Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634558)
Контекстум
.

Билинейная и квадратичная формы (110,00 руб.)

0   0
Первый авторГлушакова Татьяна Николаевна
АвторыЛазарев Константин Петрович
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц26
ID603889
АннотацияУчебно-методическое пособие подготовлено на кафедре вычислительной математики и прикладных информационных технологий факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета.
Кому рекомендованоРекомендуется для студентов 1-го курса всех форм обучения факультета прикладной математики, информатики и механики
Глушакова, Т.Н. Билинейная и квадратичная формы / К.П. Лазарев; Т.Н. Глушакова .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2016 .— 26 с. — 26 c. — URL: https://rucont.ru/efd/603889 (дата обращения: 18.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Т.Н. Глушакова, К.П. Лазарев БИЛИНЕЙНАЯ И КВАДРАТИЧНАЯ ФОРМЫ Учебно-методическое пособие для вузов Воронеж Издательский дом ВГУ 2016 1 Утверждено научно-методическим советом факультета прикладной математики, информатики и механики 5 ноября 2015 г., протокол № 2 Рецензент – доктор технических наук, доцент Ю.В. Бондаренко Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре вычислительной математики и прикладных информационных технологий факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета. <...> Рекомендуется для студентов 1-го курса всех форм обучения факультета прикладной математики, информатики и механики Для направлений: 01.03.02 – Прикладная математика и информатика, 02.04.03 – Механика и математическое моделирование, 2 СОДЕРЖАНИЕ 1. <...> Способы приведения квадратичной формы к каноническому виду . <...> Билинейная форма Пусть E – n -мерное линейное пространство. <...> Таким образом, билинейная форма линейна по первому аргументу при фиксированном втором и наоборот. <...> Пусть ты x y E∈, e e1, 2, – базис линейного пространства E. <...> Обозначим через матрицу перехода от старого базиса новому базису { } 1=′ej базису n j n {ei i 1} = , получим . <...> Рангом билинейной формы называется ранг матриk( )x на E ( Ex∈ называет) – билинейная форма. <...> Элементы iia стоят на главной диагонали, коэффициенты при смешанном произведении xix делятся пополам и записываются j на ij и ji местах. <...> Две квадратичные формы называются эквивалентными, если совпадают ранги этих форм и сигнатура. <...> Рангом квадратичной формы называется ранг ее симметрической матрицы. <...> Две квадратичные формы от n неизвестных с действительными коэффициентами тогда и только тогда переводятся друг в друга 6 2 xk 1 2 Опишем, как строится матрица квадратичной формы. <...> Запись квадратичной формы в виде <...>
Билинейная_и_квадратичная_формы.pdf
Стр.1
Стр.3
Стр.6
Стр.7
Стр.8
Стр.9
Стр.10
Билинейная_и_квадратичная_формы.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Т.Н. Глушакова, К.П. Лазарев БИЛИНЕЙНАЯ И КВАДРАТИЧНАЯ ФОРМЫ Учебно-методическое пособие для вузов Воронеж Издательский дом ВГУ 2016 1
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ 1. Билинейная форма ............................................................................... 4 2. Квадратичная форма ............................................................................ 5 2.1. Понятие квадратичной формы ......................................................... 5 2.2. Способы приведения квадратичной формы к каноническому виду .................................................................................................................... 7 2.2.1. Метод Лагранжа ............................................................................. 7 2.2.2. Метод Якоби ................................................................................. 11 2.2.3. Метод ортогональных преобразований ..................................... 12 2.2.3.1. Вспомогательные утверждения ............................................... 12 2.2.3.2. Алгоритм метода ортогональных преобразований ............... 13 2.3. Закон инерции квадратичной формы ............................................ 18 2.4. Классификация квадратичных форм ............................................ 21 Библиографический список .................................................................. 25 3
Стр.3
Из (1.1) следует, что b x x x R n∈ .  B =      1 0 ... Пусть в nR базис выбран из собственных векторов матрицы B, тогда  0 ... 0 2 ... ... 0 ...  0 0 ... ...     n   видом квадратичной формы. Квадратичную форму можно представить в нормальном виде: 2 k x = + + − + − − xn . ( ) x1  xk 2 Так как x x = x x i , то a == , поэтому матрица квадратичной форi j j ij k x) = aij xx a ji n (.i i=1 j мы – симметрическая. Элементы iia стоят на главной диагонали, коэффициенты при смешанном произведении xix делятся пополам и записываются j на ij и ji местах. Пример 2.1. Построить матрицу квадратичной формы k x = ( ) 5x1 + 3x + + 4x x +12x x + x x . 2 2 2 x A = 2 3      1 2 6 4 1 2 3 4 5 2 6     1 3 8 2 3 С учетом вышесказанного, матрица квадратичной формы имеет вид  . Определение 2.2. Сигнатура – разность между числом положительных и отрицательных коэффициентов квадратичной формы в каноническом виде. Определение 2.3. Две квадратичные формы называются эквивалентными, если совпадают ранги этих форм и сигнатура. Определение 2.4. Рангом квадратичной формы называется ранг ее симметрической матрицы. Теорема 2.1. Две квадратичные формы от n неизвестных с действительными коэффициентами тогда и только тогда переводятся друг в друга 6 2 xk 1 2 Опишем, как строится матрица квадратичной формы. Пусть квадратичная форма имеет вид и k x = x1 ( ) ( ,..., xn )      1 ... ... 0 ... 0 ... ... n           x x 1 ... = 1 1x + + nxn n      2 ... 2 . (2.1) Запись квадратичной формы в виде (2.1) называется каноническим b x y = − ( ) − ( ) ( , ) = T ( , ) k x k y + k x y 2 ( + ) . x Bx , где B – симметрическая матрица, λ λ λ λ λ λ λ
Стр.6
невырожденными действительными линейными преобразованиями, когда эти формы эквивалентны. Утверждение 2.1. Если квадратичные формы эквивалентны, то нормальные виды квадратичных форм совпадают. 2.2. Способы приведения квадратичной формы к каноническому виду Теорема 2.2. Для любой квадратичной формы существует невырожденное линейное преобразование, которое приводит ее к каноническому виду. Существуют три способа приведения квадратичной формы к каноническому виду: 1) метод Лагранжа (метод полных квадратов); 2) метод Якоби; 3) метод ортогональных преобразований. Рассмотрим каждый из указанных способов. 2.2.1. Метод Лагранжа (метод полных квадратов) Метод Лагранжа состоит в следующем. 1) Сначала находим слагаемое, содержащее квадрат. Пусть это слагаемое имеет вид полняем их до полного квадрата, который обозначим через 2 подобные слагаемые. Среди оставшихся слагаемых с jx 1 например, jk xx j k , то делаем замену q j yp y ii ix . Затем выписываем все члены, содержащие ix , и доy . Приводим ( j ≠ находим 2 i ) слагаемое, содержащее квадрат, и повторяем предыдущие рассуждения. 2) Если слагаемых с квадратами нет, а смешанные произведения есть, x = + , k x = x1 + 6 x x1 2 + 5x ( ) 2 2 2 xk = − y q yp и повторяем рассуждения первого пункта. Пример 2.2. Привести к каноническому виду квадратичную форму 2 4 − 4 x x + 4 x 1 3 квадрата: x1 + 6x x − 4x x = + x1 ⋅ x2 − x3 − 2 1 2 1 3 x1 2 − ⋅2 3 ( 2 ) 9x − 4x = +12x x − 9x − x . 2 2 2 3 y1 2 ( 2 ) (x1 2 3 2 2 4 2 3 2 3x2 + x1 − x3 = + 3x2 − x32 ) − 2 2 2) Подставим полученное выражение вместо слагаемых с 1x и приведем подобные слагаемые, получим: 7 2 3 − 4 x x2 4 − 8x x3 4 − x методом Лагранжа. 1) Выпишем все члены, содержащие 1x , и дополним их до полного α α
Стр.7
k x = +12x x − 9x − 4x + 5x + 4x − 4x x − 8x x − = = +12x x − 4x − 4x x − 8x x − x . ( ) квадрата: − 4x +12x x − 4x x = −[4x −12x x + x x ] = −[(2 ) 2 (2 ) ( 3 ) + + ⋅2 (2 ) x4 ] 2 2 3) Выпишем все члены, содержащие 2x , и дополним их до полного 2 2 3 x2 2 4 2 2 2 3 ⋅ = −[(2x2 − 3x3 + x4 ) 2( 3 )3x x4 − 9x − x ] = = − − 6x x + 9x + x . 4 2 4 2 y k x = − − 6x x + 9x + − 8x x − = − −14x x + x . 5) Выпишем все члены, содержащие 3x , и дополним их до полного ( ) квадрата: 9x −14x x = (3 ) 2 3x3 ⋅ 2 3 3 4 x3 2 − ⋅ ( ) 3 7 x4 + k x = − + − , y1 где y1 = + 3x2 − x , y = 2x2 − 3x3 + x 4 , y3 = 3x3 − x1 2 3 2 3 7 x 4 , 3 4 y 7 x= . Замечания. 1) Замена переменных должна быть невырожденной (то есть обратимой). 2) Число новых и старых переменных должно совпадать. k x = 1 2 ( ) замену: Пример. Привести к каноническому виду квадратичную форму 1 4 x x + 2 3 x x + 3 4 x x + x x методом Лагранжа. Решение. Так как среди слагаемых ни одного квадрата нет, сделаем следующую x1      Получим: k y = ( ) (y1 − y y1 + y2 ) (y1 + y y3 + 3 4 2 = − + 1 3 y1 2 )( y 2 2 + y y + 1 4 2 ) y y + 2 3 8 y y − 2 4 y y + (y1 − y y = y y + y y . 2 ) 3 4 4 x2 x3 x4 = + = − = = y1 y1 y3 y4 y2 y2 . 2 y 2 2 y 2 3 y 2 4 49 9 x − 2 4 49 9 x = (3x3 − 2 4 3 ) 7 x4 2 − 49 9 x . 2 4 6) Подставим полученное выражение вместо слагаемых с 3x и приведем подобные слагаемые, получим: y1 2 y 2 2 3 4 2 3 x 2 4 3 4 x 2 4 y1 2 y 2 2 3 4 9 2 3 2 2 3 4 2 3 − − 2 4 4) Подставим полученное выражение вместо слагаемых с 2x и приведем подобные слагаемые, получим: 2 3 2 4 x2 + ⋅ x2 ⋅ − x3 y1 2 y1 2 3 2 2 2 2 3 2 3 2 2 2 2 2 4 2 3 2 4 3 4 2 4 3 4 x 2 4
Стр.8
Дальнейшие преобразования проводятся аналогично предыдущему случаю. Пример 2.3. Для следующих квадратичных форм найти невырожденное линейное преобразование, переводящее форму f в форму g : 2 3 f x = g y = ( ) 2y1 + 3y + 6y − 4y y − 4y y + y y . Решение. ( ) 2x1 + 9x + 3x + 8x x − 4x x −10x x , 2 2 2 2 2 2 2 3 2 3 1 2 1 2 1 3 1 3 8 2 3 Приведем обе формы к нормальному виду методом Лагранжа. Рассмотрим сначала форму щие 1x , и дополним их до полного квадрата: 2 = ( 2x1 + 2 2x2 − 2x1 + 8x x − 4x x = ( 2 ) 2 ( 2 ) (2 2 ) 2( 2 )(− 2 ) = 2 1 2 1 3 2 ) 8x − 2x + ⋅2 2 2x2 ⋅ x3 − добные слагаемые, получим: 22 2 12 82 8 2 3 Здесь = ( 2y1 − 2y1 − 4y y − 4y y = ( 2 ) 2 ( 2 ) ( 2 ) 2( 2 )(− 2 ) = 2 2 2y − 1 2 2 1 2 ) 2y − 2y − ⋅2 2y ⋅ 1 3 y3 x1 − добные слагаемые, получим: 22 2 2 3 2 1 Здесь 1 = 2y1 − 2 2 2 y1 2 3 ⋅ − 2 g yyyy224 3y + 6y + = 1 + y y y y3 2 = −−− +3 232 3 2 2 = + (y + 2 ) = + 2y − 2 2y 3 , i к i ( 1, 2, 3 ) . Получим:  2x1     x2 − = +y2 x3 = y x3 Выразим ix через iy + 3 ( 1, 2, 3 ) : i = 2 2x2 − 2y3 y3 8y y 2 1 2 = y 2y+ 2 2x3 = 3 , 2y1 − 2 2 + + = 2 4 4 2 2 3 2 2 . 3 y= 3 . Так как нормальные виды квадратичных форм совпадают, приравняем i = 2y − 2 2y3 . 2 y2 + y1 y3 2y3 = − 2y − 2y − 4y y . 2 1 2 2 3 3 2 3 Подставим полученное выражение вместо слагаемых с 1y и приведем по2 1 = 2 2 2 3 f = − − + + + −10 2 2 x x xx x x xx3 = ++− = 2 3 1 2x1 + 2 2x2 − 9 2 3 3 2 2 1 = + (x2 − x3 ) = + 2 = x − x 3 , 2 1 2x 3 , 2 2 2 . 3 x= 3 . Рассмотрим теперь форму g( )y . Выпишем все слагаемые, содержащие y 1 , и дополним их до полного квадрата: + ⋅ x x xx3 2 2 2 3 2 2 x1 2 + ⋅ x1 ⋅ x2 + 2x3 = − 8x − 2x + x x . 2 1 2 2 3 3 8 2 3 Подставим полученное выражение вместо слагаемых с 1x и приведем по2 x1 x3 f ( )x . Выпишем все слагаемые, содержа9 η ηη η η η η νν ν ν ν ν ν η ν ν η η ν
Стр.9
x1     f x = ( ) 3x1 +10x + 25x −12x x −18x x + 40x x , 2 2 2 2 2 3 1 2 1 3 g y = ( ) 5y1 + 6y +12y y . Решение. 2 2 1 2 Приведем обе формы к нормальному виду методом Лагранжа. Рассмотрим сначала форму щие 1x , и дополним их до полного квадрата: 2 = ( 3x1 − 2 3x2 − 3 3x3 ) 12x − 27x − 36x x = −12x − 27x − 36x x . Подставим полученное выражение вместо слагаемых с 1x и приведем 3x1 −12x x −18x x = ( 3 ) 2 ( 3 ) ( 2 3 ) 2( 3 )( 3 3x3 ) = 2 1 2 1 3 − подобные слагаемые, получим: 2 Здесь f = − 2x − 2x + 4x x == − ( 2x2 − 1 = 1 2 2 2 3 2 2 3 3x1 − 2 3x2 − 3 3x 3 , 6y +12y y = ( 6 ) 2 ( 6 ) ( 6 ) 6y1 − 6 1y = 2 2 2 1 2 y2 2 y2 ⋅ = ( 6y + 2 подобные слагаемые, получим: 2 1 Здесь 1 = y + 6 1 6y , 2 6 ) 6y1 = − y6 . y1 g = − 6y1 + 5y1 == − = − 2 y= 1 , 2 2 1 3 y= 3 . i к i ( 1, 2, 3 ) . Получим:  3x1     x3 = y Выразим ix через iy Так как нормальные виды квадратичных форм совпадают, приравняем i = 2x2 − − 3 2 3x2 − 3 3x3 = 2x3 = y1 ( 1, 2, 3 ) : i = 6y1 + 6y2 . y1 2 2 1 − 2 2 1 y1 + 1 2 Подставим полученное выражение вместо слагаемых с 2y и приведем 2 2 2 . 2 2 1 2 = x − 2 2 x1 2 2 2 + ⋅ 2 3 x1 ⋅ − 2 3 x2 + 2 1 x1 − 2 2 2 3 2 3 2x 3, 2 ) = − 3 x= 3 . x3 2 2 1 2 2 . Рассмотрим теперь форму g( )y . Выпишем все слагаемые, содержащие y 2 , и дополним их до полного квадрата: + ⋅ f ( )x . Выпишем все слагаемые, содержаx2 = + y3 3 x3 = y = − 3 y1 y2 3y − y6 3 2 . Пример 2.4. Для следующих квадратичных форм найти невырожденное линейное преобразование, переводящее форму f в форму g : 2 3 10 η η η η η η ν ν ν η η ν ν ν ν ν ν η
Стр.10