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@ -22,7 +22,7 @@
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>[!note] **解析**
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解题思路
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正交矩阵的定义是:若矩阵 H 满足 $H^T H = E$(其中 $E$ 为单位矩阵),则 $H$ 为正交矩阵。我们从这个定义出发推导条件。
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正交矩阵的定义是:若矩阵 $H$ 满足 $H^T H = E$(其中 $E$ 为单位矩阵),则 $H$ 为正交矩阵。我们从这个定义出发推导条件。
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>步骤1:写出 $H^T$
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>已知 $H = E - l\boldsymbol \alpha\boldsymbol \alpha^T$,转置得
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$$H^T = (E - l\boldsymbol \alpha\boldsymbol \alpha^T)^T = E^T - l(\boldsymbol \alpha\boldsymbol \alpha^T)^T = E - l\boldsymbol \alpha\boldsymbol \alpha^T$$
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@ -43,7 +43,7 @@ H^T H &= (E - l\boldsymbol \alpha\boldsymbol \alpha^T)(E - l\boldsymbol \alpha\b
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>若 $\boldsymbol \alpha \neq \boldsymbol 0(即 k \neq 0)$,则$\boldsymbol \alpha\boldsymbol \alpha^T \neq O$,因此系数必须为$0$:
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$$-2l + l^2 k^2 = 0 \implies l(l k^2 - 2) = 0$$
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>解得$l = 0$ 或 $l = \dfrac{2}{k^2}$。
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>若 $\boldsymbol \alpha = \boldsymbol 0(即 k = 0$),则 $H = E$,显然 ¥ 是正交矩阵,此时对任意$l \in \mathbb{R}$ 均成立。
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>若 $\boldsymbol \alpha = \boldsymbol 0(即 k = 0$),则 $H = E$,显然 $H$ 是正交矩阵,此时对任意$l \in \mathbb{R}$ 均成立。
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>最终结论$$\begin{aligned}
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&1.\ \text{当}\ k = 0\ \text{时,对任意实数}\ l,\ H\ \text{为正交矩阵;} \\
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&2.\ \text{当}\ k \neq 0\ \text{时,}l = 0\ \text{或}\ l = \dfrac{2}{k^2}\ \text{时,}H\ \text{为正交矩阵。}
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@ -52,7 +52,6 @@ $$-2l + l^2 k^2 = 0 \implies l(l k^2 - 2) = 0$$
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>[!example] 例题2
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>已知 $A$ = $[a_{ij}]_{n \times n}$为 $n\,(n \ge 2)$ 阶正交矩阵,证明:$A_{ij} = \pm a_{ij}\;(i,j=1,2,\dots,n)$,其中 $A_{ij}$ 为行列式 $|A|$ 中 $a_{ij}$ 的代数余子式。
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>[!note] **解析**
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>设 $A$为 $n$阶正交矩阵($n\ge2$),则 ${A}^T{A}={E}$
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>又由伴随矩阵与逆矩阵的关系:$A^{-1} = \frac{1}{|A|}{A}^*$
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@ -61,19 +60,19 @@ $$-2l + l^2 k^2 = 0 \implies l(l k^2 - 2) = 0$$
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>由伴随矩阵的定义,其第 $(j,i)$ 元为 $a_{ij}$ 的代数余子式 $A_{ij}$,而 $\pm A^T$ 的第 $(j,i)$ 元为 $±a_{ij}$。比较对应元素得$A_{ij}=±a_{ij},i,j=1,2,…,n.$
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>证毕
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## 施密特正交化法
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### **定理**
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设$\boldsymbol{\alpha}_1,\boldsymbol{\alpha}_2,\dots,\boldsymbol{\alpha}_p$ 是向量空间 $V$ 中的线性无关向量组,则
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如下方法所得向量组$\boldsymbol{\varepsilon}_1,\boldsymbol{\varepsilon}_2,\dots,\boldsymbol{\varepsilon}_p$
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施密特正交化与单位化公式
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正交化过程
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设 $\boldsymbol{\alpha}_1,\boldsymbol{\alpha}_2,\dots,\boldsymbol{\alpha}_p$ 是向量空间 $V$ 的一组基,则用如下方法所得向量组 $\boldsymbol{\varepsilon}_1,\boldsymbol{\varepsilon}_2,\dots,\boldsymbol{\varepsilon}_p$ 为 $V$ 的一组标准正交基
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$$\begin{align*}
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\boldsymbol{u}_1 &= \boldsymbol{\alpha}_1, \\
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\boldsymbol{u}_k &= \boldsymbol{\alpha}_k - \sum_{i=1}^{k-1}\frac{\langle\boldsymbol{\alpha}_k,\boldsymbol{u}_i\rangle}{\langle\boldsymbol{u}_i,\boldsymbol{u}_i\rangle}\boldsymbol{u}_i,\quad k=2,3,\dots,p.
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\end{align*}$$
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单位化过程
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单位化得
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$$\boldsymbol{\varepsilon}_k = \frac{\boldsymbol{u}_k}{\|\boldsymbol{u}_k\|},\quad
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k=1,2,3,\dots,p$$
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还有另一个更加常用的正交化法:$$\begin{aligned}
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\boldsymbol u_1&=\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\varepsilon_1=\dfrac{\boldsymbol u_1}{\|\boldsymbol u_1\|},\\
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\boldsymbol u_k&=\boldsymbol\alpha_k-\sum_{i=1}^{k-1}\langle\boldsymbol\varepsilon_i,\boldsymbol\alpha_k\rangle\boldsymbol\varepsilon_i,\boldsymbol\varepsilon_k=\dfrac{\boldsymbol u_k}{\|\boldsymbol u_k\|}(k=2,3,\cdots,p).
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\end{aligned}$$
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### **例子**
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>[!example] **例3**
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已知 $\boldsymbol{\alpha}_1,\boldsymbol{\alpha}_2,\dots,\boldsymbol{\alpha}_5$ 为欧氏空间 $V$ 的一组标准正交基,令$$\boldsymbol{\beta}_1 = \boldsymbol{\alpha}_1+\boldsymbol{\alpha}_3,\quad
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@ -91,17 +90,15 @@ $U = \text{span}\{\boldsymbol{\beta}_1,\boldsymbol{\beta}_2,\boldsymbol{\beta}_3
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>$$\boldsymbol{\gamma}_3=\boldsymbol{\beta}_3-\dfrac{\langle\boldsymbol{\beta}_3,\boldsymbol{\gamma}_1\rangle}{\langle\boldsymbol{\gamma}_1,\boldsymbol{\gamma}_1\rangle}\boldsymbol{\gamma}_1-\dfrac{\langle\boldsymbol{\beta}_3,\boldsymbol{\gamma}_2\rangle}{\langle\boldsymbol{\gamma}_2,\boldsymbol{\gamma}_2\rangle}\boldsymbol{\gamma}_2$$
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>$$\langle\boldsymbol{\beta}_3,\boldsymbol{\gamma}_1\rangle=3,\quad
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\langle\boldsymbol{\beta}_3,\boldsymbol{\gamma}_2\rangle=0$$
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>$$\boldsymbol{\gamma}_3=\frac{1}{2}\boldsymbol{\alpha}_1+\boldsymbol{\alpha}_2-\frac{1}{2}\boldsymbol{\alpha}_3$$
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>$$\boldsymbol{\gamma}_3=-\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2+\boldsymbol{\alpha}_3+3\boldsymbol\alpha_4$$
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>步骤2:单位化
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$$\boldsymbol{\varepsilon}_1=\dfrac{\boldsymbol{\gamma}_1}{\|\boldsymbol{\gamma}_1\|}=\dfrac{\boldsymbol{\alpha}_1+\boldsymbol{\alpha}_3}{\sqrt{2}}$$
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$$\|\boldsymbol{\gamma}_2\|=\sqrt{\dfrac{5}{2}}$$
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$$\boldsymbol{\varepsilon}_2=\dfrac{\boldsymbol{\alpha}_1-2\boldsymbol{\alpha}_2-\boldsymbol{\alpha}_3+2\boldsymbol{\alpha}_4}{\sqrt{10}}$$
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$$\|\boldsymbol{\gamma}_3\|=\sqrt{\dfrac{3}{2}}$$
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$$\boldsymbol{\varepsilon}_3=\dfrac{\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2-\boldsymbol{\alpha}_3}{\sqrt{6}}$$
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$$\|\boldsymbol{\gamma}_2\|=\sqrt{\dfrac{5}{2}},\boldsymbol{\varepsilon}_2=\dfrac{\boldsymbol{\alpha}_1-2\boldsymbol{\alpha}_2-\boldsymbol{\alpha}_3+2\boldsymbol{\alpha}_4}{\sqrt{10}}$$
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$$\|\boldsymbol{\gamma}_3\|=\sqrt{\dfrac{3}{2}},\boldsymbol{\varepsilon}_3=\dfrac{-\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2+\boldsymbol{\alpha}_3+3\boldsymbol\alpha_4}{\sqrt{19}}$$
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>$U$ 的标准正交基为
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>$$\boldsymbol{\varepsilon}_1=\frac{\boldsymbol{\alpha}_1+\boldsymbol{\alpha}_3}{\sqrt{2}},\quad
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\boldsymbol{\varepsilon}_2=\frac{\boldsymbol{\alpha}_1-2\boldsymbol{\alpha}_2-\boldsymbol{\alpha}_3+2\boldsymbol{\alpha}_4}{\sqrt{10}},\quad
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\boldsymbol{\varepsilon}_3=\frac{\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2-\boldsymbol{\alpha}_3}{\sqrt{6}}$$
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\boldsymbol{\varepsilon}_3=\dfrac{-\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2+\boldsymbol{\alpha}_3+3\boldsymbol\alpha_4}{\sqrt{19}}$$
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>[!example] **例4**
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>已知 $A$ $=$ $[\boldsymbol{\alpha}_1\ \boldsymbol{\alpha}_2\ \boldsymbol{\alpha}_3\ \boldsymbol{\alpha}_4]$ 为正交矩阵,其中
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@ -109,9 +106,8 @@ $$\boldsymbol{\varepsilon}_3=\dfrac{\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2
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\boldsymbol{\alpha}_4 = \frac{1}{6}\begin{bmatrix}2\sqrt{6}\\0\\-\sqrt{6}\\-\sqrt{6}\end{bmatrix}$$
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试求一个$\boldsymbol{\alpha}_1$ 和一个 $\boldsymbol{\alpha}_2$。
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>[!note] **解析**
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>$\boldsymbol{\alpha}_1,\boldsymbol{\alpha}_2$必须与 $\boldsymbol{\alpha}_3,\boldsymbol{\alpha}_4$都正交,且$\boldsymbol{\alpha}_1 与 \boldsymbol{\alpha}_2$ 也正交,模长为1。
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>$\boldsymbol{\alpha}_1,\boldsymbol{\alpha}_2$必须与 $\boldsymbol{\alpha}_3,\boldsymbol{\alpha}_4$都正交,且$\boldsymbol{\alpha}_1 与 \boldsymbol{\alpha}_2$ 也正交,模长为 $1$。
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>设 $\boldsymbol{x}=(x_1,x_2,x_3,x_4)^T$,正交条件等价于方程组:
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>$$\begin{cases}
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\langle\boldsymbol{x},\boldsymbol{\alpha}_3\rangle = x_1 - 2x_2 + 2x_4 = 0\\
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@ -119,16 +115,10 @@ $$\boldsymbol{\varepsilon}_3=\dfrac{\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2
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\end{cases}$$
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>解上述齐次方程组,得到两个线性无关的解:
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>$$\boldsymbol{\xi}_1=(2,1,4,0)^T,\quad
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\boldsymbol{\xi}_2=(0,1,0,1)^T$$
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>正交化
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>$$\boldsymbol{\beta}_1 = \boldsymbol{\xi}_1 = (2,1,4,0)^T$$
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>$$\boldsymbol{\beta}_2 = \boldsymbol{\xi}_2 - \frac{\langle\boldsymbol{\xi}_2,\boldsymbol{\beta}_1\rangle}{\langle\boldsymbol{\beta}_1,\boldsymbol{\beta}_1\rangle}\boldsymbol{\beta}_1
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= (0,1,0,1)^T - \frac{1}{21}(2,1,4,0)^T
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= \left(-\frac{2}{21},\frac{20}{21},-\frac{4}{21},1\right)^T$$
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>单位化$$\boldsymbol{\alpha}_1 = \frac{\boldsymbol{\beta}_1}{\|\boldsymbol{\beta}_1\|}=\frac{1}{\sqrt{21}}(2,1,4,0)^T$$
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>$$\boldsymbol{\alpha}_2 = \frac{\boldsymbol{\beta}_2}{\|\boldsymbol{\beta}_2\|}
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=\frac{1}{3\sqrt{105}}(-2,20,-4,21)^T$$
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>满足条件的一组标准正交向量为:$$\boldsymbol{\alpha}_1 = \frac{1}{\sqrt{21}}\begin{bmatrix}2\\1\\4\\0\end{bmatrix},\quad\boldsymbol{\alpha}_2 = \frac{1}{3\sqrt{105}}\begin{bmatrix}-2\\20\\-4\\21\end{bmatrix}$$
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\boldsymbol{\xi}_2=(0,1,-1,1)^T$$
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>用施密特正交化法得 $$\boldsymbol u_1=\boldsymbol \xi_1,\boldsymbol\varepsilon_1=\dfrac{\boldsymbol u_1}{\|\boldsymbol u_1\|}=\dfrac{1}{\sqrt{21}}(2,1,4,0)^\text{T},$$
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>$$\boldsymbol u_2=\boldsymbol \xi_2-\langle\boldsymbol \xi_2,\boldsymbol \varepsilon_1\rangle\boldsymbol \varepsilon_1=\dfrac{1}{7}(2,8,-3,7)^\text{T},\boldsymbol \varepsilon_2=\dfrac{\boldsymbol u_2}{\|\boldsymbol u_2\|}=\dfrac{1}{4\sqrt 5}(2,0,-3,7)^\text T$$
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>满足条件的一组标准正交向量为:$$\boldsymbol{\varepsilon}_1 = \frac{1}{\sqrt{21}}\begin{bmatrix}2\\1\\4\\0\end{bmatrix},\quad\boldsymbol{\varepsilon}_2 = \frac{1}{4\sqrt{5}}\begin{bmatrix}2\\0\\-3\\7\end{bmatrix}.$$
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# Section 2 实对称矩阵的正交变换与二次型
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@ -179,19 +169,19 @@ $$\boldsymbol{\varepsilon}_3=\dfrac{\boldsymbol{\alpha}_1+2\boldsymbol{\alpha}_2
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合同变换法直接对实对称矩阵 $A$ 进行初等变换,通过“初等行变换+同步初等列变换”,将 $A$ 化为对角阵 $\Lambda$ ,同步记录初等列变换得到可逆矩阵 $C$,本质是直接构造 $C^TAC=\Lambda$ 。
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>[!tip] 核心步骤:
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>1. 构造分块矩阵 $\begin{bmatrix}A\\I\end{bmatrix}$ (I为单位矩阵);
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>1. 构造分块矩阵 $\begin{bmatrix}A\\E\end{bmatrix}$ ($E$为单位矩阵);
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>2. 对 $A$ 施行初等行变换的同时,对整个分块矩阵的列施行相同的初等列变换,使 $A$ 化为对角阵 $\Lambda$ ;
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>3. 此时下方单位矩阵I同步化为可逆矩阵 $C$,满足 $C^TAC=\Lambda$ ,对应线性代换 $X=CY$ ,二次型化为标准型 $f=\Lambda_{11}y_1^2+\Lambda_{22}y_2^2+...+\Lambda_{nn}y_n^2$ 。
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>3. 此时下方单位矩阵 $E$ 同步化为可逆矩阵 $C$,满足 $C^TAC=\Lambda$ ,对应线性代换 $X=CY$ ,二次型化为标准型 $f=\lambda_{11}y_1^2+\lambda_{22}y_2^2+...+\lambda_{nn}y_n^2$ 。
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**特点**:直接关联矩阵合同关系,**直观体现二次型化标准型的本质**;标准型系数不唯一,C由初等变换直接得到;适用于需明确合同矩阵的场景,计算量介于配方法与正交变换法之间。
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#### (三)**正交变换法(特殊可逆代换,保几何度量)**
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正交变换法利用实对称矩阵可正交对角化的性质,构造正交矩阵Q(满足 $Q^T=Q^{-1}$ ),使 $Q^TAQ=\Lambda$ ,其中 $\Lambda$ 的对角元为A的特征值,对应的线性代换 $X=QY$ 为正交变换。
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正交变换法利用实对称矩阵可正交对角化的性质,构造正交矩阵 $Q$(满足 $Q^T=Q^{-1}$ ),使 $Q^TAQ=\Lambda$ ,其中 $\Lambda$ 的对角元为 $A$ 的特征值,对应的线性代换 $X=QY$ 为正交变换。
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>[!tip] 核心步骤:
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>1.求二次型对应实对称矩阵 $A$ 的全部特征值 $\lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_n$
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>1. 求二次型对应实对称矩阵 $A$ 的全部特征值 $\lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_n$
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>对每个特征值,求对应的特征向量,并将属于同一特征值的特征向量正交化;
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>2.将所有正交化后的特征向量单位化,得到正交矩阵 $Q$;
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>3作正交变换 $X=QY$ ,二次型化为标准型$f=\lambda_1y_1^2+\lambda_2y_2^2+...+\lambda_ny_n^2$ 。
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>2. 将所有正交化后的特征向量单位化,得到正交矩阵 $Q$;
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>3. 作正交变换 $X=QY$ ,二次型化为标准型$f=\lambda_1y_1^2+\lambda_2y_2^2+...+\lambda_ny_n^2$ 。
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**特点**:标准型系数为 $A$ 的特征值,具有唯一性(不计顺序);正交变换保持向量长度、夹角不变,几何意义明确(如旋转、反射变换);但计算量较大,需求解特征值和特征向量。
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