Solution.
Write the given form as 4 x 2 − 4 x y + 2 x z − 4 x y + 3 y 2 − 3 y z + 2 z x − 3 y z + z 2 4x^2-4xy+2xz-4xy+3y^2-3yz+2zx-3yz+z^2 4 x 2 − 4 x y + 2 x z − 4 x y + 3 y 2 − 3 yz + 2 z x − 3 yz + z 2
The corresponding matrix is A = ( 4 − 4 2 − 4 3 − 3 2 − 3 1 ) A=\begin{pmatrix}
4 & -4&2 \\
-4 & 3&-3\\
2&-3&1
\end{pmatrix} A = ⎝ ⎛ 4 − 4 2 − 4 3 − 3 2 − 3 1 ⎠ ⎞
We write A = I A I A=IAI A = I A I
We apply elementary operations on A and we apply the same row operations on the prefactor (R) and column operations on the post factor (C).
( 4 − 4 2 − 4 3 − 3 2 − 3 1 ) = ( 1 0 0 0 1 1 0 0 1 ) A ( 1 0 0 0 1 1 0 0 1 ) \begin{pmatrix}
4 & -4&2 \\
-4 & 3&-3\\
2&-3&1
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
1 & 0&0 \\
0&1&1\\
0&0&1
\end{pmatrix}A\begin{pmatrix}
1 & 0&0 \\
0&1&1\\
0&0&1
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 4 − 4 2 − 4 3 − 3 2 − 3 1 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 1 1 ⎠ ⎞ A ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 1 1 ⎠ ⎞
Applying R 2 + R 1 , 2 R 3 − R 1 , 2 R 2 − R 3 , R 1 − 2 R 3 , R 1 + R 2 , R 1 / 2 , R 2 / 2 , R 3 / 2 , R 2 ↔ R 3 R_2+R_1, 2R_3-R_1, 2R_2-R_3,R_1-2R_3,R_1+R_2,R_1/2,
R_2/\sqrt{2}, R_3/\sqrt{2},R_2\leftrightarrow R_3 R 2 + R 1 , 2 R 3 − R 1 , 2 R 2 − R 3 , R 1 − 2 R 3 , R 1 + R 2 , R 1 /2 , R 2 / 2 , R 3 / 2 , R 2 ↔ R 3
and C 2 + C 1 , 2 C 3 − C 1 , 2 C 2 − C 3 , C 1 − 2 C 3 , C 1 + C 2 , C 1 / 2 , C 2 / 2 , C 3 / 2 , C 2 ↔ C 3 C_2+C_1, 2C_3-C_1, 2C_2-C_3, C_1-2C_3, C_1+C_2,C_1/2,
C_2/\sqrt2,C_3/\sqrt2,C_2\leftrightarrow C_3 C 2 + C 1 , 2 C 3 − C 1 , 2 C 2 − C 3 , C 1 − 2 C 3 , C 1 + C 2 , C 1 /2 , C 2 / 2 , C 3 / 2 , C 2 ↔ C 3
we get
( 1 0 1 0 − 1 0 0 0 − 1 ) = ( 3 1 − 3 − 1 / 2 0 2 / 2 3 / 2 2 / 2 − 2 / 2 ) A ( 3 − 1 / 2 3 / 2 1 0 2 / 2 − 3 2 / 2 − 2 / 2 ) \begin{pmatrix}
1 & 0&1 \\
0 & -1&0\\
0&0&-1
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
3& 1&-3 \\
-1/\sqrt{2}&0&2/\sqrt2\\
3/\sqrt2&2/\sqrt2&-2/\sqrt2
\end{pmatrix}A\begin{pmatrix}
3& -1/\sqrt2&3/\sqrt2 \\
1&0&2/\sqrt2\\
-3&2/\sqrt2&-2/\sqrt2
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 − 1 0 1 0 − 1 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 3 − 1/ 2 3/ 2 1 0 2/ 2 − 3 2/ 2 − 2/ 2 ⎠ ⎞ A ⎝ ⎛ 3 1 − 3 − 1/ 2 0 2/ 2 3/ 2 2/ 2 − 2/ 2 ⎠ ⎞
We have D = P T A P , D=P^TAP, D = P T A P , where D = ( 1 0 1 0 − 1 0 0 0 − 1 ) . D=\begin{pmatrix}
1 & 0&1 \\
0 & -1&0\\
0&0&-1
\end{pmatrix}. D = ⎝ ⎛ 1 0 0 0 − 1 0 1 0 − 1 ⎠ ⎞ .
P = ( 3 − 1 / 2 3 / 2 1 0 2 / 2 − 3 2 / 2 − 2 / 2 ) . P=\begin{pmatrix}
3& -1/\sqrt2&3/\sqrt2 \\
1&0&2/\sqrt2\\
-3&2/\sqrt2&-2/\sqrt2
\end{pmatrix}. P = ⎝ ⎛ 3 1 − 3 − 1/ 2 0 2/ 2 3/ 2 2/ 2 − 2/ 2 ⎠ ⎞ .
The linear transformation is X=PY, or
( x y z ) = ( 3 − 1 / 2 3 / 2 1 0 2 / 2 − 3 2 / 2 − 2 / 2 ) ( y 1 y 2 y 3 ) \begin{pmatrix}
x \\
y\\z
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
3& -1/\sqrt2&3/\sqrt2 \\
1&0&2/\sqrt2\\
-3&2/\sqrt2&-2/\sqrt2
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
y_1\\
y_2\\y_3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 3 1 − 3 − 1/ 2 0 2/ 2 3/ 2 2/ 2 − 2/ 2 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ y 1 y 2 y 3 ⎠ ⎞
From here
x = 3 y 1 − 1 / 2 y 2 + 3 / 2 y 3 , y = y 1 + 2 y 3 , z = − 3 y 1 + 2 y 2 − 2 y 3 . x=3y_1-1/\sqrt2 y_2+3/\sqrt2y_3,\newline
y=y_1+\sqrt2 y_3,\newline
z=-3y_1+\sqrt2 y_2-\sqrt2 y_3. x = 3 y 1 − 1/ 2 y 2 + 3/ 2 y 3 , y = y 1 + 2 y 3 , z = − 3 y 1 + 2 y 2 − 2 y 3 .
The canonical form is reduced to X T A X = Y T D Y X^TAX=Y^TDY X T A X = Y T D Y .
We will have
( y 1 y 2 y 3 ) ( 1 0 1 0 − 1 0 0 0 − 1 ) ( y 1 y 2 y 3 ) = y 1 2 − y 2 2 − y 3 2 . \begin{pmatrix}
y_1&y_2&y_3 \\
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
1 & 0&1 \\
0 & -1&0\\
0&0&-1
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
y_1 \\
y_2\\y_3
\end{pmatrix}=y_1^2-y_2^2-y_3^2. ( y 1 y 2 y 3 ) ⎝ ⎛ 1 0 0 0 − 1 0 1 0 − 1 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ y 1 y 2 y 3 ⎠ ⎞ = y 1 2 − y 2 2 − y 3 2 .
Answer. The given quadratic form is reduced to normal form y 1 2 − y 2 2 − y 3 2 . y_1^2-y_2^2-y_3^2. y 1 2 − y 2 2 − y 3 2 .
Comments