- •Множини
- •Відображення
- •1.3. Бінарні відношення на множині
- •2.1. Принцип математичної індукції Аксіома математичної індукції
- •Узагальнення другої форми принципу математичної індукції
- •2.2. Підстановки
- •Основні алгебраїчні структури
- •3.1. Означення комплексного числа
- •3.2. Дії над комплексними числами
- •3.3. Піднесення до степеня і добування кореня
- •4.1. Поліноми від однієї змінної
- •Г) Найбільший спільний дільник
- •Д) Найменше спільне кратне
- •4.3.Поліноми над числовими полями
- •4.4. Поліноми від багатьох змінних
- •Б) Симетричні поліноми
- •5.1. Поняття матриці
- •5.2. Дії над матрицями
- •6.1. Визначники малих порядків
- •6.2. Поняття визначника n-го порядку
- •6.3. Властивості визначника n-го порядку
- •6.4. Обчислення визначників n-го порядку
- •7.1. Загальні поняття
- •7.2. Способи розв’язування систем лінійних рівнянь
- •7.3. Матрична форма запису системи лінійних рівнянь
- •8.1. Поняття векторного простору, його розмірність і базис
- •8.3. Підпростори векторного простору
- •8.4. Лінійні перетворення у векторному просторі
- •8.5. Власні вектори і власні значення лінійного перетворення а) Інваріантні підпростори
- •Звідси із лінійної незалежності векторів e1, e2, …, en випливає:
- •9.1. Поняття евклідового простору
- •9.2. Ортонормований базис
- •9.3. Лінійні перетворення в евклідовому просторі
- •Властивості:
- •10.1. Лінійна функція (форма)
- •10.2. Поняття білінійної та квадратичної функції
- •10.3. Зведення квадратичної форми до суми квадратів
- •10.4. Закон інерції квадратичних форм
- •10.5. Класифікація квадратичних форм
- •10.6. Білінійні і квадратичні форми в евклідовому просторі
- •10.7. Зведення рівняння другого порядку до канонічного вигляду
- •Виконаємо лінійне перетворення
- •11.2. Зведення матриць до жорданової нормальної форми
- •Необхідна і достатня умова зведення матриць до діагонального вигляду
10.4. Закон інерції квадратичних форм
При зведенні квадратичної форми А(x, x) до суми квадратів різними способами можна отримати різні канонічні коефіцієнти. Однак має місце наступне твердження:
Теорема (закон інерції квадратичних форм).
Кількість доданків з додатніми (від’ємними) канонічними коефіцієнтами в канонічному вигляді квадратичної форми не залежить від способу зведення форми до цього вигляду.
Доведення.
Припустимо супротивне, тобто що в базисі e=(e1,e2,…,en) квадратична форма А(x, x) має вигляд
А(x,
x)
,
(*)
де
– координати вектораx
в цьому базисі,
а в іншому базисі e' = (e1', e2',…, en') форма А(x, x) має вигляд
А(x,
x)
,
(**)
де
– координати вектораx
в новому базисі. Припустимо, що, наприклад,
p>k.
Розглянемо
в просторі V
підпростір
,
породжений векторамиe1,
e2,
…,
en,
і підпростір
,
породжений векторами
.
Оскільки сума їх розмірностейp+(n-k)
більша за n,
то їх перетин має ненульову розмірність,
тобто існує вектор
,
який належить
.
Цей вектор можна подати як у вигляді
,
так і у вигляді
.
Для
вектора х
за формулою (*)
А(x,
x)
,
оскільки
хоча б одне із
.
В той же час для векторах
за формулою (**)
А(x,
x)
.
Ми
отримали протиріччя, із якого випливає,
що p
k.
Аналогічно доводиться:
неможливість нерівності p<k.
Значить, p=k.
Так само доводиться, що
q=m.
Ясно, що сума p+ q дорівнює рангу r квадратичної форми.
Приклад
Дослідити знаковизначеність квадратичної форми
.
Запишемо матрицю цієї форми
А
.
Обчислимо кутові мінори:
,
отже, задана квадратична форма додатньо визначена.
10.5. Класифікація квадратичних форм
Квадратична
форма називається додатно
(від’ємно)
визначеною,
якщо для
А(x,x)>0
(А(x,x)<0)
і додатно (від’ємно)
напіввизначеною (квазівизначеною), якщо
А(x,x)
(А(x,x)
).
Приклад
Скалярний квадрат А(x,x)=(х,х) є додатно визначеною квадратичною формою.
Ясно, що додатно визначена квадратична форма зводиться до суми квадратів з додатними канонічними коефіцієнтами, додатно напіввизначена форма – з невід’ємними коефіцієнтами (деякі з них можуть дорівнювати нулю).
Теорема (критерій Сильвестра).
Для того, щоб квадратична форма А(x, x) була додатно визначеною, необхідно і достатньо, щоб всі кутові мінори матриці А=[aij] були додатними.
Для
того ж, щоб квадратична форма була
від’ємно
визначеною,
необхідно і достатньо,
щоб знаки кутових мінорів чергувались,
причому
.
Доведення.
а)
Необхідність. Покажемо
спочатку, що із умови знако-визначеності
квадратичної форми А(x,
x)
випливає
,і=1,
2, ..., n.
Переконаємось,
що припущення
веде до протиріччя – при цьому припущенні
існує ненульовий векторх,
для якого А(x,
x)=0,
що суперечить знаковизначеності форми.
Нехай
.
Розглянемо наступну квадратну однорідну
систему лінійних рівнянь:
.
Оскільки
–
визначник цієї системи, і
=0,
то записана система рівнянь має ненульові
розв’язки
(не всіх
рівні
нулю).
Помноживши
перше із рівнянь системи на
,
друге на
,
..., останнє на
і додавши отримані співвідношення,
отримаємо рівність
,
ліва частина якої є значенням квадратичної
формиА(x,
x)
для
ненульового вектора х
з координатами
.
Це значення рівне нулю, що суперечить
знаковизначеності форми. Отже,
,і=1,
2, ..., n.
Застосуємо
метод Якобі зведення форми А(x,x)
до
суми квадратів. Якщо А(x,x)
–
додатно визначена форма, то із формул
для знаходження канонічних коефіцієнтів
отримаємо

...,
.
Якщо жА(x,
x)
– від’ємно
визначена форма, то з тих же формул
випливає, що знаки кутових мінорів
чергуються, причому
.
б)
Достатність. Згідно
умови теореми всі
,і=1,
2, ..., n,
тому, скориставшись методом Якобі,
отримаємо у першому випадку додатно, а
в другому – від’ємно визначену
квадратичну форму.
