标准形与规范形
🏠 第15章概念导航
核心问题
“化为标准形”这四个字在题面上有两种截然不同的意思。哪一种要求系数必须是特征值?哪一种的答案唯一? 分不清这两点,本章至少一半的题会答错。
核心定义 / 定理 / 结论
三个”形”
| 名称 | 长相 | 唯一吗 | 用什么变换 |
|---|---|---|---|
| 标准形 | 不唯一 | 任何可逆线性变换 | |
| 正交变换下的标准形 | 同上,但 | 差一个排序 | 正交变换 |
| 规范形 | 唯一 | 任何可逆线性变换 |
题面只说"化为标准形"
"经正交变换化为标准形" 前者系数五花八门(配方法出来的多半不是特征值);后者的系数就是特征值。判断题常拿这个差别做文章:给一组特征值,问能否经正交变换化成某个标准形——答案取决于系数集合与谱是否逐个相等,不只是正负号个数相等。
惯性指数
在任何可逆线性变换下不变(惯性定理),所以规范形唯一。
定惯性指数的”三件套”
3 阶且
| 结论 | 规范形 | |
|---|---|---|
| 秩 3,两负一正 | ||
| 秩 3,两正一负 | ||
| 秩 | —— |
推理只有一行:
纯交叉项二次型(没有平方项)的三招
- 和差代换
造出平方项,转入常规配方; - 拆成两个线性型之积
: 线性无关时 ; 成比例时 ; - 三件套:算
(必为 0)与 ,查上表。
选择填空一律走第 3 招,解答题才用第 1 招
三件套只需算一个 3 阶行列式;和差代换要写出完整的可逆变换矩阵,是解答题才需付的代价。
特殊结构:环状平方和
典型题型
- 给
求标准形/规范形/惯性指数(尤其纯交叉项); - 已知正交变换下的标准形,反求参数 —— 用
与 ,必须回代验谱; - 判断两个”形”是否可由同一个二次型得到;
- 环状平方和的秩与正定性。
图示 / 直觉
标准形 = 把等高面
- 正交变换只旋转,半轴长度
原样保留 系数必须是特征值; - 一般可逆变换还允许沿各轴任意伸缩,半轴长度可以随意改
系数随便,但**“哪几个方向撑出闭合面、哪几个撑出喇叭口”改不掉** 不变; - 规范形把每根半轴都缩放到长度 1,只剩”正/负/退化”三种状态
唯一。
常见误用
把配方法的系数当成特征值
同一个
,正交变换给 、配方法给 ——都对,因为标准形不唯一。只有”经正交变换”时系数才是特征值。
只用
与 反求参数而不验谱 三个数的和与积相同,第三个对称函数可以不同,谱就不同。
个数要 个对称函数才定得死。
纯交叉项就以为
秩 2, ; 秩 3, 。先定秩,再定符号分配。
标准形缺项时忘了那个
“标准形为
“(3 元)说明第三个特征值是 0, 而不是别的。
与旧知识的连接
- 第10章:
、二阶主子式和 是三件套的计算工具; - 第14章:
、 、 全部照搬; - 第15章内部:规范形是合同的完全不变量,是”求合同变换矩阵”的中间站。
题型训练
- 标准形、规范形与惯性指数(7 题,本页主战场)
- 由 A 的谱推导出矩阵的规范形(6 题)
- 正交变换化标准形(12 题)
- 配方法与可逆线性变换(6 题)