Положительно определенные формы

Рассмотрим квадратичную форму трех переменных

(7.8)

которую с помощью симметричной матрицы Aможно представить в матричной форме

 

Симметричная матрица A в некотором ортонормированном базисе e1, e2, e3 определяет симметрическое преобразование. Как известно, существует ортонормированный базис, составленный из собственных векторов данного преобразования, в котором преобразование задается диагональной матрицей.

Из теоремы 7.2 следует, что матрицей перехода от базиса eк базису e' служит ортогональная матрица Q.Пусть

 

тогда между строками координат произвольного вектора в разных базисах имеет место связь

 

 

Представим квадратичную форму (7.8) в базисе :

 

Если ортонормированный базис e' состоит из собственных векторов симметрического преобразования, то

 

и

(7.9)

Говорят, что квадратичную форму привели к каноническому виду (7.9).

Таким образом, получили теорему о приведении квадратичной формы к главным осям.

Теорема7.6. Всякая действительная квадратичная форма некоторым ортогональным преобразованием неизвестных может быть приведена к канонической форме. Коэффициентами этого канонического вида будут характеристические корни матрицы A, взятые с их кратностями.

Пример3. Привести квадратичную форму к каноническому виду

 

указать при этом соответствующий ортонормированный базис.

Решение. Симметрическая матрица, соответствующая квадратичной форме

.

Найдем характеристические корни матрицы A

 

 

Получили

Найдем собственный вектор, соответствующий собственному значению из системы однородных уравнений

 

Система

 

имеет бесконечно много решений.

Решение системы: , если положить то Получили собственный вектор

Найдем собственный вектор, соответствующий собственному значению из системы однородных уравнений

 

Система

 

имеет бесконечно много решений.

Решение системы: , если положить то Получили собственный вектор

Аналогично находим собственный вектор

Собственные векторы соответствуют различным собственным значениям, и потому ортогональны. Нормируя собственные вектора, получаем ортонормированный базис

(7.10)

в котором квадратичная форма имеет канонический вид

 

Матрицей перехода в (7.10) служит

.

Тогда

 

Заметим, к примеру, что в декартовой системе координат с осями вдоль базиса e уравнение поверхности

 

приводится к уравнению гиперболического цилиндра

 

в базисе (7.10) посредством ортогонального преобразования с матрицей Q.

Пример 4.Привести к каноническому виду уравнение поверхности

 

заданную в декартовой системе координат. Ууказать соответствующий ортонормированный базис.

Решение. Квадратичной форме

 

соответствует симметрическая матрица

.

Найдем характеристические корни матрицы A

 

Получили

Найдем собственные векторы, соответствующие собственным значениям из системы однородных уравнений

 

Система

 

имеет бесконечно много решений. Подберём независимые собственные векторы

 

Применим процесс ортогонализации. Положим

 

Вектор с2 будем искать в виде

,

 

Получили

Найдем собственный вектор, соответствующий собственному значению из системы однородных уравнений

 

Система

 

имеет бесконечно много решений.

Решение системы: если положить то Получили собственный вектор

Собственные векторы, соответствующие различным собственным значениям, ортогональны. Нормируя полученные ортогональные векторы, получаем ортонормированный базис

(7.11)

в котором квадратичная форма имеет канонический вид

 

Уравнение поверхности

 

приводится к каноническому уравнению двуполостного гиперболоида

 

в базисе (7.11) .

В случае n переменных квадратичную форму можно записать в виде

(7.12)

Определение. Квадратичная форма от n переменных с действительными коэффициентами называется положительно определенной, если при всяких действительных значениях этих переменных, хотя бы одно из которых отлично от нуля, эта форма получает положительные значения.

Очевидно, что квадратичная форма от n переменных, тогда и только тогда, будет положительно определенной, если она приводится к каноническому виду, состоящему из n квадратов с положительными коэффициентами.

Следующая теорема дает возможность охарактеризовать квадратичные формы, не приводя их к каноническому виду.

Теорема 7.7(критерий Сильвестера). Квадратичная форма от n неизвестных с действительными коэффициентами тогда и только тогда будет положительно определенной, если все ее главные миноры строго положительны.

Пример 5. Является ли форма

 

положительно определенной?

Решение.Симметрическая матрица, соответствующая квадратичной форме

.

Найдем главные миноры матрицы A:

 

В силу критерия Сильвестера квадратичная форма не является положительно определенной.

Приводя квадратичную форму (7.12) к каноническому виду, можно поразному выбирать базис. Поэтому возникает вопрос: количество положительных коэффициентов и отрицательных зависит от выбора базиса или нет? Ответ на этот вопрос дает следующая теорема.

Теорема 7.8(закон инерции квадратичных форм). Если квадратичная форма от n неизвестных с действительными коэффициентами приведена двумя различными способами к каноническому виду то, число положительных коэффициентов и отрицательных в обоих случаях одно и то же.