线性代数 第六章第二节 二次型化为标准型的三种方法

显然,f =1表示的二次曲面为单叶双曲面. 注意：化f为标准形的正交变换不唯一.
例2
解
拉格朗日配方法的具体步骤
用正交变换化二次型为标准形，其特点是保 持几何形状不变．
问题：有没有其它方法，也可以把二次型化为标 准形？
问题的回答是肯定的。下面介绍一种行之有 效的方法——拉格朗日配方法．
用正交变换能够化实二次型为标准型，这种方法是根据实
化为标准形,并指出方程f =1表示何种二 次曲面.
解 写出 f 的系数矩阵A，求出A的特征 值和特征向量
由
得
,
当
时,解方程组
ห้องสมุดไป่ตู้
得基础解系 当 得基础解系 时,解方程组
将特征向量正交化、单位化
再对α1,β2, β3单位化,得
写出正交变换的矩阵 由 构成正交矩阵
则二次型经正交变换x=Ty化为标准形
新旧变量二次型的矩阵A与B满足CTAC=B，即A与对角形矩阵 B合同.
3 初等变换法
根据实对称矩阵及合同变换的特征得到.
C为所 求 只作列 变换
思考
1、化二次型为标准形的正交变换是否 唯一？ 2、二次型的标准形是否唯一？ 3、二次型的平方和和标准形主要区别 是什么？ 4、在实数域里考虑，正交变换法和配 平方法没有改变二次型的那些特征？
要求保持图形的几何性质（如保持图形的形状不变）,就要使用 正交变换等方法。 在统计等方面的应用中，也常常使用正交变换的方法处理二 次型，使变换保持尺度不变。
用正交变换化二次型为标准形的具体步骤
与上一 章化相 似标准 型的做 法基本 一致， 也可以 作组内 正交化
用正交变换将二次型化为标准形的方法 例1 求一个正交变换x=Ty,把二次型
思考题解答
1、正交变换不唯一；
2、标准形不计顺序的话是唯一的；
3、标准形的系数为其特征值，而平方 和的系数则不是特征值，可以任意变 动.
4、没有改变二次型的秩，事实上，二 次型的系数中正负项的个数也没有被 正交变换改变。
化二次型为含有平方项的二次型，然后再按1中方 法配方.
例3
解
含有平方项
去掉配方后多出来的项
所用变换矩阵为
例4 用配方法化二次型
为标准型，并求出所用的可逆线性变换。 解
令
(1)
则
(2)
(2)是可逆线性变换，使
2 2 9 2 f (x1, x2, x3) y1 + y2 - 4 y3
例5
是n-1元二次型或零多项式。由归纳假设，存在非退化线性变换
则非退化线性变换为
情形2
不含平方项，必有
是非退化的线性变换，使得
零多项式，故
可化为标准型. 推论1 证明
含有平方项，这归结为情形1，
任意n阶对称矩阵A都与对角形矩阵合同. 由定理4，存在非退化线性变换X=CY，使得
右端标准型的矩阵为
对称矩阵的性质，求出二次型 的特征值和规范正交的特征向量， 条件要求较强，当研究一般数域P上的二次型(包括实二次型)
的标准型时，可以用拉格朗日配方法，这种方法不用解矩阵特征
值问题，只需反复利用以下两个初等公式
就能将二次型化为平方和。下面首先举例说明，再给出理论证明。
拉格朗日配方法的步骤 1. 若二次型含有 的平方项，则先把含有 的乘积项集中，然后配方，再对其余的变量同 样进行，直到都配成平方项为止，经过非退化线 性变换，就得到标准形; 2. 若二次型中不含有平方项，但是 则先作可逆线性变换
用可逆（或正交）变换化二次型为标准形
目标：
问题转化为：
对任意n元实二次型 f（x1,x2，…,xn)=XTAX( A 为 n 阶对称矩阵)，则 必有正交矩阵 P ,使
定理 3
定义 若 P 为正交矩阵，则线性变换 y Px称为正交变换．
正交变换的特征是保持向量的长度不变．
在几何中将二次曲线或曲面的方程化为标准型方程时，如果
解 由于所给二次型中无平方项，所以
记X=BY
得 再把所有含y1的项集中,配平方;同样地 把含有y2的项集中,配平方,就得到
即：
求逆 矩阵
记Y=DZ
所用变换矩阵为
定理4 对于任一n元二次型
都存在非退化的线性变换X=CY，使之成为标准型（平方和）
证明
对变量个数进行归纳。
平方项的系数不全为零，不妨设