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设二次型f(x1,x2,x3)=2(a1x1,a2x2,a3x3)2+(b1x1,b2x2,b3x3)2,记 若α,β正交且均为单位向量,证明f在正交变换下的标准形为2y12+y22。
设二次型f(x1,x2,x3)=2(a1x1,a2x2,a3x3)2+(b1x1,b2x2,b3x3)2,记 若α,β正交且均为单位向量,证明f在正交变换下的标准形为2y12+y22。
admin
2015-09-14
150
问题
设二次型f(x
1
,x
2
,x
3
)=2(a
1
x
1
,a
2
x
2
,a
3
x
3
)
2
+(b
1
x
1
,b
2
x
2
,b
3
x
3
)
2
,记
若α,β正交且均为单位向量,证明f在正交变换下的标准形为2y
1
2
+y
2
2
。
选项
答案
记矩阵A=2αα
T
+ββ
T
。由于α,β正交且为单位向量,即α
T
α=1,β
T
β=1,α
T
β=β
T
α=0,所以 Aα=(2αα
T
+ββ
T
)α=2α, Aβ=(2αα
T
+ββ
T
)β=β, 于是λ
1
=2,λ
2
=1是矩阵A的特征值。又 r(A)=r(2αα
T
+ββ
T
)≤r(2αα
T
)+r(ββ
T
)≤2,所以λ
3
=0是矩阵A的特征值。由于f在正交变换下的标准形中各变量平方项的系数为A的特征值,故f在正交变换下的标准形为2y
1
2
+y
2
2
。
解析
本题综合考查向量的内积和正交等概念、二次型的矩阵和在正交变换下的标准形等概念、特征值与特征向量的概念、矩阵的秩的有关性质。本题证明中多次用到了向量内积的。可交换性(对称性),例如(Ⅰ)中a
1
x
1
+a
2
x
2
+a
3
x
3
既可写成(x
1
,x
2
,x
3
)
,也可写成(x
1
,x
2
,x
3
)
,即x
T
α=α
T
x,从而得(a
1
x
1
+a
2
x
2
+a
3
x
3
)
2
=x
T
ααx=x
T
(αα
T
)x。本题(Ⅱ)中刺用3阶矩阵A的秩小于3从而得到A有特征值0的方法较为简单,另一种方法是:注意也可以将A的行列式写成|A|=|2a
1
α+b
1
β2a
2
α+b
2
β2a
3
α+ba
3
β|,然后利用行列式关于列的可加性,可将A的行列式表成8个行列式之和,但没有必要具体写出,因为其中每一个行列式至少有两列成比例,从而都等于0,于是得A的行列式为零,由此也可得到λ
3
=0是矩阵A的特征值。
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0
考研数学三
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