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◎学习目标
- 理解非退化线性替换的定义:用可逆矩阵 \(C\) 作一次齐次替换 \(X=CY\)(或等价地,不定元用一次齐次多项式代入);
- 掌握代入后二次型的矩阵变化规律:新二次型的矩阵为 \(C^TAC\)(合同变换);
- 理解二次型的等价定义:两个二次型通过一个非退化线性替换可以互相转化;
- 知道二次型等价构成一个等价关系(自反、对称、传递),从而可将二次型按等价分类;
- 明确本集的核心任务:在每个等价类中寻找最简单的代表元(标准形)。
1非退化线性替换的定义 ⏱ 00:00
设 \(f(x_1,\dots,x_n)=X^TAX\) 是 \(F\) 上的一个 n 元二次型。我们想通过变量替换把它化成更简单的形式。⏱ 00:10
自然的选择是让每个不定元 \(x_i\) 都用 \(x_1,\dots,x_n\) 的一次齐次多项式来代入:
写成矩阵形式,即 \(X=CS\),其中 \(C=(c_{ij})\) 是 \(n\) 阶系数矩阵,\(S=(s_1,\dots,s_n)^T\) 是新不定元列向量。⏱ 00:35
丘老师特别强调,"非退化"这个条件非常关键——它保证了替换是可逆的,从而两种表示之间可以来回转换,不会丢失信息。⏱ 02:10
2代入后仍为二次型:矩阵推导 ⏱ 03:20
将 \(X=CS\) 代入原二次型 \(f=X^TAX\):
令 \(B=C^TAC\),则新表达式为 \(S^TBS\)。下面验证 \(B\) 仍是对称矩阵:⏱ 04:00
最后一步用到了 \(A\) 的对称性(\(A^T=A\))以及 \((C^T)^T=C\)。⏱ 04:30
为什么要求 C 可逆?
若 \(C\) 不可逆,则 \(C\) 的列向量线性相关,替换不是满秩的,相当于把 \(n\) 个变量压缩到了低维空间,会丢失信息(例如一个非零二次型可能变成恒等零)。⏱ 05:30
从合同的角度看,\(C\) 可逆保证了 \(A\) 与 \(B=C^TAC\) 合同的判定理论可以完整使用(合同是等价关系,依赖于可逆性)。
3二次型的等价 ⏱ 06:00
基于非退化线性替换,引入二次型之间的"等价"关系:⏱ 06:10
丘老师强调:"两个二次型是等价的,不是相等的。作为多项式它们一般不相等(我们希望化简),但可以通过非退化线性替换互相转化。"⏱ 07:30
4等价是等价关系 ⏱ 08:00
- 自反性:\(f\cong f\)。取 \(C=I\)(单位矩阵),显然 \(I^TAI=A\)。
- 对称性:若 \(f\cong g\),则 \(g\cong f\)。由 \(B=C^TAC\) 且 \(C\) 可逆,得 \(A=(C^{-1})^T B (C^{-1})\),取 \(D=C^{-1}\) 即可。
- 传递性:若 \(f\cong g\)(矩阵 \(C\))且 \(g\cong h\)(矩阵 \(D\)),则 \(f\cong h\),替换矩阵为 \(CD\)(可逆矩阵之积仍可逆)。
丘老师特别解释为何坚持用同一组不定元 \(x_1,\dots,x_n\) 来表述等价(而非换成一组新符号 \(y_1,\dots,y_n\)):⏱ 09:40
由此,我们的核心任务就清晰了:在每一个等价类中,找到一个最简单形式的代表元——这就是接下来要学习的"二次型标准形"问题。⏱ 10:30
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 混淆"等价"与"相等":等价是可以通过变量替换互化的关系,不等于作为多项式的恒等。两个等价的二次型通常不相等。
- 遗漏"非退化"条件:替换矩阵 \(C\) 必须可逆。若忽略此条件,合同关系不再是等价关系(传递性可能失效)。
- 矩阵乘法顺序错误:\(B=C^TAC\),不能写成 \(CAC^T\) 或其他形式。顺序来源于 \(X=CS\) 代入时 \((CS)^T=A^T(CS)=S^TC^TA(CS)\)。
- 可逆矩阵之积仍可逆:\(\det(CD)=\det C\cdot\det D\neq 0\),这是传递性的关键,容易忘记说明。
- 符号混用:本节用 \(S\) 表新不定元,教材多用 \(Y\),注意对应关系 \(S\leftrightarrow Y\),替换矩阵相同。
✎自测与作业
- 设 \(f=2x_1^2+4x_1x_2+3x_2^2\),取替换 \(x_1=y_1+y_2,\;x_2=y_2\)。验证该替换是非退化的(计算行列式),并求出新二次型的矩阵 \(B\)。
- 验证等价关系的三要素:(a) 自反:\(C=I\) 时 \(I^TAI=A\);(b) 对称:由 \(B=C^TAC\) 推出 \(A=(C^{-1})^TB(C^{-1})\);(c) 传递:\(B=C^TAC,\;D=E^TBE\Rightarrow D=(EC)^TA(EC)\)。
- 设 \(A=\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix}\),求一个可逆矩阵 \(C\) 使得 \(C^TAC\) 为对角矩阵(提示:尝试配方法对应的替换)。
- (思考)若允许 \(C\) 不可逆,等价关系还成立吗?举例说明对称性或传递性哪里会失效。
- (选做)证明:若 \(A,B\) 为实对称矩阵且 \(B=C^TAC\)(\(C\) 可逆),则 \(A\) 与 \(B\) 有相同的正负惯性指数(Sylvester 惯性定理,下集预告)。