Перейти к содержанию

Квадратичные формы

Математика Алгебра Сложность 2/5

Начало урока

Квадратичные формы

От многочлена к матрице и обратно — собственные значения, главные оси, знакоопределённость и геометрия поверхностей второго порядка


1. Что такое квадратичная форма?

1.1 Объект изучения

Квадратичная форма — это однородный многочлен второй степени от нескольких переменных. «Однородный» означает, что каждый член имеет суммарную степень ровно 2 — линейных членов и свободного члена нет.

Примеры для двух и трёх переменных:
$$ Q(x_1,x_2) = 3x_1^2 - 4x_1 x_2 + 5x_2^2 $$ $$ Q(x_1,x_2,x_3) = x_1^2 + 2x_2^2 + 3x_3^2 - 6x_1 x_2 + 4x_1 x_3 - 2x_2 x_3 $$

Вы уже встречали такие выражения как чисто квадратичные части уравнений конических сечений. Например, в уравнении $3x^2 - 4xy + 5y^2 + 2x - 7y + 1 = 0$ содержится квадратичная форма $3x^2 - 4xy + 5y^2$. Изучение этой квадратичной части позволяет определить, является ли коника эллипсом, гиперболой или параболой.

1.2 Матричное представление — ритуал заполнения

Любую квадратичную форму можно записать компактно:

$$ Q(\mathbf{x}) = \mathbf{x}^T A\, \mathbf{x} $$

где $A$ — симметричная матрица размера $n \times n$, а $\mathbf{x} = \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_n \end{pmatrix}$.

Правило симметризации (запомни раз и навсегда!):
  • Коэффициент при $x_i^2$ записывается на диагональ — в позицию $a_{ii}$.
  • Коэффициент при перекрёстном члене $x_i x_j$ (при $i \neq j$) делится пополам: $\frac{\text{коэффициент}}{2}$ ставится в позицию $(i,j)$ и в позицию $(j,i)$.

Это гарантирует $A = A^T$ (симметричность). Деление пополам — это ритуал заполнения, который нельзя пропускать.

Почему именно симметричная? Любая матрица $B$ даёт ту же квадратичную форму, что и её симметричная часть $A = \frac{B + B^T}{2}$, потому что $\mathbf{x}^T B \mathbf{x} = \mathbf{x}^T A \mathbf{x}$. Поэтому мы всегда используем симметричного представителя — вся теория (собственные значения, спектральная теорема, знакоопределённость) опирается на симметричность.

1.3 Многочлен → Матрица (две переменные)

Дана $Q(x_1,x_2) = ax_1^2 + bx_1 x_2 + cx_2^2$, тогда матрица:

$$ A = \begin{pmatrix} a & b/2 \\ b/2 & c \end{pmatrix} $$

Конкретный пример: $Q = 5x_1^2 - 6x_1 x_2 + 2x_2^2$

$$ A = \begin{pmatrix} 5 & -3 \\ -3 & 2 \end{pmatrix} $$

Проверка: $\begin{pmatrix} x_1 & x_2 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 5 & -3 \\ -3 & 2 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \end{pmatrix} = 5x_1^2 - 3x_1 x_2 - 3x_2 x_1 + 2x_2^2 = 5x_1^2 - 6x_1 x_2 + 2x_2^2$. ✓

1.4 Матрица → Многочлен (три переменные)

Дана $A = \begin{pmatrix} 1 & -2 & 3 \\ -2 & 4 & 0 \\ 3 & 0 & -1 \end{pmatrix}$, считываем:

  • Диагональные элементы дают квадраты: $1 \cdot x_1^2 + 4 \cdot x_2^2 + (-1) \cdot x_3^2$
  • Внедиагональный элемент $a_{12} = -2$ даёт коэффициент перекрёстного члена $2 \times (-2) = -4$ при $x_1 x_2$
  • $a_{13} = 3$ даёт $2 \times 3 = 6$ при $x_1 x_3$
  • $a_{23} = 0$ даёт $0$ при $x_2 x_3$
$$ Q = x_1^2 + 4x_2^2 - x_3^2 - 4x_1 x_2 + 6x_1 x_3 $$

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя