- •2.23. Плоскость и гиперплоскость
- •Прямая линия
- •Линейные операторы
- •2.26. Матрица линейного оператора в заданном базисе
- •Умножение оператора на число
- •Оператор проектирования (р)
- •Оператор гомотетии6 (н)
- •2.28. Геометрический смысл матрицы линейного оператора
- •2.29. Действия с операторами
- •Сложение операторов
- •Произведение операторов
- •Обратный оператор
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.30. Сопряженный оператор. Сопряженная матрица
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.31. Самосопряженные операторы. Симметричные матрицы
- •2.32. Собственные значения и собственные векторы линейного оператора
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.33. Изменение матрицы линейного оператора при преобразовании базиса
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.34. Преобразование ортонормированного базиса в ортонормированный
- •2.35. Квадратичные формы
- •2.35.1. Приведение квадратичной формы к каноническому виду
- •Задание для самостоятельного решения
- •2.35.2. Приведение общего уравнения кривых второго порядка к каноническому виду
Задание для самостоятельного решения
Укажите базис, в котором матрица квадратичной формы
имеет диагональный вид.Приведите квадратичную форму
к каноничес –
кому виду.
2.35.2. Приведение общего уравнения кривых второго порядка к каноническому виду
Рассмотрим общее уравнение кривой второго порядка:
(2.35.6)
Здесь
квадратичная форма,
линейная форма переменных
.
Более короткая запись уравнения (2.35.6)
выглядит следующим образом:
(2.35.7)
где
Аоператор с ненулевой
матрицей
Если теперь выполнить поворот системы координат так, чтобы направления новых осей совпали с направлениями собственных векторов матрицы А, то вместо (2.35.6) получим уравнение
.
(2.35.8)
Если
,
то путем параллельного переноса осей
координат можно избавиться от линейной
формы, выделив полный квадрат в суммах
и
.
Тогда будем иметь
(2.35.9)
или (при
)
(2.35.10)
где обозначено
И
так,
если
,
то общее уравнение кривой (2.35.6) приводится
к виду (2.35.10). Свойства этой кривой
существенно зависят от значений
коэффициентов
.
Если при этом
,
,
то уравнение (2.35.6) определяет эллипс
(рис. 2.22):
(2.35.11)
Здесь
,
(считаем также, что
).
В случае
получается уравнение окружности
.
Если знаки дробей
и
различны, то уравнение (2.35.6) определяет
гиперболу (рис.2.23):
(2.35.12)
(
для
определенности в (2.35.12) считаем, что
,
).
Если
или
(оба числа одновременно обратиться в
ноль не могут) то общее уравнение кривой
(2.35.6) можно привести к виду
или
.
(2.35.13)
Уравнения (2.35.13) являются уравнениями параболы (рис.2.24 а,б).
При всех других значениях коэффициентов
уравнение (2.35.9), а вместе с ним и (2.35.6),
никаких других кривых не определяет.
Нетрудно убедиться в том, что оно либо
«вырождается» в точку
,либо
в пару прямых
,
либо в одну прямую (например, при
),
либо вообще не имеет геометрического
образа (например, при
).
Т
аким
образом, общее уравнение кривой второго
порядка может быть сведено к одному из
канонических уравнений (2.35.11)
(2.35.13) переходом к новой системе координат,
получающейся из старой посредством
поворота
и параллельного переноса
осей координат.
Рассмотрим кривые второго порядка более подробно.
Эллипс:
График симметричен относительно осей
координат,
полуоси
эллипса. Точки
и
,
где
называются фокусами эллипса. Число
называется эксцентриситетом эллипса
(характеризует его «сплюснутость»).
Точки М эллипса удовлетворяют
характеристическому свойству:
Гипербола:
.
График симметричен относительно осей
координат. Точки
и
,
где
называются фокусами гиперболы.
Число
эксцентриситет
гиперболы. Прямые
называются асимптотами гиперболы.
Точки
гиперболы удовлетворяют характеристическому
свойству
.
Парабола:
График симметричен относительно оси
.
Точка
называется фокусом параболы.
Прямая
называется директрисой параболы.
Считают, что для параболы
.
Точки
параболы удовлетворяют характеристическому
свойству: расстояние от точки
до директрисы равно
.
Общим свойством кривых второго порядка
является то, что любую из них можно
получить в сечении конуса плоскостью.
Поэтому кривые второго порядка называют
коническими сечениями.
П р и м е р. Привести к каноническому виду уравнение кривой
.
Р е ш е н и е. В примере п. 2.35.1 квадратичная
форма
приведена к каноническому виду
в базисе
из собственных векторов матрицы
квадратичной формы. Найдены собственные
значения:
(
данная кривая является гиперболой).
Имея координаты новых базисных векторов
,
запишем матрицу
преобразования старого базиса в новый.
Ее строками являются координаты новых
базисных векторов
1 Ж.Б. Фурье (1768-1817) – французский математик.
2 гипер - (от hyper - греч.) – над, сверх.
3 Множество точек в пространстве называется выпуклым, если оно содержит вместе с любой своей парой точек весь отрезок, их соединяющий.
4 additivus – придаточный (лат.).
5 Поскольку далее речь пойдет только о линейных операторах, термин «линейный» будем опускать.
6 homothetas – одинаково расположенный (греч.).
7 сontragradiens - шагающий против (лат.)
