线性代数与空间解析几何(哈工大)8课件

第八章二次型与二次曲面二次型讨论的对象是多元二次齐次函数，这种函数在物理、统计、规划、极值等问题中有广泛的应用．例如在三维空间的几何问题中，一般二次曲面在直角坐标系下表示为三元二次函数，通过对二次型的讨论，可以研究二次曲面的分类.本章主要讨论：1．

二次型的理论；2．

空间曲面与曲线；3.二次曲面的分类．

第八章二次型与二次曲面二次型讨论的对象是多元二次18.1实二次型8.1.1二次型的定义及矩阵表示1．定义8.1个变量的二次齐次函数

称为元二次型，简称二次型.当为实数时，称为实二次型，为复数时为复二次型，本书只讨论实二次型．8.1实二次型1．定义8.1个变量22．矩阵形式：

则二次型的矩阵形式为

为二次型的矩阵,为二次型的秩．

3．二次型对称阵注：讨论二次型问题，首要的问题是给定二次型能准确地写出二次型的矩阵，反之，给定一个对称阵，会写出以它为矩阵的二次型.这里的关键概念是二次型的矩阵是一个对称矩阵.2．矩阵形式：则二次型的矩阵形式为3．二次型3

例1设二次型试写出二次型的矩阵.（为三元二次型）

解：将交叉项的系数即平均分配给及的二次型的系数矩阵为.例1设二次型4

例２将二次型写成矩阵形式.

解：是一个四元二次型，先写出二次型的矩阵

例２将二次型5

例３设，试写出以为矩阵的二次型.

分析：是一个3阶对称阵，对应的三元二次型，把与合并后写出二次型.

解：设

例３设68.1.2合同矩阵1．定义8.2（合同）二个阶方阵和，可逆阵，使，则称与合同（Congruent）记成.矩阵合同的定义与矩阵相似的定义很相似，也是阶方阵之间的一种等价关系.即2．合同等价，合同等秩，反之都不成立．但不等秩，则一定不合同.3．合同关系具有以下性质：（1）自反性：.（2）对称性：则.（3）传递性：，则.（4）与合同，则.可逆，.8.1.2合同矩阵3．合同关系具有以下性质：74．（二次型的变换）合同二次型设二次型，经可逆线性变换（可逆）

其中，即与合同，仍是对称阵.所以经可逆线性变换后，二次型的对应矩阵是合同的.也可以说：合同的矩阵是同一二次型关于不同变量的矩阵[我们教材是将变量看成个基下的坐标，是一个基到另一个基的过渡矩阵，合同阵是不同基下的矩阵].5．实对称阵（不但和对角阵相似，也与对角阵合同）.由于实对称可正交相似对角化.所以存在正交阵，使所以实对称阵都与对角阵合同.换句话说，就是任意实二次型都可通过一个适当的可逆线性变换化成只有平方项而没有混合项.这就引出了二次型的标准形的概念.4．（二次型的变换）合同二次型5．实对称阵8

例4.与矩阵既相似又合同的矩阵是（）

（A）.（B）.（C）.（D）.

分析：是实对称矩阵，所以正交阵，使它和一个对角阵既相似又合同，对角阵的对角元恰是的特征值.例4.与矩阵9

解：的特征值是，与既相似又合同的矩阵是，所以应选（D）.解：108.2化实二次型为标准1．标准二次型：只含有平方项的二次型称为元二次型的一个标准型.不惟一.线性变换为

设（1）

令（1）可变为.但不惟一.（2）当是可逆阵时.（1）式是可逆线性变换.

8.2化实二次型为标准11注1º的秩的标准形中系数不为0的平方项的个数.2º任一个实二次型都可通过可逆线性变换化为标准形.元二次型的标准形不惟一，有三种方法化标准形.8.2.1用正交变换化实二次型为标准形对于实二次型，最实用的方法是正交变换法，即所作的可逆线性变换中可逆矩阵不只是可逆，还是正交矩阵.这个正交阵的存在是由实对称矩阵的性质决定的，值得注意的是这种方法仅限于实二次型.

定理8.1对元实二次型，正交线性变换：（不惟一），使二次型化为标准形.是的个特征值.注1º12

例5

用正交线性变换化实二次型为标准形.化成标准形.

解：（1）二次型的矩阵为（2）由，得的特征值为.（3）对时，解.即例5用正交线性变换化实二次型为标准形.（2）由13所以得同解方程组为

得基础解系为.正交化：

∥所以得同解方程组为∥14单位化：

当时，由方程组单位化：当时，由方程组15即

得基础解系为，单位化为.即16得正交阵.则

注：正交变换不惟一，但正交变换得到的标准形是惟一的.（不考虑对角元的次序时）得正交阵178.2.2用配方法化二次型为标准形如果不考虑正交变换，可以用可逆线性变换把二次型化为标准形，得到标准形不是惟一的.

例6

用配方法将二次型化为标准形

分析：这是只有交叉项没有平方项的二次型，先对用平方差公式.

解：令（1）则

8.2.2用配方法化二次型为标准形例6用配方法18

再令（2）

则

所作可逆线性变换为（2）代入（1）得再令19

可逆.为可逆线性变换.8.2.3用初等变换法化二次型为标准形矩阵的初等变换法是对二次型矩阵，构造一个的矩阵，对交替作初等行变换和相应的初等列变换，对作列变换时，同时对作相同的列变换，当化作标准形时，就化作了.这就是作可逆线性变换那个可逆矩阵.

对角阵.

20

例7用初等变换法将下列二次型化为标准形，并求可逆线性变换

分析：由于左上角的元素为0，而主对角线上第二个元素不为0，将第一列和第二列变换，同时将第一行和第二行交换，使得左上角元素不为0.解：例7用初等变换法将下列二次型化为标准形，并求可逆21由此得标准形所用的可逆线性变换为所以8.3正定实二次型8.3.1实二次型的惯性定律我们知道元二次型都可以通过一个可逆线性变换化为标准形，标准形不唯一，因为用不同的可逆线性变换把同一个实二次型化为标准形时，这些标准形中的系数一般说是不同的.但在实可逆线性变换下，同一个实二次型的标准形中的正系数、负系数及零系数的个数是不变的，（实可逆线性变换可以不同），这就是实二次型的惯性定律.由此得标准形8.3正定实二次型22

定理8.2设元实二次型经实可逆线性变换分别化成标准形

及则中正数的个数，负数的个数及0的个数都与中正数的个数，负数的个数及0的个数相同，正数的个数称为的正惯性指数，记为负数的个数称为的负惯性指数，记为.8.3.2正定二次型对于实二次型有一个特别重要的性质——正定性.1．定义8.3设有元实二次型，如果对且，都有，则称为正定（负定、半正定、半负定）二次型.的矩阵称为正定（负定、半正定、半负定）矩阵.定理8.2设元实二次型232．正定阵实对称阵，但反之不一定.3．二次型正定的充要条件：

定理8.3实二次型正定正惯性指数（标准形中个系数全为正）.

证：设，经实可逆性变换化为.反证：若某个取，而而2．正定阵实对称阵，但反之不一定.定理824与正定矛盾，正惯性指数.维实向量，由可逆知

故为正定二次型.与正定矛盾，正惯性指数.25

推论8.1实二次型正定的矩阵的特征值全大于.

证

是实二次型，由定理8.1知正交变换，使

由定理8.3知，正定

其中.

推论8.2实二次型正定实可逆阵使，.

证维实向量可逆，.

所以是正定二次型.

已知是正定二次型，由推论8.1知，正交阵，使

，

推论8.1实二次型正定的矩阵26

令，则所以由可逆及可逆，知可逆.令27定理8.4实对称阵为正定的的各阶顺序主子式都大于零.即总结：二次型正定的充要条件实二次型正定的正惯性指数.的特征值全大于实可逆阵，使.的各阶顺序主子式全

与合同

注：当正定时，可证，正定.负定正定.的奇数阶主子式，偶数阶主子式.定理8.4实对称阵为正定的的各阶顺序28重点与难点：在实二次型（或实对称阵）中，合同是一种分类的办法，正定性是另一种分类的方法，重点是正定二次型（或正定矩阵）.注：说或是正定的，已经包涵了实对称，，可逆，及.利用的正定性，来证明其他的问题，则是一个难点，要具体问题具体分析.1．正定阵（正定二次型的判断）

例8判别二次型的正定性.

解

二次型的对应矩阵为重点与难点：在实二次型（或实对称阵）中，合同是一种分29，和具有相同的正定性，故判定的正定性即可（将分数运算化成参数运算）

30

的全部顺序主子式都大于0.正定，正定.的全部顺序主子式都大于31

例9判断阶矩阵是否正定阵..

解法1

顺序主子式：，

正定.例9判断阶矩阵32

解法2

求的特征值.

得的特征值为全.故正定.2．矩阵（二次型）正定性的证明解法2求的特征值.33例10

设是阶正定阵，证明也正定.证因为正定,所以是实对称，即，可逆，也是实对称.证1用正定阵全部特征值.已知正定，的个特征值都.又的特征值为都,正定.

证2

正定实可逆阵使.求逆令为实可逆阵，所以正定.例10设是阶正定阵，证明也正定.证34

例11设是阶实对称阵，其中正定,试证当实数充分大时，也正定.

证由正定，可逆阵，使，即，令.

仍是对称阵，故正交阵，

使，其中是的特征值.例11设是阶实对称阵，其中35

正定（由Th8.3）.当时，全，.由Th8.3知正定，从而正定，（实对称显然）.正定（由Th8.3）.36

例12设为实，证明是正定的.证是实对称阵.若正定，则.又.设，则齐次方程组只有0解.对，有，设.

由二次型定义知，正定.

例12设为实，证明378.4空间中的曲面与曲线

在3.3节已熟悉了平面和空间的直线与三元一次方程之间的关系，现在在前两节研究二次型的基础上，本节重点又从代数转向几何，主要是讨论二次曲面.与平面、直线一样，曲面和曲线也可以看成是满足某种条件的点的集合.在坐标系下，这个条件表现为方程.8.4空间中的曲面与曲线38在空间直角坐标系下，若曲面和三元方程有下述关系：曲面上的任一点的坐标都满足方程；坐标满足方程的点都在曲面上，则称方程为曲面的方程，也称为方程的图形.下面对几何特征很明显的几种常见的曲面和曲线建立它们的方程.在空间直角坐标系下，若曲面和三元方程有下述关系：39已知球心在点，半径为，求该球面的方程.

在球面上，有，

该球面方程为（*）

如果球心在坐标原点，球面方程为将（*）展开，得

这个方程的特点是：（1）是三元二次方程（2）二次项的系数相同（3）没有交叉项.8.4.1球面已知球心在点，半径为，40满足这三个条件的方程一般说来图形也是球面,可将其配方为

时，表示球心在,半径为的球面；

时，球面收缩为一点（点球面）；

时，无图形（虚球面）．例1.配方得表示球心为的球面.满足这三个条件的方程一般说来图形也是球面,可将其配方为

41平行于定直线并沿定曲线移动的直线形成的轨迹叫做柱面，定曲线叫做柱面的准线，动直线叫做柱面的母线.设柱面的母线轴，准线是平面上的曲线，则此柱面方程为.一般地，含有两个变量的方程在平面上表示一条曲线，在空间里表示一个柱面,母线平行于不出现的那个变量对应的坐标轴，同理表示母线平行于轴的柱面，表示母线平行于轴的柱面.8.4.2柱面平行于定直线并沿定曲线移动的直线42

例2表示母线平行于轴的双曲柱面.

例3表示母线平行轴的平面.平面曲线绕平面一直线旋转一周，所成的曲面叫做旋转曲面.曲线称为母线，称为旋转轴.设在面上，给定曲线：将其绕轴旋转一周，求此旋转曲面方程.8.4.3旋转曲面

例2表示母线平行于轴的43设为曲面上任一点，位于曲线上点的转动轨道（圆周）上，显然，且.

又由到轴的距离相等，有

，

所以旋转曲面方程为.

同理曲线绕轴转一周得旋转曲面方程为：总之，在坐标面上的曲线绕其上一个轴转动得到的旋转曲面方程可以这样写处：将曲线方程中与转轴相同的变量不动，而把另一个变量换为它自己的平方与方程未出现的变量的平方和的平方根即可.设为曲面上任一点，位于曲线44例4直线绕轴转动得到的曲面为

即，或.

图称为圆锥面，其半顶角的正为.例5椭圆绕轴旋转得到旋转椭球面：例4直线绕轴转动得到45例6双曲线绕轴旋转得旋转单叶双曲面例7抛物线绕轴旋转得旋转抛物面

一般地说：在一个方程中，若有两个变量以平方和的形式出现，它就是旋转曲面的方程.例6双曲线绕轴旋转得46一、空间曲线的一般方程

空间曲线可以看作两曲面，的交线

称为空间曲线的一般方程.

注：由于过曲线的曲面有无穷多，所以的方程不唯一.例如，以原点为球心，1为半径的球面与面的交线，是平面上的以原点为圆心的单位圆，其方程为

8.5空间曲线及其方程一、空间曲线的一般方程

空间曲线可以看作两曲面47例8方程组表示怎样的曲线.

解为平行于轴的圆柱面,为平行于轴的平面，方程组表示平面与圆柱面的交线.例9方程组表示怎样的曲线.

解第一个方程表示以原点为球心，a为半径的球的上半球面.第二个方程表示准线为的面上的圆且母线平行于轴的圆柱面.方程组为上半球面与圆柱面的交线.也称为维维亚尼曲线.例8方程组表示怎样的曲线.48例10曲面与坐标面的交线是什么？

解

①与面的交线：即曲线是

椭圆；

②与面的交线：是双曲线；

③与面的交线：是双曲线.例10曲面49二、空间曲线的参数方程与平面曲线一样，空间曲线也可由参数方程表示，上的动点为参数的函数，给定得上的一点随的变动便得到的全部点.

即为曲线的参数方程.二、空间曲线的参数方程与平面曲线一样，空间曲线50例11在圆柱面上有一动点以角速度右旋绕轴转动同时又以匀速沿母线上升，求点的运动轨迹方程.

解取时间t为参数，当时，点位于处，经过时间，动点由运动到，在面上的投影为.

角速度是，则参数方程变为

螺旋线在实践中常用到，例平头螺钉的缘曲线就是螺旋线，螺旋线上升的高度与速度成正比，当转过一周时，上升的高度在工程技术上称为螺距.例11在圆柱面上有一动点51三、空间曲线在坐标面上的投影以空间曲线为准线，作母线平行于轴（或轴、或轴）的柱面，这个柱面与坐标面（或、）的交线称为曲线在坐标面（或、）上的投影（曲线）.三、空间曲线在坐标面上的投影以空间曲线52求空间曲线的投影是很重要的，若已知曲线的方程为

从这个方程组中，消去所得到的方程，就是以为准线，母线平行于轴的柱面方程，故在面上的投影为

同样从的方程中消去或，可得到在和面上的投影.求空间曲线的投影是很重要的，若已知曲线53例12已知两球面的方程为①和

②求它们的交线在面上的投影方程

解先求母线平行轴过曲线的柱面方程，从①②中消去，①-②化简得再以代入①或②得柱面方程为

两球面交线在面上的投影是例12已知两球面的方程为548.6二次曲面在第五节我们讲了空间曲面的概念，建立了球面方程和各种柱面方程等.这节我们要专门讨论二次曲面，在平面几何中我们研究了二次曲线、圆、椭圆、抛物线、双曲线等，在空间解析几何中我们将三元二次方程所表示的曲面称为二次曲面，平面称为一次曲面.8.4节讲过球面、圆柱面、抛物面和双曲面，这些都是二次曲面在那节里我们只是粗略地描绘它们的图形.平面解析几何中有时用描点法研究它的图形，对于三元方程所表示的曲面的形状，显然难以用描点法得到，这节我们用截痕法来研究常用的二次曲面，即用坐标和平行于坐标面的平面与曲面相截，考察其交线（即截痕的形状，然后加以综合，从而了解曲面的全貌）.8.6二次曲面在第五节我们讲了空间曲面的概念，建55一、椭球面

由方程（1）

所确定的曲面叫做椭球面,称为椭球面的半轴，由（1）知

，

即

椭球面（1）完全包含在以原点为中心的长方体内.

为了知道这一曲面的形状，我们先求出它与三个坐标面的交线

一、椭球面

由方程56这些交线都是椭圆，再看这曲面与平行于面的平面的交线

这是平面内的椭圆，它的两个半轴分别为,当由小变大时，椭圆的截面由大到小，最后缩成一点，且这一系列椭圆的中心都在轴上，同样用平行于面和平行于面的平面截椭球面，分别可得类似的结论.根据这些截痕，就可以知道椭球面的形状.特殊地：当时，方程（1）变为球面，当时，（1）变为，是由