高等代数讲义ppt第五章二次型.ppt
二次型 第五章 二次型二次型二次型就是二次齐次多项式。在解析几何中讨论的有心二次曲线，当中心与坐标原点重合时，其一般方程为：fcybxyax222方程的右端就是关于 x，y 的一个二次齐次多项式。为了便于研究这个二次曲线的几何性质，通过选取合适的角度，把坐标轴作逆时针旋转，则相应的坐标变换为：cossinsincosyxyyxx在新坐标下二次曲线的方程可化为标准方程：fycxa22这是一个只含有平方项的标准方程。二次型考察方程：172137210721322yxyx该方程表示 xy 平面上怎样的一条二次曲线？将 xy 坐标系逆时针旋转/4/4,即令 在新坐标下二次曲线的方程可化为标准方程：19422yx,2222,2222yxyyxx二次型1 二次型及其矩阵表示二次型的概念及其矩阵表示定义：一个系数在数域 P 上的 x1，x2，xn 的二次齐次多项式nnnxxaxxaxaxxxf11211221112122),(nnxxaxa22222222nnnxa称为数域 P 上的一个n元二次型，简称为二次型。注意：(1)二次型就是 n 元二次齐次多项式；(2)交叉项的系数采用2aij，主要是为了矩阵表示的方便。二次型1 二次型及其矩阵表示若在 n 元二次型中令 aij=aji，由于 xi xj=xj xi，则二次型可表示为ninjjiijnxxaxxxf1121),(若记nnnnnnnxxxxaaaaaaaaaA21212222111211,其中 aij=aji，i，j=1，2，n，则二次型可用矩阵的乘积表示为Axxxxxfn),(21其中 A 称为该二次型的矩阵，A 的秩称为该二次型的秩。二次型1 二次型及其矩阵表示对于二次型的矩阵表示方法，需注意如下几点：(1)由于 aij=aji，故 A 为对称矩阵；(2)矩阵 A 中 aii 为 xi2 项的系数，aij 为交叉项 xi xj 系数的一半；(3)n 元二次型 fn 阶对称矩阵 A一一对应一一对应定义：一个只含有平方项的 n 元二次型222221121),(nnnxdxdxdxxxf称为标准二次型，或标准型。n 元标准二次型 fn 阶对角矩阵一一对应一一对应行列式1 n阶行列式的定义1、写出下列二次型的矩阵2、写出下列对称矩阵的二次型例题（1）22212121562),(xxxxxxf（2）233222312121321735642),(xxxxxxxxxxxxf（1）001010100（2）3323212113、写出二次型xxxxf1312),(21的矩阵。二次型1 二次型及其矩阵表示二次型的线性替换定义：系数在数域 P 中的一组关系式：nnnnnnnnnnycycycxycycycxycycycx22112222121212121111称为由向量 x1，x2，xn 到 y1，y2，yn的一个线性替换。令),(),(2121nnyyyyxxxx则线性替换可以表示为 x=Cy。若系数矩阵 C 的行列式|C|0，则称该线性替换是非退化的。二次型1 二次型及其矩阵表示问题：二次型经过非退化线性替换后是否仍为二次型？定理：二次型经过非退化线性替换后仍为二次型。问题：二次型的矩阵经过非退化线性替换后会发生怎样的变化？具有怎样的关系呢？定义：设 A，B 是数域 P 上的两个 n 阶方阵，若在数域 P 上存在可逆的 n 阶方阵 C，使得,ACCB则称矩阵 A 和 B 是合同的。因此，经过非退化的线性替换后，新二次型的矩阵与原二次型的矩阵是合同的。故可通过矩阵的合同变化来表示二次型的变换。二次型1 二次型及其矩阵表示合同是矩阵之间的一种等价关系，具有：反身性：矩阵 A 与自己合同；对称性：若矩阵 A 与 B 合同，则矩阵 B 与 A 合同；传递性：若矩阵 A 与 B 合同，矩阵 B 与 C 合同，则 A 与 C 合同；合同的基本性质：性质1：对称矩阵只能与对称矩阵合同。性质2：合同矩阵具有相同的秩。问题：使得矩阵 A 和 B 合同的可逆矩阵 C，是否唯一？二次型2 标准型用配方法化二次型为标准型定理：数域 P 上任意一个二次型都可以经过非退化的线性替换化为标准型。用合同法化二次型为标准型定理：数域 P 上任意一个对称矩阵都合同于一个对角矩阵。行列式1 n阶行列式的定义1、化下列二次型为标准型2、化二次型例题（1）23322231212132158222),(xxxxxxxxxxxxf为标准型。njijiniinxxxxxxf11221),(（2）313221321262),(xxxxxxxxxf二次型3 唯一性标准型中的系数不是唯一确定的。做线性替换例如：对二次型313221262xxxxxx321321100111311wwwxxx得到标准型232221622www二次型3 唯一性进一步做替换32132131210000001yyywww得到另一个标准型23222132212yyy共同点：标准型中系数不为零的平方项的个数是唯一确定的。合同不改变矩阵的秩。二次型3 唯一性复数域上的二次型定理：任意一个秩为 r 的复系数的 n 元二次型，可经过适当的非退化线性替换化为复规范型：22221rzzz而且这个规范型是唯一的。二次型3 唯一性推论：任意一个复对称矩阵 A 都合同于对角矩阵：0011其中对角线上 1 的个数 r 等于矩阵 A 的秩。推论：两个复对称矩阵合同的充要条件是它们的秩相等。二次型3 唯一性实数域上的二次型定理：任意一个秩为 r 的实系数的 n 元二次型，可经过适当的非退化线性替换化为实规范型：22122221rppzzzzz而且这个规范型是唯一的。定义：实二次型 f 的规范型中，正平方项的个数 p 称为 f 的正惯性指数；负平方项的个数 r-p 称为 f 的负惯性指数；它们的差 p-(r-p)称为 f 的符号差。二次型3 唯一性推论：任意一个实对称矩阵 A 都合同于对角矩阵：001111其中对角线上 1 和-1 的个数都是唯一确定的，且其和 r 等于矩阵 A 的秩。问题：试给出两个实对称矩阵合同的充要条件。二次型4 正定二次型正定二次型的定义和判定定义：实二次型),(21nxxxf是正定的，如果对任意一组不全为零的的实数nccc,21都有0),(21ncccf。定理：实二次型222221121),(nnnxdxdxdxxxf是正定二次型的充要条件是。nidi,2,1,0定理：非退化的线性替换不改变二次型的正定性。定义：n 元实二次型),(21nxxxf正定的充要条件是它的正惯性指数为 n。二次型4 正定二次型正定矩阵定义：如果实二次型Axxxxxfn),(21是正定的，则称实对称矩阵A 为正定矩阵。定理：实对称矩阵 A 正定的充要条件是它与单位矩阵合同。定理：实对称矩阵 A 正定的充要条件是存在非奇异矩阵 C，使得 A=CC推论：正定矩阵的行列式大于零。推论：正定矩阵是可逆的，且其逆矩阵仍为正定矩阵。二次型4 正定二次型直接利用矩阵的元素来判断它的正定性。定义：n 阶实对称矩阵 A=(aij)的左上角的 k 阶子式nkaaaaaaaaakkkkkk,2,1,212222111211称为矩阵 A 的 k 阶顺序主子式。定理：实二次型Axxxxxfn),(21正定的充要条件是矩阵 A 的各阶顺序主子式全大于零。二次型4 正定二次型例题1、判别二次型32312123222132148455),(xxxxxxxxxxxxf是否正定。2、当 t 取什么值时，二次型3231212322213214225),(xxxxxxtxxxxxxf是正定的。3、判别二次型1111221),(niiiniinxxxxxxf是否正定。二次型4 正定二次型4、若矩阵 A 是列满秩的，则 AA 为正定矩阵。5、设 A 为 n 阶正定矩阵，证明：(1)对任意 n 阶矩阵 B，秩(BAB)=秩(B)。(2)若 B 是 nm 阶实矩阵，且 B 是列满秩的，则 BAB 也是正定的。二次型4 正定二次型二次型的分类定义：设实二次型),(21nxxxf，若对于任意一组不全为零的实数nccc,21都有0),(21ncccf(1)，则称),(21ncccf是正定的。0),(21ncccf(2)，则称),(21ncccf是半正定的。0),(21ncccf(3)，则称),(21ncccf是负定的。0),(21ncccf(4)，则称),(21ncccf是半负定的。),(21ncccf(5)不确定，则称),(21ncccf是不定的。二次型4 正定二次型定理：设实二次型Axxxxxfn),(21，下列命题等价：(1)Axxxxxfn),(21是半正定的，(2)它的负惯性指数与秩相等，(3)有可逆实矩阵 C，使得 niddddACCin,2,1,0,21(4)有实矩阵 C，使得 A=CC，(5)矩阵 A 的所有主子式大于或等于零。
