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, 任意实数不唯一任何可逆线性变换
正交变换下的标准形同上,但 必须是 的特征值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 (纯交叉项二次型的标配)时直接定死:

结论规范形
秩 3,两负一正
秩 3,两正一负
秩 ,须另判——

推理只有一行: 且不全为零 必有正有负;三个非零数之积为正只能”两负一正”,为负只能”两正一负”。

纯交叉项二次型(没有平方项)的三招

  1. 和差代换 造出平方项,转入常规配方;
  2. 拆成两个线性型之积 : 线性无关时 ; 成比例时 ;
  3. 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

下标循环

半正定,正定 。 的奇偶会翻转结论:3 元的”两两作差”退化,4 元的”符号偶数个负”退化。

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 摆正(主轴对齐坐标轴)后的方程。

  • 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

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