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5.6 正交变换化标准形 ​

线性变换 ​

线性变换的概念 ​

「线性」,意味着「一次」;「变换」,可以理解为「换元」。

线性变换的形式和线性方程组十分类似。设有两组变量 和 ,设其满足下列关系:

用矩阵形式表达,就是

这称为由 到 的一个线性变换,记为 。特别地,如果 是正交矩阵,那么这一变换称为正交变换。

线性变换的可逆性 ​

考虑 到 的一个线性变换:

这样换元之后,得到三个 ,显然是无法根据 求 的。也就是说,这个线性变换是不可逆的。而如下的线性变换:

则是可逆的。

事实上,向量 与 互求的过程其实就是解线性方程组的过程(两个向量可以分别对应线性方程组中的 和 ,也可以反过来)。从方程组的角度看,线性变换可逆的充要条件便是矩阵 满秩。

也可以从矩阵的角度看。由 得到 的式子为

那要反过来,自然是

所以可逆的充要条件是矩阵 可逆。可逆与满秩是等价条件。

显而易见的是,可逆的线性变换是我们希望的,因为这样的变换过程中不会损失信息。

线性变换与二次型 ​

设有二次型 ,我们希望通过换元的方式,将其转化为标准形。使用可逆线性变换 代入:

设 ,二次型便被表示为:

其中 这一过程称为合同变换。我们将在 5.8 正定二次型 中详细介绍。

既然我们希望 是标准形,那 就应该是一个对角矩阵,也就是说

由于正交矩阵的转置等于其逆矩阵,所以如果 是正交矩阵,就有 。所以,我们只需要对 进行正交相似对角化,就可以找到 和 。

正交变换化标准形 ​

正交变换的原理 ​

正交变换是特殊的可逆线性变换,具有不改变图像形状的特点。

对于实对称矩阵 ,根据相似的知识,一定存在正交矩阵 ,使得 。因此有

且 均为 的特征值。

因此,正交变换化二次型的流程可以表示为:

例 1

求一个正交变换 ,把二次型 化为标准形。

实际上这道题就是在问:设 ,求一个正交矩阵 ,使得 。

  1. 求解 ,解得

  2. 求解特征向量

  3. 重根的特征向量正交化

  4. 特征向量单位化

得到 。经过正交变换 ,将二次型化为标准形:

例 2

求一正交变换,将二次型

化为标准形,并指出 表示何种曲面。

解:二次型的矩阵为

得到特征方程

解得 , , ,对应特征向量为

将其单位化,得到正交变换

化二次型为 。

由此得到, 为椭圆柱面方程。

在 内的图形:

在 中的图形: