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第六章 二次型与二次曲面

本章把矩阵、特征值和空间几何联系起来:理解实二次型及其标准形、正定性,并能识别常见二次曲面和空间曲线。

开始本章挑战

完成本章挑战后,会在这里保留最近一次结果。

本章从一个问题开始

含有平方和交叉项的式子,背后藏着怎样的形状与稳定性?

二次型通过换元化成标准形,正定性判断各方向的符号,二次曲面再把代数式还原为空间形状。

  1. 01

    二次型:用矩阵收拢交叉项

  2. 02

    正定性:检查每个方向

  3. 03

    二次曲面:从方程读出形状

从“实二次型与标准形”开始

讲座提炼

把“听过”变成可复习的线索

从特征方向到二次型:把交叉项化成主方向

特征向量给出线性变换的稳定方向;实对称矩阵的正交对角化则把二次型换到更容易判断的平方项坐标中。

  • 特征向量必须非零;先解特征值,再解对应齐次方程组。
  • 实对称矩阵可以正交对角化,得到的对角元就是特征值。
  • 判断正定时先确认对应对称矩阵,再看每个主方向上的系数是否为正。
微型例题:标准形 d₁y₁²+d₂y₂² 中 d₁、d₂ 都为正,能说明什么?
切入点:非零 Y 至少有一个分量非零,平方项和严格为正,因此该二次型正定。

知识点

先选一个小点开始

6.1 实二次型及其标准形

6.1 实二次型及其标准形

实二次型与标准形

实二次型可以用对称矩阵表示,经过可逆变量替换后可化为若干平方项的和。

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6.2 正定二次型

6.2 正定二次型

正定二次型

正定二次型对每个非零向量都给出正值,描述了稳定的“向上开口”二次结构。

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6.2 正定二次型

正定性的顺序主子式判别

对实对称矩阵,所有顺序主子式都为正是判定正定的一种直接方法。

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6.3 曲面与空间曲线

6.3 曲面与空间曲线

曲面与空间曲线的表示

方程和参数都是描述空间几何对象的语言,前者方便判断归属,后者方便追踪运动。

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6.4 二次曲面

6.4 二次曲面

常见二次曲面的识别

二次曲面的符号、常数和变量位置决定它是椭球面、双曲面、锥面还是抛物面。

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6.4 二次曲面

二次曲面的截面法

固定一个变量观察截面,把三维曲面还原成圆、椭圆、双曲线或抛物线,是识别曲面的可靠方法。

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