p1
y2 p1
L
dr yr2
di 0,i 1,2,L , r r 是 f 的秩
2020年5月8日星期五
1
则再作一次满秩变换：yi
1 di zi (i 1, 2,L , r)
normal form of a quadratic form
可得二次型的规范形：f
law of inertia
即 D1 0, D3 0, D5 0, L ；顺序主子式负、正相间 A的偶数阶顺序主子式全为正数, 即
D2 0, D4 0, D6 0, L 。
2020年5月8日星期五
6
例1 (P175例6.4.2)
判断下列二次型的正定性：
(1) f ( x1 , x2 , x3 ) 5 x12 x22 5 x32 4 x1 x2 8 x1 x3 4 x2 x3 (2) f ( x1, x2 , x3 ) 5 x12 6 x22 4 x32 4 x1 x2 4 x1 x3
定二次型， A为正（负）定矩阵。
(2)： Xposi0ti,vef(negXaTtiAveX) def0inite0m，a称trixf 为半正（负）
定二次型， A为半正（负）定矩阵。
positive(negative) semidefinite matrix
(3)： X 0, f X T AX 有大于零，也有小于零，称 f 为不定二次型, A为不定矩阵。
2020年5月8日星期五
a1k M 0 (k 1,2,L , n)．
akk
8
作业
习题6(A)：P176 : 2、3，判断二次型是否正定
提前预习总复习
2020年5月8日星期五
9
indefinite quadratic form
2020年5月8日星期五
3
2、判定（由标准形： f d1 y12 d2 y22 L dn yn2）
(1) f 正（负）定 di 0di 0 , i 1,2,L , n
(2) f 半正（负）定 di 0 0,且至少有一项为 0
(3) f 不定 di 既有正值又有负值
§6.3 用初等变换法化二次型为标准形
惯性定理 (P172)
1、二次型的标准形不唯一。
2、 f X T AX XPP0Y f Y T Y
即：PT AP A ;
R A R r 标准形中平方项的项数为 r
设 f X T AX 经适当的满秩线性变换 X PY
化为标准形：
f
d1 y12 L