Reduce the quadratic form Q ( x , y , z ) = x 2 + 5 y 2 + z 2 + 2 x y + 2 y z + 6 x z Q(x,y,z)=x^2+5y^2+z^2+2xy+2yz+6xz Q ( x , y , z ) = x 2 + 5 y 2 + z 2 + 2 x y + 2 yz + 6 x z to canonical form.
The given quadratic form is
Q ( x , y , z ) = x 2 + 5 y 2 + z 2 + 2 x y + 2 y z + 6 x z Q(x, y, z)=x^2+5y^2+z^2+2xy+2yz+6xz Q ( x , y , z ) = x 2 + 5 y 2 + z 2 + 2 x y + 2 yz + 6 x z The matrix of the given quadratic form is
A = ( 1 1 3 1 5 1 3 1 1 ) A=\begin{pmatrix}
1 & 1 & 3 \\
1 & 5 & 1\\
3 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix} A = ⎝ ⎛ 1 1 3 1 5 1 3 1 1 ⎠ ⎞
A − λ I = ( 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ) A-\lambda I=\begin{pmatrix}
1-\lambda & 1 & 3 \\
1 & 5-\lambda & 1\\
3 & 1 & 1-\lambda \\
\end{pmatrix} A − λ I = ⎝ ⎛ 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ⎠ ⎞
det ( A − λ I ) = ∣ 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ∣ \det(A-\lambda I)=\begin{vmatrix}
1-\lambda & 1 & 3 \\
1 & 5-\lambda & 1\\
3 & 1 & 1-\lambda \\
\end{vmatrix} det ( A − λ I ) = ∣ ∣ 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ∣ ∣
= ( 1 − λ ) ∣ 5 − λ 1 1 1 − λ ∣ − ∣ 1 1 3 1 − λ ∣ + 3 ∣ 1 5 − λ 3 1 ∣ =(1-\lambda)\begin{vmatrix}
5-\lambda& 1 \\
1 & 1-\lambda
\end{vmatrix}-\begin{vmatrix}
1 & 1 \\
3 & 1-\lambda
\end{vmatrix}+3\begin{vmatrix}
1 & 5-\lambda \\
3 & 1
\end{vmatrix} = ( 1 − λ ) ∣ ∣ 5 − λ 1 1 1 − λ ∣ ∣ − ∣ ∣ 1 3 1 1 − λ ∣ ∣ + 3 ∣ ∣ 1 3 5 − λ 1 ∣ ∣
= ( 1 − λ ) ( 5 − 5 λ − λ + λ 2 − 1 ) − ( 1 − λ − 3 ) =(1-\lambda)(5-5\lambda-\lambda+\lambda^2-1)-(1-\lambda-3) = ( 1 − λ ) ( 5 − 5 λ − λ + λ 2 − 1 ) − ( 1 − λ − 3 )
+ 3 ( 1 − 15 + 3 λ ) = 4 − 6 λ + λ 2 − 4 λ + 6 λ 2 − λ 3 +3(1-15+3\lambda)=4-6\lambda+\lambda^2-4\lambda+6\lambda^2-\lambda^3 + 3 ( 1 − 15 + 3 λ ) = 4 − 6 λ + λ 2 − 4 λ + 6 λ 2 − λ 3
+ 2 + λ − 42 + 9 λ +2+\lambda-42+9\lambda + 2 + λ − 42 + 9 λ
= − λ 3 + 7 λ 2 − 36 = 0 =-\lambda^3+7\lambda^2-36=0 = − λ 3 + 7 λ 2 − 36 = 0
− λ 2 ( λ − 6 ) + ( λ − 6 ) ( λ + 6 ) = 0 -\lambda^2(\lambda-6)+(\lambda-6)(\lambda+6)=0 − λ 2 ( λ − 6 ) + ( λ − 6 ) ( λ + 6 ) = 0
− ( λ − 6 ) ( λ 2 − λ − 6 ) = 0 -(\lambda-6)(\lambda^2-\lambda-6)=0 − ( λ − 6 ) ( λ 2 − λ − 6 ) = 0
− ( λ − 6 ) λ − 3 ) ( λ + 2 ) = 0 -(\lambda-6)\lambda-3)(\lambda+2)=0 − ( λ − 6 ) λ − 3 ) ( λ + 2 ) = 0
λ 1 = 6 , λ = 3 , λ 3 = − 2 \lambda_1=6, \lambda=3, \lambda_3=-2 λ 1 = 6 , λ = 3 , λ 3 = − 2 These are the eigenvalues.
λ = 6 \lambda=6 λ = 6
( 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ) = ( − 5 1 3 1 − 1 1 3 1 − 5 ) \begin{pmatrix}
1-\lambda & 1 & 3 \\
1 & 5-\lambda & 1\\
3 & 1 & 1-\lambda \\
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-5 & 1 & 3 \\
1 & -1 & 1\\
3 & 1 & -5 \\
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 5 1 3 1 − 1 1 3 1 − 5 ⎠ ⎞
( − 5 1 3 1 − 1 1 3 1 − 5 ) → ( 1 0 − 1 0 1 − 2 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
-5 & 1 & 3 \\
1 & -1 & 1\\
3 & 1 & -5 \\
\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}
1 & 0 & -1 \\
0 &1 & -2\\
0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 5 1 3 1 − 1 1 3 1 − 5 ⎠ ⎞ → ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 − 1 − 2 0 ⎠ ⎞ The eigenvector is v ⃗ = ( 1 2 1 ) \vec v=\begin{pmatrix}
1 \\
2 \\
1
\end{pmatrix} v = ⎝ ⎛ 1 2 1 ⎠ ⎞
λ = 3 \lambda=3 λ = 3
( 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ) = ( − 2 1 3 1 2 1 3 1 − 2 ) \begin{pmatrix}
1-\lambda & 1 & 3 \\
1 & 5-\lambda & 1\\
3 & 1 & 1-\lambda \\
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-2 & 1 & 3 \\
1 & 2 & 1\\
3 & 1 & -2 \\
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 2 1 3 1 2 1 3 1 − 2 ⎠ ⎞
( − 2 1 3 1 2 1 3 1 − 2 ) → ( 1 0 − 1 0 1 1 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
-2 & 1 & 3 \\
1 & 2 & 1\\
3 & 1 & -2 \\
\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}
1 & 0 & -1 \\
0 &1 & 1\\
0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 2 1 3 1 2 1 3 1 − 2 ⎠ ⎞ → ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 − 1 1 0 ⎠ ⎞ The eigenvector is u ⃗ = ( 1 − 1 1 ) \vec u=\begin{pmatrix}
1 \\
-1 \\
1
\end{pmatrix} u = ⎝ ⎛ 1 − 1 1 ⎠ ⎞
λ = − 2 \lambda=-2 λ = − 2
( 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ) = ( 3 1 3 1 7 1 3 1 3 ) \begin{pmatrix}
1-\lambda & 1 & 3 \\
1 & 5-\lambda & 1\\
3 & 1 & 1-\lambda \\
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
3 & 1 & 3 \\
1 & 7 & 1\\
3 & 1 & 3 \\
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 − λ 1 3 1 5 − λ 1 3 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 3 1 3 1 7 1 3 1 3 ⎠ ⎞
( 3 1 3 1 7 1 3 1 3 ) → ( 1 0 1 0 1 0 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
3 & 1 & 3 \\
1 & 7 & 1\\
3 & 1 & 3 \\
\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1 \\
0 &1 & 0\\
0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 3 1 3 1 7 1 3 1 3 ⎠ ⎞ → ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1 0 0 ⎠ ⎞ The eigenvector is w ⃗ = ( − 1 0 1 ) \vec w=\begin{pmatrix}
-1 \\
0 \\
1
\end{pmatrix} w = ⎝ ⎛ − 1 0 1 ⎠ ⎞
Form the matrix P , P, P , whose column i i i is eigenvector no. i i i
P = ( 1 1 − 1 2 − 1 0 1 1 1 ) P=\begin{pmatrix}
1 & 1 & -1 \\
2 & -1 & 0 \\
1 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix} P = ⎝ ⎛ 1 2 1 1 − 1 1 − 1 0 1 ⎠ ⎞ Form the diagonal matrix D , D, D , whose element at row i , i, i , column i i i is eigenvalue no. i i i
D = ( 6 0 0 0 3 0 0 0 − 2 ) D=\begin{pmatrix}
6 & 0 & 0 \\
0 & 3 & 0 \\
0 & 0 & -2 \\
\end{pmatrix} D = ⎝ ⎛ 6 0 0 0 3 0 0 0 − 2 ⎠ ⎞ The matrices P P P and D D D are such that
P − 1 A P = D P^{-1}AP=D P − 1 A P = D Hence the quadratic form is reduced to a sum of squeres, i.e. canonical form:
6 x ~ 2 + 3 y ~ 2 − 2 z ~ 2 6\tilde{x}^2+3\tilde{y}^2-2\tilde{z}^2 6 x ~ 2 + 3 y ~ 2 − 2 z ~ 2 P = ( 1 1 − 1 2 − 1 0 1 1 1 ) P=\begin{pmatrix}
1 & 1 & -1 \\
2 & -1 & 0 \\
1 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix} P = ⎝ ⎛ 1 2 1 1 − 1 1 − 1 0 1 ⎠ ⎞ is the matrix of transformation which is an orthogonal matrix.
The canonical form of the quadratic form is
6 x ~ 2 + 3 y ~ 2 − 2 z ~ 2 6\tilde{x}^2+3\tilde{y}^2-2\tilde{z}^2 6 x ~ 2 + 3 y ~ 2 − 2 z ~ 2
Comments