Квадратичная форма
$ \mathbb A_<> $ означает одно из множеств: $ \mathbb Q_<> $ рациональных, или $ \mathbb R_<> $ вещественных, или $ \mathbb C_<> $ комплексных чисел.
Определение
Квадратичной формой над множеством $ \mathbb A_<> $ называют однородный полином второй степени с коэффициентами из $ \mathbb A_<> $; если переменные обозначить $ x_1,\dots,x_
Пример. Функции
$$x_1^2-x_1x_2+x_3^2 \, , \quad \sqrt<3>\, x_2^2 — \pi\, x_3^2 \, , \quad -x_1x_2 \, , \quad \mathbf i \, x_1^2$$ являются квадратичными формами. Функции $$x_1^2-3\, x_1+1 \, , \quad 5\, x_1^2x_2^2 \, , \quad \frac
Заметим, что в выражении для квадратичной формы присутствуют как квадраты переменных $ x_1^2,\dots,x_n^2 $ так и их смешанные произведения $ x_j x_k $. Говорят, что квадратичная форма $ f(x_1,\dots,x_
Оказывается, что в любой квадратичной форме можно так сгруппировать входящие в нее одночлены, что в результате получится ее (эквивалентное) представление в виде суммы квадратов.
Пример.
$$ 2\, x_1^2+4\, x_1x_2 +x_2^2 \equiv 2\, (x_1+x_2)^2-x_2^2 \equiv -2\,x_1^2 + (2\,x_1+x_2)^2 \ ; $$ $$ x_1^2+2 \mathbf i x_1x_2 — x_2^2 \equiv (x_1+ \mathbf i x_2)^2 \ ; $$ $$-x_1^2+6\,x_1x_2+6\,x_1x_3+2\,x_2^2+4\,x_2x_3+2\,x_3^2\equiv $$ $$ \equiv (x_1+x_2+x_3)^2-2\,(x_1-x_2-x_3)^2+3\,(x_2+x_3)^2 \equiv $$ $$\equiv -(x_1+3\,x_2+3\,x_3)^2+11\,(x_2+x_3)^2 \ ; $$ $$ x_1x_2 \equiv \frac<1> <4>(x_1+x_2)^2- \frac<1> <4>(x_1-x_2)^2 \ . $$
А в общем случае: $$ f(x_1,\dots,x_
Задача. Для произвольной квадратичной формы $ f(x_1,\dots,x_
$$ x^2 -2\,xy+3\,y^2+x-4\,y-15=0 $$ определить к какому типу (эллипс, гипербола, парабола,…) она относится.
Метод Лагранжа приведения квадратичной формы к каноническому виду
Существует универсальный алгоритм, приводящий произвольную квадратичную форму к каноническому виду.
1. Пусть $ f_<11>\ne 0 $. Выделим в $ f(x_1,\dots, x_n)_<> $ все слагаемые, содержащие $ x_ <1>$: $$ f_<11>x_1^2+f_<12>x_1x_2+ \dots +f_<1n>x_1x_n+ \sum_ <2\le j\le k \le n>f_
2. Если $ f_<11>=0 $, но $ \exists k:\ f_
3. Совсем исключительный случай: квадраты переменных вообще отсутствуют, т.е. $ f_<11>=\dots=f_
Пример. Привести форму
$$ f=4\,x_1^2+2\,x_2^2+x_3^2+x_4^2-4\,x_1x_2-4\,x_1x_3+4\,x_1x_4+4\,x_2x_3-4\,x_3x_4 $$ к каноническому виду.
Решение. $$ \begin
Ответ. $ f\equiv 4\,\left(x_1-\frac<1><2>\, x_2-\frac<1><2>\,x_3+ \frac<1><2>\,x_4\, \right)^2+ \left(x_2+x_3+x_4\, \right)^2-\left(x_3+ 2\, x_4\, \right)^2+3\,x_4^2 $.
Пример. Привести форму
$$ f=x_1^2+x_2^2-4\,x_3^2+2\,x_1x_2+6\,x_1x_3+4\,x_2x_3 $$ к каноническому виду.
Решение. $$ f\equiv (x_1+x_2+3\,x_3)^2-(x_2+3\,x_3)^2+x_2^2-4\,x_3^2+4\,x_2x_3 \equiv $$ $$ \equiv (x_1+x_2+3\,x_3)^2-2\,x_2x_3 -13\,x_3^2 \equiv $$ В соответствии с алгоритмом, на следующем шаге нужно выделять слагаемые, содержащие переменную $ x_ <2>$, но коэффициент при $ x_2^2 $ в правой части формулы обратился в нуль. Поэтому — в соответствии с пунктом 2 метода — приходится выделять квадрат на основе переменной $ x_ <3>$: $$ (x_1+x_2+3\,x_3)^2-13\, \left(x_3-\frac<1><13>x_2\right)^2+13\cdot \frac<1><13^2>x_2^2 \ . $$
Ответ. $ (x_1+x_2+3\,x_3)^2-13\, \left(x_3-\frac<1><13>x_2\right)^2+ \frac<1><13>x_2^2 $.
Пример. Привести форму
$$ f=x_1x_2-3\,x_1x_3+2\,x_2x_3 $$ к каноническому виду.
Решение. Коэффициенты при квадратах переменных все равны нулю. Действуем в соответствии с пунктом 3 метода Лагранжа. Поскольку коэффициент при $ x_1x_2 $ отличен от нуля, делаем замену переменной $ x_2=X_2-x_1 $ при $ X_2=x_1+x_2 $: $$ f\equiv -x_1^2+x_1X_2-5\,x_1x_3+2\,X_2x_3 \ . $$ Дальнейший ход решения — в соответствии с пунктом 1 метода Лагранжа: $$ -\left(x_1-\frac<1><2>X_2+\frac<5><2>x_3\right)^2+\left(-\frac<1><2>X_2+\frac<5><2>x_3\right)^2+2\,X_2x_3 \equiv $$ $$ \equiv -\left(x_1-\frac<1><2>X_2+\frac<5><2>x_3\right)^2+\frac<1><4>X_2^2-\frac<1><2>X_2x_3+\frac<25><4>x_3^2 \equiv $$ $$ \equiv -\left(x_1-\frac<1><2>X_2+\frac<5><2>x_3\right)^2+\frac<1><4>\left(X_2-x_3 \right)^2+6\,x_3^2 \ $$ Получили сумму квадратов форм от переменных $ x_1,X_2,x_3 $. Возвращаемся к переменной $ x_ <2>$:
Ответ. $ -(\frac<1><2>x_1-\frac<1><2>x_2+\frac<5><2>x_3)^2+\frac<1><4>(x_1+x_2-x_3)^2+6\,x_3^2 $.
Матричная форма записи квадратичной формы
Задача. Установить правило формирования коэффициентов канонического вида квадратичной формы, получающегося применением метода Лагранжа.
Прежде всего, соберем все переменные в один вектор, а вернее — в два вектора: $$ <>_ <.>\mbox < столбец переменных >X= \left(\begin
Если определить верхнетреугольную матрицу $ \mathbf F $ равенством: $$ <\mathbf F>= \left( \begin
Пример. $ f=x_1^2+x_2^2-4\,x_3^2+2\,x_1x_2+6\,x_1x_3+4\,x_2x_3 \equiv $
$$ \equiv (x_1,x_2,x_3) \left( \begin
Пример. Для приведенной выше квадратичной формы
$$ f=x_1^2+x_2^2-4\,x_3^2+2\,x_1x_2+6\,x_1x_3+4\,x_2x_3 $$ ее правильной записью будет именно последняя:
$$ f\equiv (x_1,x_2,x_3) \left( \begin
$ x_ <1>$ | $ x_ <2>$ | $ x_ <3>$ | |
---|---|---|---|
$ x_ <1>$ | $ f_ <11>$ | $ \frac<1><2>f_ <12>$ | $ \frac<1><2>f_ <13>$ |
$ x_ <2>$ | $ \frac<1><2>f_ <12>$ | $ f_ <22>$ | $ \frac<1><2>f_ <23>$ |
$ x_ <3>$ | $ \frac<1><2>f_ <13>$ | $ \frac<1><2>f_ <23>$ | $ f_ <33>$ |
Пример. Для
$$ f(x_1,x_2)=a_<11>x_1^2+2\, a_<12>x_1x_2+a_<22>x_2^2 $$ имеем: $$ <\mathbf A>= \left( \begin
Рассмотрим замены переменных в квадратичной форме, т.е. переход от переменных $ x_<1>,\dots,x_
Задача о нахождении канонического вида квадратичной формы $ X^<\top><\mathbf A>X $ может быть также переформулирована в терминах замены переменных: требуется найти такую матрицу $ C_<> $, чтобы матрица $ \mathbf B= C^<\top><\mathbf A>C $ оказалась диагональной: $$ \mathbf B= \left( \begin
Теорема. Для любой квадратичной формы над $ \mathbb A $ существует невырожденная линейная замена переменных $ X=CY $ такая, что преобразованная квадратичная форма $ \widetilde f(Y) $ имеет канонический вид.
Вернемся к примерам предыдущего пункта, перепишем их на матричном языке.
Пример. Для формы
$$ f(x_1,x_2,x_3,x_4)= $$ $$=4\,x_1^2+2\,x_2^2+x_3^2+x_4^2-4\,x_1x_2-4\,x_1x_3+4\,x_1x_4+4\,x_2x_3-4\,x_3x_4 $$ замена переменных осуществляется формулами
$$ \begin
Для формы $$ f(x_1,x_2,x_3)=x_1^2+x_2^2-4\,x_3^2+2\,x_1x_2+6\,x_1x_3+4\,x_2x_3 $$ замена переменных уже не имеет треугольного вида: $$ \begin
Поставленную в начале пункта задачу об установлении структуры канонического вида квадратичной формы попытаемся решить сначала для случая когда замену переменных можно подобрать именно в треугольном виде.
Метод Лагранжа и метод Гаусса
Пример. Рассмотрим матрицу квадратичной формы
из предыдущих пунктов, и, временно выходя из круга поставленных в настоящем разделе задач, попробуем применить к ней метод Гаусса приведения к треугольному виду: $$ \left( \begin
Для того, чтобы выяснить аналитический смысл преобразований по методу Лагранжа найдем правило формирования коэффициентов в первом шаге приведения квадратичной формы к каноническому виду. Пусть исходная квадратичная форма записана в виде $$ f(x_1,\dots,x_
Теорема. Метод Лагранжа приведения квадратичной формы $ X^<\top><\mathbf A>X $ к каноническому виду эквивалентен методу Гаусса приведения матрицы $ <\mathbf A>$ к треугольному виду.
Доказательство. Действительно, первый шаг прямого хода метода исключения переменных Гаусса преобразует матрицу $ \mathbf A $ следующим образом: $$ \left( \begin
Формула Якоби
Теорема [Якоби]. Квадратичная форма $ f(X)=X^<\top><\mathbf A>X $ с симметричной матрицей $ <\mathbf A>$, ранг которой равен $ \mathfrak r_<> $, а главные миноры $ \<\det \mathbf A_j \>_
$$ \frac
Пример. Для квадратичной формы $$ f(x_1,x_2,x_3,x_4)= $$
Легко убедиться, что это — проявление общего правила. Выражение для $$ z_
Квадратичная форма $ f(X)=X^<\top><\mathbf A>X $ с симметричной матрицей $ <\mathbf A>$, ранг которой равен $ \mathfrak r_<> $, а главные миноры $ \<\det \mathbf A_j \>_
$$ y_1^2 \det \mathbf A_1 + y_2^2\frac<\det \mathbf A_2> < \det \mathbf A_1>+y_3^2\frac<\det \mathbf A_3> <\det \mathbf A_2>+\dots+y_<\mathfrak r>^2 \frac<\det \mathbf A_<\mathfrak r>><\det \mathbf A_<\mathfrak r-1>> \ ; $$ при этом линейные относительно переменных $ x_1,\dots,x_n $ формы $ \
При $ \mathfrak r = n $ матрица $ \tilde C_<> $ из предыдущей формулы становится верхнетреугольной: $$ Y=\tilde C X \, ; $$ при этом на главной диагонали будут стоять $ 1 $. Обратная к матрице такого вида имеет ту же структуру — и матрица $ C=\tilde C^ <-1>$ является матрицей, которая встретилась нам в предыдущем ПУНКТЕ.
Теорема. Квадратичная форма $ f(X)=X^<\top><\mathbf A>X $ при симметричной неособенной матрице $ <\mathbf A>$ приводится к каноническому виду заменой переменных, задаваемой верхней унитреугольной матрицей
$$ X=CY \quad npu \ C= \left( \begin
Закон инерции для квадратичных форм
Для заданной квадратичной формы канонические виды, т.е. представления в виде сумм квадратов, можно построить разными способами. Выясним, какие характеристики являются общими (инвариантными) для этих представлений.
Ранг квадратичной формы
Предположим, что с помощью какой-либо невырожденной замены переменных мы привели квадратичную форму к каноническому виду: $$\widetilde f(Y)=\alpha_1y_1^2+\dots+\alpha_n y_n^2 \ .$$ Может так случиться, что часть коэффициентов $ \<\alpha_j \>_
Рангом квадратичной формы называется ранг ее матрицы: $$\operatorname
Теорема. Ранг квадратичной формы не меняется при невырожденных заменах переменных:
$$ \operatorname
Доказательство основано на следствии к теореме $ 2 $, приведенной ☞ ЗДЕСЬ: ранг матрицы не меняется при домножении ее на произвольную неособенную.
Ранг квадратичной формы равен числу ненулевых коэффициентов в ее каноническом виде.
Закон инерции
Число положительных (или отрицательных) коэффициентов в каноническом виде квадратичной формы $ f_<>(X) $ называется ее положительным (соответственно, отрицательным) индексом инерции. Буду обозначать эти индексы 4) $$n_<+>(f) \quad \mbox < и >\quad n_<->(f) \ . $$ Разность 5) $$\sigma (f) = n_<+>(f)-n_<->(f)$$ называется сигнатурой квадратичной формы (а также сигнатурой соответствующей ей симметричной матрицы).
Теорема [закон инерции]. Индексы инерции не зависят от способа приведения квадратичной формы к каноническому виду.
Доказательство ☞ ЗДЕСЬ.
Пример. Найти ранг и сигнатуру квадратичной формы $ f(x_1,x_2,x_3)=x_1x_2-x_2x_3 $.
Решение. Приводим квадратичную форму к каноническому виду по методу Лагранжа: $$f=\frac<1> <4>\,(x_1+x_2-x_3)^2 — \frac<1> <4>\,(x_1-x_2-x_3)^2 \ .$$
Ответ. $ \operatorname
В предположении, что ранг матрицы $ \mathbf A_<> $ равен $ \mathfrak r_<> $, а ее главные миноры $ \< \det <\mathbf A>_j \>_
$$ n_<+>(f)=<\mathcal P>(1,\det <\mathbf A>_1,\dots, \det <\mathbf A>_<\mathfrak r>),\ n_<->(f)=<\mathcal V>(1,\det <\mathbf A>_1,\dots, \det <\mathbf A>_<\mathfrak r>)\ . $$ Здесь $ <\mathcal P>_<> $ — число знакопостоянств, а $ <\mathcal V>_<> $ — число число знакоперемен в последовательности. Для сигнатуры квадратичой формы также справедлива и формула $$ \sigma (f)= \sum_
Доказательство следует из формулы Якоби.
Правило вычисления сигнатуры из предыдущей теоремы остается справедливым и в случае, если в последовательности главных миноров $ \< \det <\mathbf A>_j \>_
$$ \det (\mathbf A_
Пример. Найти ранг и сигнатуру квадратичной формы
$$f_ <<\color
Решение. Сначала пробуем применить формулу из последнего следствия: $$\det <\mathbf A>_1=3,\ \det <\mathbf A>_2=3\, <\color
Рассмотренный только что пример относится к общей задаче оценки влияния параметров на характеристики квадратичной формы:
Как меняются ранг и сигнатура при непрерывном изменении параметров?
Пусть квадратичная форма зависит от параметров $ \alpha, \beta, \dots $, причем эта зависимость — полиномиальная. Пусть при некотором наборе вещественных значений параметров все главные миноры матрицы квадратичной формы отличны от нуля. Тогда ранг и сигнатура квадратичной формы могут быть вполне определены знаками этих миноров посредством формулы из следствия к закону инерции. Поскольку элементы миноров полиномиально зависят от параметров, то мы получаем систему неравенств, которую (при необходимости домножением некоторых неравенств на $ (-1) $) можно переписать в виде $$ G_1(\alpha,\beta,\dots) > 0, \dots, G_n(\alpha,\beta,\dots) > 0 \ . $$ Здесь $ G_1,\dots, G_n $ — полиномы от $ \alpha,\beta,\dots $. Если при некотором наборе значений $ \alpha=\alpha_0, \beta=\beta_0, \dots $ эта система удовлетворена, при непрерывной вариации этих параметров $ \alpha_0+\delta_<\alpha>, \beta_0 + \delta_<\beta>,\dots $ какое из неравенств системы нарушится в первую очередь, т.е. раньше остальных? Иными словами: какое из неравенств системы самое важное? — Оказывается, последнее.
Теорема[2]. Пусть $ f_ <<\color
Справедливо и более общее утверждение.
Теорема[1,5]. Если при непрерывном изменении коэффициентов формы $ f_<> $ ее ранг $ <\mathfrak r>_<> $ остается неизменным, то не изменяется и ее сигнатура $ \sigma_<>(f) $.
В случае, когда главные миноры матрицы $ \mathbf A $ обращаются в нуль, к анализу канонического вида квадратичной формы приходится привлекать «тяжелую артиллерию» в виде ведущих миноров. Но, по крайней мере, один теоретический результат можно сформулировать немедленно.
Теорема. В произвольной квадратичной форме $ f(X) $ ранга $ \mathfrak r\ge 1 $ можно так перенумеровать переменные, чтобы в матрице получившейся квадратичной формы $ \tilde f(Y) $ в последовательности главных миноров
$$ \det \widetilde<\mathbf A>_1, \dots, \det \widetilde<\mathbf A>_ < \mathfrak r>$$ не было двух подряд идущих нулевых и $ \det \widetilde<\mathbf A>_ < \mathfrak r>\ne 0 $.
Конгруэнтность квадратичных форм
Матрицы $ <\mathbf A>$ и $ <\mathbf B>$, связанные соотношением $ <\mathbf B>=C^<\top><\mathbf A>C $ при некоторой неособенной матрице $ C $, называются конгруэнтными: $ <\mathbf A>\cong <\mathbf B>$. Если, вдобавок, матрицы $ <\mathbf A>$ и $ <\mathbf B>$ симметричны, то конгруэнтными называются и соответствующие им квадратичные формы $ X^<\top><\mathbf A>X $ и $ X^<\top><\mathbf B>X $.
Теорема. Квадратичные формы $ X^<\top><\mathbf A>X $ и $ X^<\top><\mathbf B>X $ конгруэнтны тогда и только тогда, когда совпадают их индексы инерции, или, что то же, равны их ранги и сигнатуры.
Из всего разнообразия канонических видов квадратичной формы выберем самый простой, именно тот, коэффициенты которого равны $ +1 $ или $ (-1) $. Например, если квадратичная форма $ f(X) $ уже приведена к каноническому виду $$\widetilde f(Y)=\alpha_1y_1^2+\dots+\alpha_ <\mathfrak r>y_<\mathfrak r>^2 \ .$$ то преобразование $$y_j=\frac
Множество всех квадратичных форм с вещественными коэффициентами можно разбить на классы эквивалентности, в каждом из которых будут находиться только конгруэнтные между собой формы. Каждый из классов полностью описывается каким-то из своих представителей. Таким представителем можно взять нормальный вид.
Какое преобразование квадратичной формы оставляет ее инвариантной?
Теорема [Эрмит]. Квадратичная форма $ X^<\top><\mathbf A>X $ переходит в себя при преобразовании
Знакоопределенность
Квадратичная форма $ f_<>(X) $ называется
а) неотрицательной если $ f(X)\ge 0 $ для любого $ X\in \mathbb R^n $;
б) положительно определенной, если она неотрицательна и $ f(X)= 0 $ только при $ X=\mathbb O_<> $;
в) неопределенной или знакопеременной, если существуют $ \
Оказывается условие положительной определенности формы $ f $ является необходимым и достаточным для обеспечения подобного свойства в произвольном пространстве $ \mathbb R^n $. И это утверждение верно не только для квадратичной формы, но и для однородного полинома (формы) произвольного порядка.
Задача об условных экстремумах квадратичной формы $ f_<>(X) $ на сфере $ x_1^2+\dots+x_n^2 =1 $ решается ☞ ЗДЕСЬ.
Пример. В произвольном евклидовом пространстве $ \mathbb E $ квадратичная форма с матрицей Грама произвольной системы векторов $ \
Задача. Найти условия неотрицательности и положительной определенности квадратичной формы в терминах ее коэффициентов.
Очевидны необходимые условия неотрицательности квадратичной формы $$ f(X)=\displaystyle \sum_ <1\le j \le k \le n>f_
Теорема. Ненулевая квадратичная форма, представленная в правильном виде
$$ f(X)=X^<\top><\mathbf A>X \, , $$ будет неотрицательной тогда и только тогда, когда ее отрицательный индекс инерции равен нулю: $$ n_ <->(<\mathbf A>)=0 \qquad \iff \qquad \qquad \sigma ( <\mathbf A>)=\operatorname
Доказательство ☞ ЗДЕСЬ.
К счастью, явное представление канонического вида квадратичной формы уже имеется — как правило, он задается формулой Якоби. Индексы инерции вычисляются через знаки главных миноров матрицы квадратичной формы.
Теорема [Сильвестр]. Квадратичная форма
$$ f(X)=X^<\top><\mathbf A>X $$ будет положительно определенной тогда и только тогда, когда все главные миноры ее матрицы положительны: $$ a_<11>>0, \ \left| \begin
Доказательство ☞ ЗДЕСЬ.
Квадратичная форма будет отрицательно определенной тогда и только тогда, когда знаки главных миноров ее матрицы будут чередоваться следующим образом:
Пример. Найти все значения параметра $ <\color
$$2\, x_1^2+2\, x_2^2+x_3^2+ 2\, <\color
Решение. Значения главных миноров: $$\det <\mathbf A>_1=2,\ \det <\mathbf A>_2=4- <\color
Ответ. Таких значений нет: $ <\color
Можно ли получить условия неотрицательности квадратичной формы: $$ f(X) \ge 0 \ npu \ \forall X \in <\mathbb R>^n $$ превращением всех неравенств из критерия Сильвестра в нестрогие: $ > \ \to <\color
Пример. Квадратичная форма
$$f(x_1,x_2,x_3,x_4)=x_1^2+2x_1x_3+2x_2x_4+x_4^2= X^ <\top>\left( \begin
Имеются ли конструктивные необходимые и достаточные условия неотрицательности квадратичной формы?
Теорема. Для неотрицательности квадратичной формы $ X^ <\top>\mathbf A X $ необходимо и достаточно, чтобы все ведущие миноры матрицы $ \mathbf A $, т.е. миноры, стоящие на пересечении строк и столбцов матрицы с одинаковыми номерами
$$ A\left( \begin
Теорема. Пусть линейное подпространство задано системой линейных однородных уравнений
$$ \left\< \begin
Пример. Найти ортогональную замену переменных, приводящую квадратичную форму
$$ X^ <\top>\mathbf A X \quad npu \quad <\mathbf A>=\left(\begin
Решение. Характеристический полином $ \det (\mathbf A- \lambda E)=-(\lambda-3)^2(\lambda+3) $. Простому собственному числу $ \lambda=-3 $ соответствует собственный вектор $ <\mathfrak X>_1=[1,-2,1]^<^<\top>> $, а собственному числу $ \lambda=3 $ второй кратности соответствуют два линейно-независимых собственных вектора $ <\mathfrak X>_2=[2,1,0]^<^<\top>> $ и $ <\mathfrak X>_3=[-1,0,1]^<^<\top>> $. Очевидно, что $ \langle <\mathfrak X>_1, <\mathfrak X>_2\rangle=0 , \langle <\mathfrak X>_1, <\mathfrak X>_3 \rangle =0 $, но $ \langle <\mathfrak X>_2, <\mathfrak X>_3 \rangle \ne 0 $. Ортогонализуем систему векторов $ \left\<<\mathfrak X>_2,<\mathfrak X>_3\right\> $: $$<\mathfrak Y>_2=<\mathfrak X>_2, <\mathfrak Y>_3=<\mathfrak X>_3+ <\color
Теорема. Если известны коэффициенты характеристического полинома матрицы квадратичной формы $ f(X)=X^<\top>\mathbf A X $:
$$ \det (\mathbf A- \lambda E) \equiv (-1)^n \left(\lambda^n+a_<1>\lambda^
Доказательство основано на правиле знаков Декарта.
Геометрия замен переменных
В предыдущих пунктах мы рассмотрели два подхода к построению канонического вида квадратичной формы. Очевидно, что подход, основанный на ортогональной замене переменных более дорогостоящий в построении по сравнению с методом Лагранжа. В самом деле, он требует нахождения собственных чисел симметричной матрицы, т.е. решения алгебраического уравнения $ \det (\mathbf A — \lambda E)=0 $. В случае матриц порядка $ n> 4 $ корни этого уравнения, как правило, на находятся в виде «хорошей» комбинации коэффициентов, и могут быть определены разве лишь приближенно. Метод же Лагранжа принципиально безошибочен: коэффициенты канонического вида определяются в виде рациональных функций от коэффициентов квадратичной формы.
Пример. Уравнение $ 1/3x_1^2-x_1x_2+x_2^2=1 $ задает на плоскости эллипс:
Преобразование $$ y_1=x_1-3/2x_2, y_2=x_2 $$ приводит уравнение к виду $$ 1/3 y_1^2+1/4 y_2^2=1 ; $$ в новых координатах кривая имеет вид на рисунке слева. С другой стороны, преобразование $$ \begin
Оба преобразования координат не изменяют типа кривой: эллипс остается эллипсом. Но второе преобразование дает нечто большее: оно сохраняет размеры. Фактически, оно сводится к повороту исходного эллипса.
Вывод. Метод Лагранжа «дешевле» метода ортогональных преобразований при решении задачи классификации алгебраических многообразий, заданных уравнением вида $ X^ <\top>\mathbf A X=1 $. Иными словами, он позволяет «дешевле» определить тип поверхности с точностью до ее формы: например, в $ \mathbb R^3 $ является ли эта поверхность эллипсоидом или гиперболоидом (и каким именно — однополостным или двуполостным)? Но если нас интересуют истинные размеры этой поверхности: например, размеры посылочного ящика, в который эллипсоид, заданный уравнением $ X^ <\top>\mathbf A X=1 $, можно было бы поместить — то здесь без собственных векторов и чисел матрицы $ \mathbf A $ не обойтись!
WolframAlpha по-русски
Математика с WolframAlpha ® . Объяснения с примерами.
Приведение матрицы к ступенчатому виду: пошаговое решение в Wolfram|Alpha
Приведение матрицы к ступенчатому виду — промежуточный этап при решении систем линейных алгебраических уравнений, нахождения обратной матрицы, других задач линейной алгебры. Приведение матрицы к ступенчатому виду также называют преобразованием Гаусса-Жордана.
Для приведения матрицы к ступенчатому виду «вручную» к строкам матрицы применяются элементарные преобразования: строки матрицы можно менять местами, умножать или делить на ненулевое число, складывать и вычитать. В Wolfram|Alpha для приведения матрицы к ступенчатому виду служит запрос row reduce, например:
Чтобы получить пошаговое решение Вы должны заранее зарегистрироваться в Wolfram|Alpha и войти в свой аккаунт.
Полученное решение можно рассматривать пошагово, нажимая последовательно кнопку «Next step» («Следующий шаг»):
Нажав кнопку «Show all steps» («Показать все шаги») сразу получим полное решение:
Для квадратной невырожденной матрицы в результате приведения матрицы к ступенчатому виду получим диагональную матрицу с единицами по главной диагонали:
Помните, для получения пошагового решения Вам нужно войти в свой аккаунт в Wolfram|Alpha. Обратите внимание: Wolfram|Alpha предупреждает Вас, что пользователь бесплатного аккаунта может получить не более 3-х пошаговых решений в течение суток.
Вот, как выглядит полное решение в этом случае:
Приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными второго порядка
Федеральное агентство по образованию
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, экономики и информатики
Кафедра дифференциальных и интегральных уравнений
ПРИВЕДЕНИЕ К КАНОНИЧЕСКОМУ ВИДУ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ ВТОРОГО ПОРЯДКА
Приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными 2-го порядка с двумя независимыми переменными …………………………………………………………………………
1.1. Необходимый теоретический материал………………………..
1.2. Пример выполнения задачи1 (приведение к
каноническому виду уравнений гиперболического типа) .
1.3. Пример выполнения задачи 2 (приведение к
каноническому виду уравнений параболического типа)
1.4. Пример выполнения задачи 3 (приведение к
каноническому виду уравнений эллиптического типа) ..
1.5. Задачи для самостоятельного решения ………………….….
Упрощение группы младших производных
для уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами
2.1. Необходимый теоретический материал …………………..
2.2. Пример выполнения задачи 4
2.3. Задачи для самостоятельного решения ……………………..
В настоящих методических указаниях изложен теоретический материал и на конкретных примерах разобрано приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными второго порядка с двумя независимыми переменными для уравнений гиперболического, эллиптического и параболического типов.
Методические указания предназначены для студентов математических специальностей очной и заочной формы обучения.
§1. Приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными 2-го порядка с двумя независимыми переменными.
Задача. Определить тип уравнения
(1)
и привести его к каноническому виду.
1.1. Необходимый теоретический материал.
I. Тип уравнения (1) определяется знаком выражения :
· если в некоторой точке, то уравнение (1) называется уравнением гиперболического типа в этой точке;
· если в некоторой точке, то уравнение (1) называется уравнением эллиптического типа в этой точке;
· если в некоторой точке, то уравнение (1) называется уравнением параболического типа в этой точке.
Уравнение (1) будет являться уравнением гиперболического, эллиптического, параболического типа в области D, если оно гиперболично, эллиптично, параболично в каждой точке этой области.
Уравнение (1) может менять свой тип при переходе из одной точки (области) в другую. Например, уравнение является уравнением эллиптического типа в точках ; параболического типа в точках ; и гиперболического типа в точках .
II. Чтобы привести уравнение к канонического виду, необходимо:
1. Определить коэффициенты ;
2. Вычислить выражение ;
3. Сделать вывод о типе уравнения (1) (в зависимости от знака выражения );
4. Записать уравнение характеристик:
; (2)
5. Решить уравнение (2). Для этого:
а) разрешить уравнение (2) как квадратное уравнение относительно dy:
; (3)
б) найти общие интегралы уравнений (3) (характеристики уравнения (1)):
· (4)
в случае уравнения гиперболического типа;
· , (5)
в случае уравнения параболического типа;
· , (6)
в случае уравнения эллиптического типа.
6. Ввести новые (характеристические) переменные и :
· в случае уравнения гиперболического типа в качестве и берут общие интегралы (4) уравнений (3), т. е.
· в случае уравнения параболического типа в качестве берут общий интеграл (5) уравнения (3), т. е. , в качестве берут произвольную, дважды дифференцируемую функцию , не выражающуюся через , т. е. ;
· в случае уравнения эллиптического типа в качестве и берут вещественную и мнимую часть любого из общих интегралов (6) уравнений (3):
7. Пересчитать все производные, входящие в уравнение (1), используя правило дифференцирования сложной функции:
,
,
, (7)
,
.
8. Подставить найденные производные в исходное уравнение (1) и привести подобные слагаемые. В результате уравнение (1) примет один из следующих видов:
· в случае уравнения гиперболического типа:
;
· в случае уравнения параболического типа:
;
· в случае уравнения эллиптического типа:
.
1.2. Пример выполнения задачи 1.
Определить тип уравнения
и привести его к каноническому виду.
1. Определим коэффициенты :
2. Вычислим выражение :
.
3. уравнение гиперболического типа во всей плоскости XOY.
4. Запишем уравнение характеристик:
. (9)
5. Решим уравнение (9). Для этого:
а) разрешаем уравнение (9) как квадратное уравнение относительно dy: ;
;
(10)
б) найдём общие интегралы уравнений (10) (характеристики уравнения (9)):
6. Введём характеристические переменные:
7. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.
Используя формулы (7), получим:
Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (8) при соответствующих производных.
8. Собирая подобные слагаемые, получим:
Или после деления на -100 (коэффициент при ):
Ответ. Уравнение (8) является уравнением гиперболического типа на всей плоскости XOY. Канонический вид
где
1.3. Пример выполнения задачи 2.
Определить тип уравнения
и привести его к каноническому виду.
1. Определим коэффициенты . В нашем примере они постоянны:
2. Вычислим выражение :
.
3. уравнение параболического типа во всей плоскости XOY.
4. Запишем уравнение характеристик:
. (12)
5. Решим уравнение (12). Для этого:
а) разрешаем уравнение (9) как квадратное уравнение относительно dy. Однако в этом случае левая часть уравнения является полным квадратом:
;
(13)
б) имеем только одно уравнение характеристик (13). Найдём его общий интеграл (уравнения параболического типа имеют только одно семейство вещественных характеристик):
6. Введём характеристические переменные: одну из переменных вводим как и ранее
а в качестве берут произвольную, дважды дифференцируемую функцию, не выражающуюся через , пусть
;
7. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.
Используя формулы (7), получим:
Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (11) при соответствующих производных.
8. Собирая подобные слагаемые, получим:
Функцию, стоящую в правой части уравнения (11) необходимо также выразить через характеристические переменные.
После деления на 25 (коэффициент при ):
Ответ. Уравнение (11) является уравнением параболического типа на всей плоскости XOY. Канонический вид
где
1.4. Пример выполнения задачи 3.
Определить тип уравнения
(14)
и привести его к каноническому виду.
1. Определим коэффициенты :
2. Вычислим выражение :
.
3. уравнение эллиптического типа во всей плоскости XOY.
4. Запишем уравнение характеристик:
. (15)
5. Решим уравнение (15). Для этого:
а) разрешаем уравнение (15) как квадратное уравнение относительно dy: ; (16)
б) уравнения (16) – это пара комплексно-сопряженных уравнений. Они имеют пару комплексно-сопряженных общих интегралов. (Уравнения эллиптического типа не имеют вещественных характеристик)
(17)
6. Введём характеристические переменные как вещественную и мнимую части одного из общих интегралов (17):
7. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.
Используя формулы (7), получим:
Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (14) при соответствующих производных.
8. Собирая подобные слагаемые, получим:
Или после деления на 4 (коэффициент при и ):
Ответ. Уравнение (14) является уравнением эллиптического типа на всей плоскости XOY. Канонический вид
где
1.5. Задачи для самостоятельного решения.
Определить тип уравнения и привести его к каноническому виду.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Определить тип уравнения и привести его к каноническому виду.
Определить тип уравнения и привести его к каноническому виду.
§2. Упрощение группы младших производных
для уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами
2. 1. Необходимый теоретический материал
В самом общем виде линейное уравнение с частными производными второго порядка с двумя независимыми переменными имеет вид
(1)
Преобразованием независимых переменных группа старших производных уравнения может быть упрощена. Уравнение (1) приводится к одному из следующих видов
· в случае уравнения гиперболического типа:
; (11)
· в случае уравнения параболического типа:
; (12)
· в случае уравнения эллиптического типа:
. (13)
Если коэффициенты исходного уравнения постоянны, то для дальнейшего упрощения уравнения любого типа нужно сделать замену неизвестной функции
, (14)
где — новая неизвестная функция, — параметры, подлежащие определению. Такая замена не «испортит» канонического вида, но при этом позволит подобрать параметры так, чтобы из трех слагаемых группы младших производных в уравнении осталось только одно. Уравнения гиперболического, параболического и эллиптического типов соответственно примут вид
;
;
.
Чтобы реализовать замену (14) в уравнениях (11), (12), (13), необходимо пересчитать все производные, входящие в эти уравнения по формулам
(15)
Подробно рассмотрим этот процесс на примере уравнения гиперболического типа, т. е. уравнения (11). Пересчитаем производные, входящие в это уравнение, используя формулы (15).
Здесь слева расставлены соответствующие коэффициенты уравнения (11). Собирая подобные слагаемые, получим
. (16)
В уравнении (16) приравняем к нулю коэффициенты при и
Откуда Подставив эти значения параметров в уравнение (16) и разделив его на , придем к уравнению
,
где .
2.2. Пример выполнения задачи 4
к каноническому виду и упростить группу младших производных.
9. Определим коэффициенты :
10. Вычислим выражение :
.
11. уравнение эллиптического типа во всей плоскости XOY.
12. Запишем уравнение характеристик:
. (18)
5. Решим уравнение (18). Для этого:
а) разрешаем уравнение (18) как квадратное уравнение относительно dy: ;
; (19)
б) найдём общие интегралы уравнений (19) (характеристики уравнения (17)):
6. Введём характеристические переменные:
13. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.
Используя формулы (7), получим:
Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (17) при соответствующих производных.
14. Собирая подобные слагаемые, получим:
(20)
Теперь с помощью замены неизвестной функции (14)
упростим группу младших производных.
Пересчитаем производные, входящие в уравнение (20), используя формулы (15).
Здесь слева расставлены соответствующие коэффициенты уравнения (20). Собирая подобные слагаемые, получим
. (21)
В уравнении (21) приравняем к нулю коэффициенты при и
Откуда Подставив эти значения параметров в уравнение (21) и разделив его на , придем к уравнению
.
Ответ. Уравнение (20) является уравнением эллиптического типа на всей плоскости XOY. Его канонический вид
,
где .
2.3. Задачи для самостоятельного решения
Задача 4. Привести уравнения к каноническому виду и упростить группу младших производных.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
http://www.wolframalpha-ru.com/2013/01/wolframalpha_2816.html
http://pandia.ru/text/80/113/36843.php