扬大高等代数北大三版--第五章二次型

高
第五章 二次型
等
代 数
学时：10学时。 教学手段：
讲授和讨论相结合，学生课堂练习，演练习题与辅导答疑相结合。
基本内容和教学目的：
基本内容： 二次型的矩阵表示、标准型、唯一性、正定二次型。
教学目的：
1、了解二次型的概念，二次型的矩阵表示。
5
2、会化二次型为标准型，规范性。
3、掌握二次型的惯性定理，正定二次型。
二 → B = C/AC , C可逆 → A，B的秩相同，即二次型X/AX 与 Y/BY
次 的秩相同 → 题设结论成立.
□
型 ➢ 性质5给出矩阵之间的一种相互关系，故引入以下概念 →
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课件
9
高 三 矩阵的合同关系
等 定义2 数域P上 n 阶矩阵 A，B 称为合同的，如果存在P上的 n 阶可
二 本章的重点和难点： 重点：化二次型为标准型，规范性 。
次
难点：正定二次型。
型
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课件
1
高 等 代 数
5.1二次型的矩阵表示
5
二 次 型
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课件
2
高 一 问题提出
等 ➢ 平面解析
代 一次曲线：Ax + By + C = 0 (直线)；
数
二次曲线：Ax2 + Bxy + Cy2 + Dx + Ey = F → 经平移 变换化成为 au2 + buv + cv2 = d → 经旋转变换化成为
二 次 型
c11 c12 L
C
c21
c22
L
M M
c1n
c2
n
,
M
x1
X
x2
,
M
y1
Y
y2
.
M
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cn1 cn2 L cnn课件
xn
yn
8
高 *2 性质：
等
4) 若C可逆，则X = CY是可逆线性替换，且Y = C－1X也是可逆的线
代
性替换；
数
可逆，故
M
X
C1Y
课件
14
1
nn
高 f (x1, x2 , L , xn ) a11y12
bij yi y j 归纳假定 存在非退
等
i2 j2
1 0 L 0
代
数
化的线性替换 平方和 d2 z2
z2
c22 LL
zn cn2
L dnzn
yyL22 L存LLL在L非cc2nnn退yynn化使的得C线2以C2性上 00M替i100Mn2换ccccj0MnMn2n222222 biLLLjLLyi
代
逆矩阵 C，使得 B = C/AC .
数 *1 合同的性质：
7) 矩阵合同是Mn(P) = {A│A为P上n阶矩阵} 上的等价关系, 即 (1) 合同具有自反性 （ A = E/AE，即A与A合同 ）；
(2) 合同具有对称性 （ B = C/AC → A = (C－1)/BC－1 ）；
5
(3) 合同具有传递性 （ A1 = C1/AC1，A2 = C2/A1C2 →
型
xn
称A为 f (x1,
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x2 ,
L
,
xn
)的矩阵，A的秩r(A)称为 课件
f
(
x1
,
x2 ,
L
,
xn )的秩. 5
*3 性质：
高 1) 在二次型 f (x1, x2, …, xn) = X/AX中，矩阵A为对称矩阵；
等 2）把一阶矩阵A = (a)看成数a, 则一元二次型
代 数
……………
二
+ aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱn xn2
次
称为P上n元二次型，简称二次型；当P = R时，为实二次型、
型 当P = C时，为复二次型.
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课件
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高等**12 代
f (x1, x2, …, xn) 是 Pn→P 的n元函数； f (x1, x2, …, xn) = a11x1x1 + a12x1x2 + … + a1nx1xn
A2 = C2/ (C1/AC1)C2 = (C1C2)/A(C1C2) ）.
二
8) 线性替换X = CY下 f (x1, x2, …, xn) = X/AX = Y/BY, 因B = C/AC,
次 故： X = CY为可逆线性替换时，二次型 X/AX 与 Y/BY的矩阵合同; → 为用矩阵来研究这类二次型的变换奠定了基础，提供了思路；
L
a2n
x2
X
/
AX
M M
f (x1, x2, …, xn) = a11x12 + 2a12axn11x2 a+n2…L+ 2aan1nnx1xxnn
二次 其中
A (aij ),
且
aij
a
ji
+
(i, j
a22x22
1, 2,L ,
n+), ……X…++…a2xnxaM…n122xnnxn2.xn
二、二次型的概念及性质
1.定义1 数域P上n元二次齐次多项式（近代表示式）
f (x1, x2, …, xn) = a11x12 + 2a12x1x2 + 2a13x1x3 + … + 2a1nx1xn
5
+ a22x22 + 2a23x2x3 + … + 2a2nx2xn
+ a33 x32 + …+ 2a3n x3xn
5) f (x1, x2, …, xn) = X/AX 是 P 上的 n 元二次型，经线性替换 X = CY 化成 f (x1, x2, …, xn) = Y/BY ，则 B = C/AC .
证明： f (x1, x2, …, xn) = X/AX = (CY)/A(CY) = Y/(C/AC)Y = Y/ BY.
(a12
x2
L
a1n xn
)
a 2 11
(a12
x2
L
a1nxn )2
nn
a (a x 2
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L
a1n xn )2 ]课件
aij xi x j
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i2 j2
n
n
nn
a11[(x1
a111a1 j x j )2
a 2 11
(
a1 j x j )2 ]
3)
f (x) = a11x12 = (x1)/(a11)(x1) = X/AX； 数域P上， f (x1, x2, …, xn) 与n阶对称矩阵一一对应.
证明分析： 由*2可知，任一二次型都对应某对称矩阵A，即*2给
出对应法则σ： f (x1, x2, …, xn) →A . 设f (x1, x2, …, xn) 在σ下对 应5 的对称矩阵为A，B，即 f (x1, x2, …, xn) = X/AX = X/BX，故知 A = B，即σ是 n 元二次型与 n 阶对称矩阵之间的映射.
+…+2a1n(x11x) n +…+2a2nx2xn
证明： （配方法） 对 n 进行数学归纳. …………………
n = 1： f (ax11)x1=2 a+112xa121,2x已1x是2 +(12)的a13形x1式x3 ，+ 命…题+成2a立1nx.1xn
假定= an1－1[x112时+命2a题11成－1立(a，12x现2 证+ an13时x3 命+ 题…成+ 立a1n.xn)] + annxn2
b x x
y1
n
x1
n
n
a111a1 j x j
令5
j2ij i j
i2 yj22 x2
M
二
yn xn
x1
y1
n
a111a1 j y j
j2
x2 y2
M
xn yn
X C1Y ，
次 1
型其中C1
0 M
a111a12 1 M
L L
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0 0 L
a111a1n 0
由于 B/ = (C/AC)/ = C/A/C// = C/AC = B → Y/BY 是 P 上 n 元二次
型，且 B = C/AC 成立.
□
5
6) 二次型的秩在变量的线性替换下保持不变（性质5的推论）
证明： 如5), 在线性替换X = CY下f (x1, x2, …, xn) = X/AX = Y/BY
代 逆时针旋转θ0 (例：450),即有坐标旋转公式
y
数
y/
x/
x x/ cos y/ sin
y
x/
sin
y/
cos
x x/ cos 45o y/ sin 45o
5
(
y
x/
sin
45o
y/
cos
) 45o
代入原方程，将其化成标准方程
（4x/2 +9y/2 =36）
二
→ 称如上旋转公式为线性替换.
5 事实上，当X = C/ Y 是非退还的线性替换时， 可得
Y = C －1X
成立，
二
故原二次型 X/AX 与变换后的二次型 Y/BY 是可以互化的，
次
这样就使我们从变换所得二次型 Y/BY 的性质可以推知原来 二次型X/AX的性质.