Find the orthogonal canonical reduction of the quadratic form − x 2 + y 2 + z 2 − 6 x y − 6 x z + 2 y z -x^2+y^2+z^2-6xy-6xz+2yz − x 2 + y 2 + z 2 − 6 x y − 6 x z + 2 yz
The matrix of the quadratic form
A = ( − 1 − 3 − 3 − 3 1 1 − 3 1 1 ) A=\begin{pmatrix}
-1 & -3 & -3 \\
-3 & 1 & 1\\
-3 & 1 & 1
\end{pmatrix} A = ⎝ ⎛ − 1 − 3 − 3 − 3 1 1 − 3 1 1 ⎠ ⎞ Find the eigenvalues
A − λ I = ( − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ) A-\lambda I=\begin{pmatrix}
-1-\lambda & -3 & -3 \\
-3 & 1-\lambda & 1\\
-3 & 1 & 1-\lambda
\end{pmatrix} A − λ I = ⎝ ⎛ − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ⎠ ⎞ The characteristic equation is d e t ( A − λ I ) = 0 det (A-\lambda I)=0 d e t ( A − λ I ) = 0
A − λ I = ∣ − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ∣ = A-\lambda I=\begin{vmatrix}
-1-\lambda & -3 & -3 \\
-3 & 1-\lambda & 1\\
-3 & 1 & 1-\lambda
\end{vmatrix}= A − λ I = ∣ ∣ − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ∣ ∣ = = ( − 1 − λ ) ∣ 1 − λ 1 1 1 − λ ∣ − ( − 3 ) ∣ − 3 1 − 3 1 − λ ∣ + =( -1-\lambda)\begin{vmatrix}
1-\lambda & 1\\
1 & 1-\lambda
\end{vmatrix}-(-3)\begin{vmatrix}
-3 & 1\\
-3 & 1-\lambda
\end{vmatrix}+ = ( − 1 − λ ) ∣ ∣ 1 − λ 1 1 1 − λ ∣ ∣ − ( − 3 ) ∣ ∣ − 3 − 3 1 1 − λ ∣ ∣ + + ( − 3 ) ∣ − 3 1 − λ − 3 1 ∣ = ( − 1 − λ ) ( ( 1 − λ ) 2 − 1 ) + +(-3)\begin{vmatrix}
-3 & 1-\lambda \\
-3 & 1
\end{vmatrix}=(-1-\lambda)((1-\lambda)^2-1)+ + ( − 3 ) ∣ ∣ − 3 − 3 1 − λ 1 ∣ ∣ = ( − 1 − λ ) (( 1 − λ ) 2 − 1 ) + + 3 ( − 3 ( 1 − λ ) + 3 ) − 3 ( − 3 + 3 ( 1 − λ ) ) = 0 +3(-3(1-\lambda)+3)-3(-3+3(1-\lambda))=0 + 3 ( − 3 ( 1 − λ ) + 3 ) − 3 ( − 3 + 3 ( 1 − λ )) = 0
2 λ − λ 2 + 2 λ 2 − λ 3 + 9 λ + 9 λ = 0 2\lambda-\lambda^2+2\lambda^2-\lambda^3+9\lambda+9\lambda=0 2 λ − λ 2 + 2 λ 2 − λ 3 + 9 λ + 9 λ = 0 λ ( − λ 2 + λ + 20 ) = 0 \lambda(-\lambda^2+\lambda+20)=0 λ ( − λ 2 + λ + 20 ) = 0 − λ ( λ + 4 ) ( λ − 5 ) = 0 -\lambda(\lambda+4)(\lambda-5)=0 − λ ( λ + 4 ) ( λ − 5 ) = 0 λ 1 = − 4 \lambda_1=-4 λ 1 = − 4
λ 2 = 0 \lambda_2=0 λ 2 = 0
λ 3 = 5 \lambda_3=5 λ 3 = 5
Find the eigenvectors
λ = − 4 \lambda=-4 λ = − 4
( − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ) = ( 3 − 3 − 3 − 3 5 1 − 3 1 5 ) \begin{pmatrix}
-1-\lambda & -3 & -3 \\
-3 & 1-\lambda & 1\\
-3 & 1 & 1-\lambda
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
3 & -3 & -3 \\
-3 & 5 & 1\\
-3 & 1 & 5
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 3 − 3 − 3 − 3 5 1 − 3 1 5 ⎠ ⎞ Perform row operations to obtain the rref of the matrix:
( 3 − 3 − 3 − 3 5 1 − 3 1 5 ) ∼ ( 1 0 − 2 0 1 − 1 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
3 & -3 & -3 \\
-3 & 5 & 1\\
-3 & 1 & 5
\end{pmatrix}\sim\begin{pmatrix}
1 & 0 & -2 \\
0 & 1 & -1\\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 3 − 3 − 3 − 3 5 1 − 3 1 5 ⎠ ⎞ ∼ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 − 2 − 1 0 ⎠ ⎞ Solve the matrix equation
( 1 0 − 2 0 1 − 1 0 0 0 ) ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & -2 \\
0 & 1 & -1\\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
v_1 \\
v_2 \\
v_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 − 2 − 1 0 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ If we take v 3 = t , v_3=t, v 3 = t , then v 1 = 2 t , v 2 = t , v 3 = t . v_1=2t, v_2=t, v_3=t. v 1 = 2 t , v 2 = t , v 3 = t .
Therefore
v = ( 2 t t t ) = ( 2 1 1 ) t \textbf{v}=\begin{pmatrix}
2t \\
t \\
t
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
2 \\
1 \\
1
\end{pmatrix} t v = ⎝ ⎛ 2 t t t ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 2 1 1 ⎠ ⎞ t The principal axis is
1 6 ( 2 1 1 ) {1 \over \sqrt{6}}\begin{pmatrix}
2 \\
1 \\
1
\end{pmatrix} 6 1 ⎝ ⎛ 2 1 1 ⎠ ⎞ λ = 0 \lambda=0 λ = 0
( − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ) = ( − 1 − 3 − 3 − 3 1 1 − 3 1 1 ) \begin{pmatrix}
-1-\lambda & -3 & -3 \\
-3 & 1-\lambda & 1\\
-3 & 1 & 1-\lambda
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-1 & -3 & -3 \\
-3 & 1 & 1\\
-3 & 1 & 1
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 1 − 3 − 3 − 3 1 1 − 3 1 1 ⎠ ⎞ Perform row operations to obtain the rref of the matrix:
( − 1 − 3 − 3 − 3 1 1 − 3 1 1 ) = ( 1 0 0 0 1 1 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
-1 & -3 & -3 \\
-3 & 1 & 1\\
-3 & 1 & 1
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
1 &0 & 0 \\
0 & 1 & 1\\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 − 3 − 3 − 3 1 1 − 3 1 1 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 1 0 ⎠ ⎞ Solve the matrix equation
( 1 0 0 0 1 1 0 0 0 ) ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 1\\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
v_1 \\
v_2 \\
v_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 1 0 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ If we take v 3 = t , v_3=t, v 3 = t , then v 1 = 0 , v 2 = − t , v 3 = t . v_1=0, v_2=-t, v_3=t. v 1 = 0 , v 2 = − t , v 3 = t .
Therefore
v = ( 0 − t t ) = ( 0 − 1 1 ) t \textbf{v}=\begin{pmatrix}
0 \\
-t \\
t
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0 \\
-1 \\
1
\end{pmatrix} t v = ⎝ ⎛ 0 − t t ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 − 1 1 ⎠ ⎞ t The principal axis is
1 2 ( 0 − 1 1 ) {1 \over \sqrt{2}}\begin{pmatrix}
0 \\
-1 \\
1
\end{pmatrix} 2 1 ⎝ ⎛ 0 − 1 1 ⎠ ⎞
λ = 5 \lambda=5 λ = 5
( − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ) = ( − 6 − 3 − 3 − 3 − 4 1 − 3 1 − 4 ) \begin{pmatrix}
-1-\lambda & -3 & -3 \\
-3 & 1-\lambda & 1\\
-3 & 1 & 1-\lambda
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-6 & -3 & -3 \\
-3 & -4 & 1\\
-3 & 1 & -4
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 − λ − 3 − 3 − 3 1 − λ 1 − 3 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 6 − 3 − 3 − 3 − 4 1 − 3 1 − 4 ⎠ ⎞ Perform row operations to obtain the rref of the matrix:
( − 6 − 3 − 3 − 3 − 4 1 − 3 1 − 4 ) ∼ ( 1 0 1 0 1 − 1 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
-6 & -3 & -3 \\
-3 & -4 & 1\\
-3 & 1 & -4
\end{pmatrix}\sim\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1 \\
0 & 1 & -1\\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 6 − 3 − 3 − 3 − 4 1 − 3 1 − 4 ⎠ ⎞ ∼ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1 − 1 0 ⎠ ⎞ Solve the matrix equation
( 1 0 1 0 1 − 1 0 0 0 ) ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & 1 \\
0 & 1 & -1\\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
v_1 \\
v_2 \\
v_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1 − 1 0 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ If we take v 3 = t , v_3=t, v 3 = t , then v 1 = − t , v 2 = t , v 3 = t . v_1=-t, v_2=t, v_3=t. v 1 = − t , v 2 = t , v 3 = t .
Therefore
v = ( − t t t ) = ( − 1 1 1 ) t \textbf{v}=\begin{pmatrix}
-t \\
t \\
t
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-1 \\
1 \\
1
\end{pmatrix} t v = ⎝ ⎛ − t t t ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 1 1 1 ⎠ ⎞ t The principal axis is
1 3 ( − 1 1 1 ) {1 \over \sqrt{3}}\begin{pmatrix}
-1 \\
1 \\
1
\end{pmatrix} 3 1 ⎝ ⎛ − 1 1 1 ⎠ ⎞
P = ( 2 / 6 0 − 1 / 3 1 / 6 − 1 / 2 1 / 3 1 / 6 1 / 2 1 / 3 ) P=\begin{pmatrix}
2/\sqrt{6} & 0 & -1/\sqrt{3} \\
1/\sqrt{6} & -1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/\sqrt{6} & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}
\end{pmatrix} P = ⎝ ⎛ 2/ 6 1/ 6 1/ 6 0 − 1/ 2 1/ 2 − 1/ 3 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞
P − 1 = P T = ( 2 / 6 1 / 6 1 / 6 0 − 1 / 2 1 / 2 − 1 / 3 1 / 3 1 / 3 ) P^{-1}=P^T=\begin{pmatrix}
2/\sqrt{6} & 1/\sqrt{6} & 1/\sqrt{6} \\
0 & -1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{2}\\
-1/\sqrt{3} & 1/\sqrt{3} & 1/\sqrt{3}
\end{pmatrix} P − 1 = P T = ⎝ ⎛ 2/ 6 0 − 1/ 3 1/ 6 − 1/ 2 1/ 3 1/ 6 1/ 2 1/ 3 ⎠ ⎞
D = ( − 4 0 0 0 0 0 0 0 5 ) D=\begin{pmatrix}
-4 & 0 & 0 \\
0 & 0 &0\\
0 & 0 & 5
\end{pmatrix} D = ⎝ ⎛ − 4 0 0 0 0 0 0 0 5 ⎠ ⎞
( x 1 y 1 z 1 ) = P T ( x y z ) \begin{pmatrix}
x_1 \\
y_1 \\
z_1
\end{pmatrix}=P^T\begin{pmatrix}
x \\
y \\
z
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ x 1 y 1 z 1 ⎠ ⎞ = P T ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞
x 1 = ( 2 / 6 ) x + ( 1 / 6 ) y + ( 1 / 6 ) z x_1= (2/\sqrt{6})x+( 1/\sqrt{6})y+( 1/\sqrt{6})z x 1 = ( 2/ 6 ) x + ( 1/ 6 ) y + ( 1/ 6 ) z y 1 = ( 0 ) x + ( − 1 / 2 ) y + ( 1 / 2 ) z y_1= (0)x+( -1/\sqrt{2})y+( 1/\sqrt{2})z y 1 = ( 0 ) x + ( − 1/ 2 ) y + ( 1/ 2 ) z z 1 = ( − 1 / 3 ) x + ( 1 / 3 ) y + ( 1 / 3 ) z z_1= (-1/\sqrt{3})x+( 1/\sqrt{3})y+( 1/\sqrt{3})z z 1 = ( − 1/ 3 ) x + ( 1/ 3 ) y + ( 1/ 3 ) z The orthogonal canonical reduction of the quadratic form is
− 4 x 1 2 + 5 z 1 2 = 0 -4x_1^2+5z_1^2=0 − 4 x 1 2 + 5 z 1 2 = 0 The principal axes are
p 1 = 1 6 ( 2 1 1 ) , p 2 = 1 2 ( 0 − 1 1 ) , p 3 = 1 3 ( − 1 1 1 ) p_1={1 \over \sqrt{6}}\begin{pmatrix}
2 \\
1 \\
1
\end{pmatrix}, p_2={1 \over \sqrt{2}}\begin{pmatrix}
0 \\
-1 \\
1
\end{pmatrix}, p_3={1 \over \sqrt{3}}\begin{pmatrix}
-1 \\
1 \\
1
\end{pmatrix} p 1 = 6 1 ⎝ ⎛ 2 1 1 ⎠ ⎞ , p 2 = 2 1 ⎝ ⎛ 0 − 1 1 ⎠ ⎞ , p 3 = 3 1 ⎝ ⎛ − 1 1 1 ⎠ ⎞
Comments