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◎学习目标
- 掌握 N 元多项式环的通用性质(代入定理):给定环同态和 \(R\) 中 \(n\) 个元素,可以唯一地把不定元代入得到环同态;
- 理解通用性质的应用价值:研究 n 元多项式环的性质就一通百通;
- 理解从二次函数到二次型的过渡:把坐标视为不定元,得到二次齐次多项式;
- 掌握二次型的矩阵表示:任何二次型可以唯一地写成 \(X^TAX\),其中 \(A\) 是对称矩阵;
- 理解为什么要把交叉项拆成两项(\(a_{ij}x_ix_j+a_{ji}x_jx_i\),且 \(a_{ij}=a_{ji}\)),以及这一规定的意义。
1N 元多项式环的通用性质(代入定理) ⏱ 00:01
设 \(F\) 为数域,\(R\) 为有单位元的交换环,\(R_1\) 是 \(R\) 的子环且含 \(R\) 的单位元。设有环同态(homomorphism)\(\tau:F\to R_1\)。⏱ 00:40
对 \(R\) 中任意 \(n\) 个元素 \(t_1,t_2,\dots,t_n\),可以构造一个从 \(F[x_1,\dots,x_n]\) 到 \(R\) 的对应法则,称为 \(\tau(t_1,\dots,t_n)\):
- 对每个不定元 \(x_k\),有 \(\tau(t_1,\dots,t_n)(x_k)=t_k\)(把 \(x_k\) 代入 \(t_k\));
- 保持加法和乘法运算;
- 由于 n 元多项式的表法唯一,该同态是唯一确定的。
证明要点
良定性:n 元多项式表成标准形式唯一(相同项合并),因此代入后得到的元素唯一确定,对应法则良定义。⏱ 02:30
保持加法:两个多项式相加后,对应系数相加,再经 \(\tau\) 作用,与先作用再相加结果一致(因为 \(\tau\) 本身是环同态)。
保持乘法:两个多项式相乘后展开,每一项都是两个单项式相乘,代入后仍满足乘法关系,本质上是因为加法和乘法在形式多项式和环 \(R\) 中都满足相同的运算律(交换环的四条公理)。⏱ 04:00
丘老师说明:证明与一元多项式环的通用性质证明完全类似,此处不再展开。
2通用性质的应用:自代入 ⏱ 05:30
通用性质的一个重要应用是取 \(R=F[x_1,\dots,x_n]\) 本身(即多项式环代换到自身)。此时 \(\tau\) 取为恒等映射,而 \(t_1,\dots,t_n\) 取为 \(F[x_1,\dots,x_n]\) 中的任意 \(n\) 个多项式。⏱ 06:00
丘老师强调:"这个替换非常重要,我们马上就会用到。"⏱ 07:00
核心意义:只要我们在 n 元多项式环上证明了某个关于加法/乘法的等式,那么把这个等式中的不定元 \(x_k\) 全部替换为任意多项式后,等式仍然成立——这就是"一通百通"的思想。⏱ 07:30
3二次型的定义与矩阵表示 ⏱ 08:00
回到本集的出发点:第八章引入的对称双线性函数给出的二次函数 \(Q(\alpha)=X^TAX=\sum_{i,j}a_{ij}x_ix_j\)。⏱ 08:15
现在把 \(x_1,\dots,x_n\) 看作不定元(而不再是坐标变量),从 n 元多项式的角度看这个表达式。由于 \(A\) 是对称矩阵(\(a_{ij}=a_{ji}\)),每一项 \(x_ix_j\)(\(i\neq j\))出现了两次,丘老师故意不合并,而是将交叉项保留为两项,使得系数矩阵保持对称:⏱ 09:30
主对角线元素 \(a_{ii}\) 是 \(x_i^2\) 的系数;非对角线元素 \(a_{ij}\)(\(i\neq j\))是交叉项 \(x_ix_j\) 系数的一半(因为合并前每项占一半)。⏱ 12:00
4二次型矩阵的唯一性 ⏱ 12:30
证明思路:两个二次型作为 n 元多项式相等,意味着对应项的系数完全相同,比较 \(x_ix_j\) 的系数即得 \(a_{ij}=b_{ij}\)(利用对称性)。⏱ 13:30
丘老师预告:下一章(P147 起)的核心任务就是——给定一个 n 元二次型,通过合适的变量替换,把它化成最简单的形式(标准形),并研究哪些二次型是"等价"的。⏱ 15:00
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 忽略"系数矩阵必须对称":二次型的定义明确要求 \(A\) 对称,否则不是二次型。给定了二次型表达式后,要先合并同类项,再将交叉项系数除以 2 填入矩阵的非对角元。
- 混淆"二次型相等"与"多项式相等":两个二次型作为多项式相等,当且仅当它们的对称矩阵相等;但两个多项式相等要求更严格(项完全相同)。
- 代入定理的应用范围:代入定理要求目标环 \(R\) 是交换环且有单位元,条件缺一不可。
- 主对角元与交叉项系数的关系:\(a_{ii}\) 直接是 \(x_i^2\) 的系数,而 \(a_{ij}\)(\(i\neq j\))是 \(x_ix_j\) 合并后系数的一半,容易搞反。
✎自测与作业
- 写出二次型 \(f=3x_1^2+2x_1x_2-4x_1x_3+5x_2^2+6x_2x_3+x_3^2\) 的对称矩阵 \(A\)。
- 验证:对任意对称矩阵 \(A\),矩阵 \(\frac{A+A^T}{2}=A\),说明对称矩阵的自对称性。
- (计算)设 \(f(x_1,x_2)=2x_1^2+4x_1x_2+3x_2^2\),取 \(x_1=y_1+y_2,\;x_2=y_2\),用代入定理计算 \(f\) 在新变量下的表达式,并验证结果仍为二次型。
- (思考)通用性质中,如果 \(R\) 不是交换环,定理还成立吗?如果不成立,哪里会出问题?
- (选做)设 \(F=\mathbb{R}\),证明:\(\mathbb{R}[x_1,\dots,x_n]\) 中任一等次齐次多项式都可以唯一地写成对称矩阵形式 \(X^TAX\)。