设二次型f(χ1,χ2,χ3)=χ12+aχ22+χ32+2χ1χ2-2χ2χ3-2aχ1χ3的正、负惯性指数都是1. (Ⅰ)计算a的值; (Ⅱ)用正交变换将二次型化为标准形; (Ⅲ)当χ满足χTχ=2时,求f的最大值与最小值.

admin2017-11-09  49

问题 设二次型f(χ1,χ2,χ3)=χ12+aχ22+χ32+2χ1χ2-2χ2χ3-2aχ1χ3的正、负惯性指数都是1.
    (Ⅰ)计算a的值;
    (Ⅱ)用正交变换将二次型化为标准形;
    (Ⅲ)当χ满足χTχ=2时,求f的最大值与最小值.

选项

答案(Ⅰ)二次型的矩阵为A=[*],则二次型的正、负惯性指数都是1,可知R(A)=2, |A|=[*]=(a+2)(a-1)2=0, 所以a=-2,或a=1,又a=1时,显然R(A)=1,故只取a=-2. (Ⅱ)此时|λE-A|=λ(λ+3)(λ-3),所以A的特征值是3,-3,0. 当λ1=3时,解方程组(3E-A)χ=0,得基础解系为α1=(1,0,1)T; 当λ2=-3时,解方程组(-3E-A)χ=0,得基础解系为α2=(1,-2,-1)T; 当λ2=0时,解方程组(0E-A)χ=0,得基础解系为α3=(1,1,-1)T. 将α1,α2,α3单位化得 [*] 因此所求的正交变换为 [*] 所求的标准形为3y12-3y22. (Ⅲ)由于χ=Qy,可知χTχ=(Qy)TQy=yTQTQy=yTy.因此限制条件χTχ=2也等价于yTy=y12+y22+y32=2. 由于二次型为3y12-3y22, 易知其在y12y22y32=2时,最大值为6,最小值为-6.

解析
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