виду.
Рассмотрим некоторое линейное преобразование А с матрицей .
Это симметрическое преобразование можно записать в виде:
y1 = a11x1 + a12x2
y2 = a12x1 + a22x2
где у1 и у2 – координаты вектора в базисе .
Очевидно, что квадратичная форма может быть записана в виде
Ф(х1, х2) = х1у1 + х2у2.
Как видно, геометрический смысл числового значения квадратичной формы Ф в точке с координатами х1 и х2 – скалярное произведение .
Если взять другой ортонормированный базис на плоскости, то в нем квадратичная форма Ф будет выглядеть иначе, хотя ее числовое значение в каждой геометрической точке и не изменится. Если найти такой базис, в котором квадратичная форма не будет содержать координат в первой степени, а только координаты в квадрате, то квадратичную форму можно будет привести к каноническому виду.
Если в качестве базиса взять совокупность собственных векторов линейного преобразования, то в этом базисе матрица линейного преобразования имеет вид:
.
При переходе к новому базису от переменных х1 и х2 мы переходим к переменным и . Тогда:
Тогда .
Выражение называется каноническим видом квадратичной формы. Аналогично можно привести к каноническому виду квадратичную форму с большим числом переменных.
Теория квадратичных форм используется для приведения к каноническому виду уравнений кривых и поверхностей второго порядка.
Пример. Привести к каноническому виду квадратичную форму
Ф(х1, х2) = 27.
Коэффициенты: а11 = 27, а12 = 5, а22 = 3.
Составим характеристическое уравнение: ;
(27 - l)(3 - l) – 25 = 0
l2 - 30l + 56 = 0
l1 = 2; l2 = 28;
Пример. Привести к каноническому виду уравнение второго порядка:
17x2 + 12xy + 8y2 – 20 = 0.
Коэффициенты а11 = 17, а12 = 6, а22 = 8. А =
Составим характеристическое уравнение:
(17 - l)(8 - l) - 36 = 0
136 - 8l - 17l + l2 – 36 = 0
l2 - 25l + 100 = 0
l1 = 5, l2 = 20.
Итого: - каноническое уравнение эллипса.
Пример. Используя теорию квадратичных форм, привести к каноническому виду уравнение линии второго порядка. Схематично изобразить график.
Решение: Составим характеристическое уравнение квадратичной формы : при
Решив это уравнение, получим l1 = 2, l2 = 6.
Найдем координаты собственных векторов:
полагая m1 = 1, получим n1 =
полагая m2 = 1, получим n2 =
Собственные векторы:
Находим координаты единичных векторов нового базиса.
Имеем следующее уравнение линии в новой системе координат:
Каноническое уравнение линии в новой системе координат будет иметь вид:
Пример. Используя теорию квадратичных форм, привести к каноническому виду уравнение линии второго порядка. Схематично изобразить график.
Решение: Составим характеристическое уравнение квадратичной формы : при
Решив это уравнение, получим l1 = 1, l2 = 11.
Найдем координаты собственных векторов:
полагая m1 = 1, получим n1 =
полагая m2 = 1, получим n2 =
Собственные векторы:
Находим координаты единичных векторов нового базиса.
Имеем следующее уравнение линии в новой системе координат:
Каноническое уравнение линии в новой системе координат будет иметь вид:
Пример. Используя теорию квадратичных форм, привести к каноническому виду уравнение линии второго порядка. Схематично изобразить график.
4ху + 3у2 + 16 = 0
Коэффициенты: a11 = 0; a12 = 2; a22 = 3.
Характеристическое уравнение:
Корни: l1 = -1, l2 = 4.
Для l1 = -1 Для l2 = 4
m1 = 1; n1 = -0,5; m2 = 1; n2 = 2;
= (1; -0,5) = (1; 2)
Получаем: -каноническое уравнение гиперболы.
При использовании компьютерной версии “Курса высшей математики” возможно запустить программу, которая решает рассморенные выше примеры для любых начальных условий.
Для запуска программы дважды щелкните на значке:
В открывшемся окне программы введите коэффициенты квадратичной формы и нажмите Enter.
Примечание: Для запуска программы необходимо чтобы на компьютере была установлена программа Maple (Ó Waterloo Maple Inc.) любой версии, начиная с MapleV Release 4.
Введение в математический анализ.
Числовая последовательность.