R上二次型的规范形

发布时间:2012-04-15   来源:文档文库   
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课程:高等代数 5.3.1
§3 CR上二次型的规范形
教学目的 通过讲授,使学生理解CR上二次型规范形的概念,基本掌握实二次型的惯性定理.
教学内容
上节已经指出,数域F上的n元二次型的标准形未必唯一.因此,探索二次型的唯一简化形式是二次型研究的重要课题.本节讨论复数域、实数域上二次型简化的唯一性问题.
3.1 复二次型的规范形
f(x1,x2,,xn是一个复系数的二次型.由定理5.2.1,经过一适当的非退化线性替换后,f(x1,x2,,xn变成标准形
222d1y1d2y2dryr,di0,i1,2,,r
(1 其中rf(x1,x2,,xn的秩.由于复数总可以开平方,因而再作一非
退化线性替换
1yz11d1y1zr (2 rdryr1zr1ynzn(1就变成
222 (3 z1z2zr(3称为复二次型f(x1,x2,,xn规范形显然,规范形完全被原二次型的秩所决定,因此有
定理5.3.1 任意一个复系数的二次型,经过一适当的非退化线性替换可以变成规范形;且规范形是唯一的.
推论5.3.1 任两个复系数的n元二次型可以经过一适当的非退化线性替换把它们中的一个二次型化为另一个二次型的充分且必要条件是它们有相同的规范形.
推论5.3.2 A是一个秩为r的复n阶对称矩阵,则A合同于
Ir0 00因此,两个复n阶对称矩阵合同的充分且必要条件是它们有相同的


课程:高等代数 5.3.2 秩.
3.2 惯性定理
再来看实数域的情形.f(x1,x2,,xn是一实系数的二次型.定理5.2.1,经过一个非退化线性替换(含适当排列文字的次序,可使f(x1,x2,,xn变成标准形
222d1y1dpy2pdp1yp1dryr
(4 其中di0i=1,…,rrf(x1,x2,,xn的秩.于是,再作一非退化线性替换
1yz11d1y1zr (5 rdryr1zr1ynzn(4就变成
222z1z2pzp1zr
(6 (6称为实二次型f(x1,x2,,xn规范形下面,我们来证明规范形(6是唯一确定的.
定理5.3.2 任意一个实数域上的二次型,经过一适当的非退化线性替换可以变成规范形;且规范形是唯一的.
定理的前一半在上面已经证明,下面证其唯一性.
设实二次型f(x1,x2,,xn经过非退化线性替换X=BY化成规范
222 f(x1,x2,,xny1y2pyp1yr
又经过非退化线性替换X=CZ也化成规范形
2222f(x1,x2,,xnz1zqzq1zr
现在证明p=q
用反证法.设p>q.由上假设,我们有
2222222y1y2pyp1yrz1zqzq1zr
(7 其中
ZC1BY
(8 C1BG(gijnn,则(8就是



课程:高等代数 5.3.3
z1g11y1g12y2g1nynz2g21y1g22y2g2nyn (9 zngn1y1gn2y2gnnyn考虑齐次线性方程组
g11y1g12y2g1nyn0gq1y1gq2y2gqnyn0 (10 y0p1yn0方程组(10含有n个未知量,但其方程个数q+(np=n (pq<n于是,由定理3.4.1知道(10有非零解.令
(y1,,yp,yp1,,yn(k1,,kp,kp1,,kn
(10的一个非零解.显然kp1kn0.因此,把它代入(7的左端,得到的值为
22k1kp0
通过(9把它代入(7的右端,因为它是(10的解,则有z1zq0.以得到的值为
22zq1zr0
这是一个矛盾,它说明假设p>q是不对的.因此我们证得了pq
同理可证qp,从而p=q.这就证明了规范形的唯一性. 这个定理通常称为Sylvester惯性定理
定义1 在实二次型f(x1,x2,,xn的规范形中,正平方项的个数p称为f(x1,x2,,xn正惯性指数;负平方项的个数rp称为f(x1,x2,,xnp(rp=2prf(x1,x2,,xn符号差
应该指出,虽然实二次型的标准形不是唯一的,但是由上面化成规范形的过程可以看出,标准形中系数为正的平方项的个数与规范形中正平方项的个数是一致的.因此,惯性定理也可以叙述为:实二次型的标准形中系数为正的平方项的个数是唯一确定的,它等于正惯性指数,而系数为负的平方项的个数就等于负惯性指数
由惯性定理得到
推论5.3.3 任意两个实系数的n元二次型可以经过一适当的非退化线性替换把其中的一个二次型化为另一个二次型的充分且必要条件是它们有相同的规范形.



课程:高等代数 5.3.4
推论5.3.4 秩为r的实n阶对称矩阵A合同于
00Ip0I0q 000这里p+q=r因此,两个秩相同的实n阶对称矩阵合同的充分且必要条件是它们的正、负惯性指数分别相等.
当然,同学们会问有理系数二次型的规范形为何?此况颇复杂,系代数数论的论题之一,这里就不可能讨论了.

课外作业:
P26927013410



本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/5ace041aa300a6c30c229fa9.html

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