题目
求正交变换=X,将二次型=X化为标准形。
求正交变换,将二次型
化为标准形。
题目解答
答案
[答案]见解析
[解析]
二次型的矩阵为
先求的特征值:
的3个特征值:
属于特征值的特征向量
满足:
,可取
属于特征值的特征向量
满足:
,可取
属于特征值的特征向量
满足:
,可取
于是找到正交矩阵
经过正交变换,原二次型化为标准形
。
解析
步骤 1:确定二次型的矩阵
二次型$f=2{{x}_{1}}^{2}+3{{x}_{2}}^{2}+3{{x}_{3}}^{2}+4{x}_{2}{x}_{3}$的矩阵为
$$
A = \begin{pmatrix}
2 & 0 & 0 \\
0 & 3 & 2 \\
0 & 2 & 3
\end{pmatrix}
$$
步骤 2:求矩阵A的特征值
计算矩阵$A$的特征值,即求解方程$|\lambda E-A|=0$,其中$E$是单位矩阵。
$$
|\lambda E-A| = \begin{vmatrix}
\lambda-2 & 0 & 0 \\
0 & \lambda-3 & -2 \\
0 & -2 & \lambda-3
\end{vmatrix} = (\lambda-2)(\lambda-3)^2-4(\lambda-3) = (\lambda-1)(\lambda-2)(\lambda-5)
$$
因此,矩阵$A$的特征值为$\lambda_1=1$,$\lambda_2=2$,$\lambda_3=5$。
步骤 3:求矩阵A的特征向量
对于每个特征值,求解方程$(\lambda E-A)X=0$,得到对应的特征向量。
对于$\lambda_1=1$,求解方程$(E-A)X=0$,得到特征向量$P_1=\begin{pmatrix}0 \\ \frac{\sqrt{2}}{2} \\ -\frac{\sqrt{2}}{2}\end{pmatrix}$。
对于$\lambda_2=2$,求解方程$(2E-A)X=0$,得到特征向量$P_2=\begin{pmatrix}1 \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}$。
对于$\lambda_3=5$,求解方程$(5E-A)X=0$,得到特征向量$P_3=\begin{pmatrix}0 \\ \frac{\sqrt{2}}{2} \\ \frac{\sqrt{2}}{2}\end{pmatrix}$。
步骤 4:构造正交矩阵Q
将特征向量$P_1$,$P_2$,$P_3$作为列向量,构造正交矩阵$Q$。
$$
Q = \begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 \\
\frac{\sqrt{2}}{2} & 0 & \frac{\sqrt{2}}{2} \\
-\frac{\sqrt{2}}{2} & 0 & \frac{\sqrt{2}}{2}
\end{pmatrix}
$$
步骤 5:求正交变换$AO=X$
经过正交变换$AO=X$,原二次型化为标准形${{y}_{1}}^{2}+2{{y}_{2}}^{2}+5{{y}_{3}}^{2}$。
二次型$f=2{{x}_{1}}^{2}+3{{x}_{2}}^{2}+3{{x}_{3}}^{2}+4{x}_{2}{x}_{3}$的矩阵为
$$
A = \begin{pmatrix}
2 & 0 & 0 \\
0 & 3 & 2 \\
0 & 2 & 3
\end{pmatrix}
$$
步骤 2:求矩阵A的特征值
计算矩阵$A$的特征值,即求解方程$|\lambda E-A|=0$,其中$E$是单位矩阵。
$$
|\lambda E-A| = \begin{vmatrix}
\lambda-2 & 0 & 0 \\
0 & \lambda-3 & -2 \\
0 & -2 & \lambda-3
\end{vmatrix} = (\lambda-2)(\lambda-3)^2-4(\lambda-3) = (\lambda-1)(\lambda-2)(\lambda-5)
$$
因此,矩阵$A$的特征值为$\lambda_1=1$,$\lambda_2=2$,$\lambda_3=5$。
步骤 3:求矩阵A的特征向量
对于每个特征值,求解方程$(\lambda E-A)X=0$,得到对应的特征向量。
对于$\lambda_1=1$,求解方程$(E-A)X=0$,得到特征向量$P_1=\begin{pmatrix}0 \\ \frac{\sqrt{2}}{2} \\ -\frac{\sqrt{2}}{2}\end{pmatrix}$。
对于$\lambda_2=2$,求解方程$(2E-A)X=0$,得到特征向量$P_2=\begin{pmatrix}1 \\ 0 \\ 0\end{pmatrix}$。
对于$\lambda_3=5$,求解方程$(5E-A)X=0$,得到特征向量$P_3=\begin{pmatrix}0 \\ \frac{\sqrt{2}}{2} \\ \frac{\sqrt{2}}{2}\end{pmatrix}$。
步骤 4:构造正交矩阵Q
将特征向量$P_1$,$P_2$,$P_3$作为列向量,构造正交矩阵$Q$。
$$
Q = \begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 \\
\frac{\sqrt{2}}{2} & 0 & \frac{\sqrt{2}}{2} \\
-\frac{\sqrt{2}}{2} & 0 & \frac{\sqrt{2}}{2}
\end{pmatrix}
$$
步骤 5:求正交变换$AO=X$
经过正交变换$AO=X$,原二次型化为标准形${{y}_{1}}^{2}+2{{y}_{2}}^{2}+5{{y}_{3}}^{2}$。