Next: 7 закон инерции
Up: 1 n-мерное пространство. Линейные
Previous: 5 приведение квадратичной формы
Subsections
В этом параграфе мы укажем еще один способ построения базиса, в
котором квадратичная форма приводится к сумме квадратов. В отличие от
предыдущего параграфа мы дадим формулы, выражающие искомый базис
непосредственно через исходный базис (а не в
несколько шагов, как в 5).
При этом, однако, мы должны будем на форму и исходный базис
наложить следующее ограничение: пусть
-- матрица билинейной формы в базисе
. Мы предположим, что следующие
миноры
матрицы
все отличны от нуля2.18:
 |
(1) |
В каждом базисе
квадратичная форма
имеет вид
где
Наша цель -- определить векторы
так,
чтобы
при |
(2) |
Процесс, с помощью которого это будет сделано, совпадает с процессом
ортогонализации, описанным в п.1 3, если
заменить в этом процессе скалярное произведение векторов произвольной
билинейной формой , удовлетворяющей условиям (1).
Будем искать векторы
в виде
Коэффициенты
можно было бы найти из условий (2),
подставив в эти условия вместо
их
выражения из (3). Однако это неудобно для вычислений, так как
пришлось бы решать уравнения второй степени относительно
. Поступим поэтому несколько иначе.
Если
для
то и
для
Действительно, подставляя вместо выражение
получаем:
Таким образом, если
для любого и для любого ,
то и
для , и следовательно, в силу симметрии
билинейной формы и для , т.е.
--
требуемый базис. Наша задача сведена, таким образом, к следующей:
определить коэффициенты
так, чтобы вектор
удовлетворял условиям
 |
(4) |
Этими условиями вектор определяется с точностью до постоянного
множителя. Зафиксируем этот множитель с помощью требования
 |
(5) |
Мы увидим сейчас, что условиями (4) и (5) вектор определен
уже однозначно.
Подставив в (4) и (5) выражение для , мы получим следующую
систему уравнений первой степени относительно
:
Определитель этой системы уравнений равен
![$\displaystyle \arraycolsep3pt \Delta_k= \begin{vmatrix}A(f_1; f_1)&A(f_1; f_2)&...
... \hdotsfor[1.5]{4} A(f_k; f_1)&A(f_k; f_2)&\dots&A(f_k; f_k) \end{vmatrix}$](http://images.nature.web.ru/nature/2000/10/02/0001151602/ch1img638.gif) |
(7) |
и по условию (1) отличен от нуля. Поэтому решение системы (6)
существует и единственно. Таким образом, задача нахождения
вектора нами решена для любого .
Найдем теперь коэффициенты квадратичной формы в
базисе
. Как нам уже известно,
По построению этого базиса,
при , т.е.
при .
Вычислим
:
2.19и в силу условий (4) и (5)
Число
можно найти из системы (6); согласно
правилу Крамера
где
-- определитель, аналогичный (7) порядка
, и где положено
.
Таким образом,
Итак, доказана следующая
Теорема 6.1
Пусть в базисе
квадратичная форма имеет вид
где
Пусть, далее, определители
отличны от нуля. Тогда существует базис
, в
котором записывается в виде суммы квадратов следующим
образом:
где -- координаты вектора в базисе
.
Этот способ приведения квадратичной формы к сумме квадратов
обычно называется
методом Якоби.
Замечание
В процессе доказательства теоремы мы пришли к некоторому вполне
определенному базису
. Это, конечно, не
означает, что базис, в котором квадратичная форма приводится к сумме
квадратов, вообще единствен. Действительно, если взять другой
исходный базис
(даже просто, если занумеровать
его векторы в другом порядке), то описанный выше процесс приведет нас,
вообще говоря, к другому базису
(не говоря уже
о том, что базис
не обязательно искать в
виде (3)).
Пример 5
Рассмотрим квадратичную форму
в трехмерном пространстве с базисом
Соответствующая ей билинейная форма имеет вид
Вычислив определители , и , получим,
что они равны соответственно ,
и
, т.е. ни
один из них не нуль. Условия теоремы, таким образом, выполнены.
Положим
Коэффициент
находим из условия
т.е.
, или
и, значит,
Для
и
имеем уравнения
и
или
откуда
т.е.
.
Наконец, для
имеем систему
уравнений
т.е.
откуда
т.е.
Квадратичная форма в базисе
имеет вид
где
-- координаты вектора в базисе
.
Выше при доказательстве теоремы 1 мы не только построили базис, в
котором данная квадратичная форма записывается как сумма квадратов
координат, но и получили вполне определенные выражения для
коэффициентов при этих квадратах, а именно:
так что квадратичная форма имеет вид
 |
(8) |
Это дает нам возможность найти число положительных и отрицательных
коэффициентов при квадратах. Именно, если
и
имеют одинаковые знаки, то коэффициент при
положителен, если же их знаки различны, то этот коэффициент
отрицателен, т.е. число отрицательных коэффициентов при квадратах
равно числу перемен знака в ряду
Итак, доказана следующая теорема.
Теорема 6.2
Число отрицательных коэффициентов при квадратах
координат в каноническом виде (8) квадратичной формы равно числу
перемен знака в последовательности определителей
Пусть, в частности,
,
, ,
. Тогда существует базис
, в котором
квадратичная форма имеет вид
причем все
. Следовательно,
для всякого , и притом равенство
возможно, лишь если
Иначе говоря:
Если
,
, ,
, то
квадратичная форма -- положительно определенная.
Обратно, пусть -- положительно определенная квадратичная
форма. Покажем, что в этом случае
для этого покажем раньше, что
. Предположим
противное, т.е. что
тогда одна из строк этого определителя есть линейная комбинация
остальных, т.е.
, где не все равны нулю. Но тогда
а следовательно,
в то время как
что противоречит определению положительно определенной
квадратичной формы.
Следовательно, согласно теореме 1, можно привести к
виду
где
Так как для положительно определенной квадратичной формы все
, то и все
. (Напомним, что
.)
Итак, нами доказана
Теорема 6.3
Пусть -- симметрическая билинейная форма
и
-- базис в -мерном пространстве
. Для того чтобы квадратичная форма была
положительно определенной, необходимо и достаточно, чтобы
Эта теорема называется
условием Сильвестра
положительной определенности квадратичной формы.
Мы могли бы взять вместо
какой-либо другой
базис и написать условия положительной определенности формы
через векторы этого нового базиса. В частности, если мы в качестве
нового базиса возьмем те же самые векторы
, но
только в другом порядке, то новыми минорами
будут различные главные миноры 2.21матрицы
. Отсюда вытекает интересное
Следствие
Если все главные миноры
матрицы
квадратичной формы в данном базисе положительны, то
вообще все главные миноры этой матрицы положительны.
В самом деле, если все миноры матрицы
положительны, то форма положительно определенная.
Пусть -- какой-либо главный минор матрицы
и пусть
-- номера входящих в него
строк и столбцов этой матрицы (так как минор -- главный, то эти
номера для строк и столбцов одни и те же). Переставив в исходном
базисе векторы с номерами
на первое,
второе и т.д., -е место и записав в этом новом базисе условия
положительной определенности формы, получим .
Результаты этого параграфа мы
изложим сейчас для случая, когда в качестве квадратичной формы
выбрано скалярное произведение в евклидовом пространстве, т.е.
Мы знаем, что скалярное произведение вектора с собой есть
положительно определенная квадратичная форма, и обратно, каждая
симметрическая билинейная форма, которой соответствует положительно
определенная квадратичная форма, может быть принята за скалярное
произведение. Поэтому всякая теорема о положительно определенных
квадратичных формах является одновременно некоторой теоремой о
векторах в евклидовом пространстве.
Пусть
-- векторы в евклидовом
пространстве.
Определитель
называется
определителем Грама
этой системы векторов.
Теорема 6.4
Определитель Грама любой системы векторов всегда
больше или равен нулю. Он равен нулю тогда и только тогда, когда
векторы
линейно зависимы.
Доказательство. Пусть векторы
линейно
независимы. Рассмотрим билинейную форму
где -- скалярное произведение векторов и .
Тогда определитель Грама есть определитель ,
рассмотренный в этом параграфе [см. формулу (7)]. Так как
-- положительно определенная квадратичная форма, то, в
силу теоремы 3,
.
Докажем, что в случае линейно зависимых векторов определитель Грама
равен нулю. Действительно, если
линейно
зависимы, то хоть один из них, например , есть линейная
комбинация остальных:
Поэтому последняя строка в определителе Грама есть линейная
комбинация остальных. Значит, он равен нулю. Теорема полностью
доказана.
В качестве примера рассмотрим определитель Грама двух векторов и
:
Утверждение, что
, превращается в этом случае в
неравенство Коши-Буняковского.
Примеры
1. В евклидовом трехмерном пространстве (или на
плоскости) определитель
имеет следующий геометрический смысл: равно квадрату
площади параллелограмма, построенного на векторах и . В самом деле, по определению скалярного произведения
где -- угол между векторами и . Поэтому
т.е. равно квадрату площади параллелограмма,
построенного на векторах и .
2. В трехмерном пространстве объем параллелепипеда, построенного на
векторах , как показывается в аналитической
геометрии, равен абсолютной величине определителя
где
-- координаты векторов в
ортогональном базисе. Вычислим квадрат этого определителя,
умножая строки на строки. Мы получим:
Таким образом, определитель Грама векторов равен квадрату
объема параллелепипеда, построенного на этих векторах.
Аналогично можно показать, что определитель Грама векторов
в -мерном пространстве 2.22равен квадрату определителя
 |
(9) |
где , соответственно и т.д. -- координаты вектора ,
соответственно и т.д. в каком-нибудь ортогональном базисе.
По аналогии с трехмерным пространством модуль определителя (9)
называют объемом -мерного параллелепипеда, определяемого векторами
.
3. В пространстве функций (пример 4 2)
определитель Грама пишется так:
и доказанная нами теорема означает:
Определитель Грама системы функций
. Для линейной
зависимости системы функций необходимо и достаточно, чтобы их
определитель Грама был равен нулю.
Next: 7 закон инерции
Up: 1 n-мерное пространство. Линейные
Previous: 5 приведение квадратичной формы
Vadim Yu. Radionov
2000-08-30
Посмотреть комментарии[2]
|