Find the orthogonal canonical reduction of the quadratic form
Q = x 2 + y 2 + z 2 − 2 x y − 2 x z − 2 y z Q=x^2+y^2+z^2-2xy-2xz-2yz Q = x 2 + y 2 + z 2 − 2 x y − 2 x z − 2 yz
The quadratic form can be expressed in matrix notation as
Q = x T A x = ( x y z ) T ( 1 − 1 − 1 − 1 1 − 1 − 1 − 1 1 ) ( x y z ) Q=\bold x^TA\bold x=\begin{pmatrix}
x & y & z
\end{pmatrix}^T\begin{pmatrix}
1 & -1 & -1 \\
-1 & 1 & -1 \\
-1 & -1 & 1
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
x \\
y \\
z
\end{pmatrix} Q = x T A x = ( x y z ) T ⎝ ⎛ 1 − 1 − 1 − 1 1 − 1 − 1 − 1 1 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ The characteristic equation of the matrix A A A is
∣ 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ ∣ = 0 \begin{vmatrix}
1-\lambda & -1 & -1 \\
-1 & 1-\lambda & -1 \\
-1 & -1 & 1-\lambda
\end{vmatrix}=0 ∣ ∣ 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ ∣ ∣ = 0 ( 1 − λ ) ∣ 1 − λ − 1 − 1 1 − λ ∣ − ( − 1 ) ∣ − 1 − 1 − 1 1 − λ ∣ + (1-\lambda)\begin{vmatrix}
1-\lambda & -1 \\
-1 & 1-\lambda
\end{vmatrix}-(-1)\begin{vmatrix}
-1 & -1 \\
-1 & 1-\lambda
\end{vmatrix}+ ( 1 − λ ) ∣ ∣ 1 − λ − 1 − 1 1 − λ ∣ ∣ − ( − 1 ) ∣ ∣ − 1 − 1 − 1 1 − λ ∣ ∣ + ( − 1 ) ∣ − 1 1 − λ − 1 − 1 ∣ = 0 (-1)\begin{vmatrix}
-1 & 1-\lambda \\
-1& -1
\end{vmatrix}=0 ( − 1 ) ∣ ∣ − 1 − 1 1 − λ − 1 ∣ ∣ = 0
( 1 − λ ) ( ( 1 − λ ) 2 − 1 ) + ( − 1 + λ − 1 ) − ( 1 + 1 − λ ) = 0 (1-\lambda)((1-\lambda)^2-1)+(-1+\lambda-1)-(1+1-\lambda)=0 ( 1 − λ ) (( 1 − λ ) 2 − 1 ) + ( − 1 + λ − 1 ) − ( 1 + 1 − λ ) = 0
( 1 − λ ) ( 1 − 2 λ + λ 2 − 1 ) + λ − 2 − 2 + λ = 0 (1-\lambda)(1-2\lambda+\lambda^2-1)+\lambda-2-2+\lambda=0 ( 1 − λ ) ( 1 − 2 λ + λ 2 − 1 ) + λ − 2 − 2 + λ = 0
λ ( 1 − λ ) ( λ − 2 ) + 2 ( λ − 2 ) = 0 \lambda(1-\lambda)(\lambda-2)+2(\lambda-2)=0 λ ( 1 − λ ) ( λ − 2 ) + 2 ( λ − 2 ) = 0
− ( λ − 2 ) ( λ 2 − λ − 2 ) = 0 -(\lambda-2)(\lambda^2-\lambda-2)=0 − ( λ − 2 ) ( λ 2 − λ − 2 ) = 0
( λ − 2 ) ( λ + 1 ) ( λ − 2 ) = 0 (\lambda-2)(\lambda+1)(\lambda-2)=0 ( λ − 2 ) ( λ + 1 ) ( λ − 2 ) = 0
λ 1 = λ 2 = 2 , λ 3 = − 1 \lambda_1=\lambda_2=2, \lambda_3=-1 λ 1 = λ 2 = 2 , λ 3 = − 1 are eigenvalues.
Q = 2 x ′ 2 + 2 y ′ 2 − z ′ 2 Q=2x'^2+2y'^2-z'^2 Q = 2 x ′2 + 2 y ′2 − z ′2 is the orthogonal canonical reduction.
λ = 2 : ( 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ ) = ( − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 ) \lambda=2: \begin{pmatrix}
1-\lambda & -1 & -1 \\
-1 & 1-\lambda & -1 \\
-1 & -1 & 1-\lambda
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-1 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & -1 \\
-1 & -1 & -1
\end{pmatrix} λ = 2 : ⎝ ⎛ 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 − 1 ⎠ ⎞
Perform row operations to obtain the rref of the matrix:
R 2 = R 2 − R 1 : ( − 1 − 1 − 1 0 0 0 − 1 − 1 − 1 ) R_2=R_2-R_1: \begin{pmatrix}
-1 & -1 & -1 \\
0 & 0 & 0 \\
-1 & -1 & -1
\end{pmatrix} R 2 = R 2 − R 1 : ⎝ ⎛ − 1 0 − 1 − 1 0 − 1 − 1 0 − 1 ⎠ ⎞
R 3 = R 3 − R 1 : ( − 1 − 1 − 1 0 0 0 0 0 0 ) R_3=R_3-R_1: \begin{pmatrix}
-1 & -1 & -1 \\
0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} R 3 = R 3 − R 1 : ⎝ ⎛ − 1 0 0 − 1 0 0 − 1 0 0 ⎠ ⎞
R 1 = − 1 ⋅ R 1 : ( 1 1 1 0 0 0 0 0 0 ) R_1=-1\cdot R_1: \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \\
0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} R 1 = − 1 ⋅ R 1 : ⎝ ⎛ 1 0 0 1 0 0 1 0 0 ⎠ ⎞
Now, solve the matrix equation
( 1 1 1 0 0 0 0 0 0 ) ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \\
0 & 0 & 0 \\
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 1 0 0 1 0 0 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ If we take v 2 = t , v 3 = s , v_2=t, v_3=s, v 2 = t , v 3 = s , then v 1 = − t − s , v 2 = t , v 3 = s v_1=-t-s, v_2=t, v_3=s v 1 = − t − s , v 2 = t , v 3 = s
Therefore
v = ( − t − s t s ) = ( − 1 1 0 ) t + ( − 1 0 1 ) s \bold v=\begin{pmatrix}
-t-s \\
t \\
s
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-1 \\
1 \\
0
\end{pmatrix}t+\begin{pmatrix}
-1 \\
0 \\
1
\end{pmatrix}s v = ⎝ ⎛ − t − s t s ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 1 1 0 ⎠ ⎞ t + ⎝ ⎛ − 1 0 1 ⎠ ⎞ s λ = − 1 : ( 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ ) = ( 2 − 1 − 1 − 1 2 − 1 − 1 − 1 2 ) \lambda=-1: \begin{pmatrix}
1-\lambda & -1 & -1 \\
-1 & 1-\lambda & -1 \\
-1 & -1 & 1-\lambda
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
2 & -1 & -1 \\
-1 & 2 & -1 \\
-1 & -1 & 2
\end{pmatrix} λ = − 1 : ⎝ ⎛ 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ − 1 − 1 − 1 1 − λ ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 2 − 1 − 1 − 1 2 − 1 − 1 − 1 2 ⎠ ⎞
Perform row operations to obtain the rref of the matrix:
R 1 = R 1 / 2 : ( 1 − 1 / 2 − 1 / 2 − 1 2 − 1 − 1 − 1 2 ) R_1=R_1/2: \begin{pmatrix}
1 & -1/2 & -1/2 \\
-1 & 2 & -1 \\
-1 & -1 & 2
\end{pmatrix} R 1 = R 1 /2 : ⎝ ⎛ 1 − 1 − 1 − 1/2 2 − 1 − 1/2 − 1 2 ⎠ ⎞
R 2 = R 2 + R 1 : ( 1 − 1 / 2 − 1 / 2 0 3 / 2 − 3 / 2 − 1 − 1 2 ) R_2=R_2+R_1: \begin{pmatrix}
1 & -1/2 & -1/2 \\
0 & 3/2 & -3/2 \\
-1 & -1 & 2
\end{pmatrix} R 2 = R 2 + R 1 : ⎝ ⎛ 1 0 − 1 − 1/2 3/2 − 1 − 1/2 − 3/2 2 ⎠ ⎞
R 3 = R 3 + R 1 : ( 1 − 1 / 2 − 1 / 2 0 3 / 2 − 3 / 2 0 − 3 / 2 3 / 2 ) R_3=R_3+R_1: \begin{pmatrix}
1 & -1/2 & -1/2 \\
0 & 3/2 & -3/2 \\
0 & -3/2 & 3/2
\end{pmatrix} R 3 = R 3 + R 1 : ⎝ ⎛ 1 0 0 − 1/2 3/2 − 3/2 − 1/2 − 3/2 3/2 ⎠ ⎞
R 3 = R 3 + R 2 : ( 1 − 1 / 2 − 1 / 2 0 3 / 2 − 3 / 2 0 0 0 ) R_3=R_3+R_2: \begin{pmatrix}
1 & -1/2 & -1/2 \\
0 & 3/2 & -3/2 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} R 3 = R 3 + R 2 : ⎝ ⎛ 1 0 0 − 1/2 3/2 0 − 1/2 − 3/2 0 ⎠ ⎞
R 2 = ( 2 / 3 ) R 2 : ( 1 − 1 / 2 − 1 / 2 0 1 − 1 0 0 0 ) R_2=(2/3)R_2: \begin{pmatrix}
1 & -1/2 & -1/2 \\
0 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} R 2 = ( 2/3 ) R 2 : ⎝ ⎛ 1 0 0 − 1/2 1 0 − 1/2 − 1 0 ⎠ ⎞
R 1 = R 1 + ( 1 / 2 ) R 2 : ( 1 0 − 1 0 1 − 1 0 0 0 ) R_1=R_1+(1/2)R_2: \begin{pmatrix}
1 & 0 & -1 \\
0 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0
\end{pmatrix} R 1 = R 1 + ( 1/2 ) R 2 : ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 − 1 − 1 0 ⎠ ⎞
Now, 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 = 0 , v_3=0, v 3 = 0 , 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 .
v = ( t t t ) = ( 1 1 1 ) t \bold v=\begin{pmatrix}
t \\
t \\
t
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
1 \\
1 \\
1
\end{pmatrix}t v = ⎝ ⎛ t t t ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 1 1 1 ⎠ ⎞ t ( − 1 ) 2 + 1 2 + 0 2 = 2 \sqrt {(-1)^2+1^2+0^2}=\sqrt{2} ( − 1 ) 2 + 1 2 + 0 2 = 2
( − 1 ) 2 + 0 2 + 1 2 = 2 \sqrt {(-1)^2+0^2+1^2}=\sqrt{2} ( − 1 ) 2 + 0 2 + 1 2 = 2
1 2 + 1 2 + 1 2 = 3 \sqrt {1^2+1^2+1^2}=\sqrt{3} 1 2 + 1 2 + 1 2 = 3
p 1 = 1 2 ( − 1 1 0 ) , p 2 = 1 2 ( − 1 0 1 ) , p 3 = 1 3 ( 1 1 1 ) p_1={1 \over \sqrt{2}}\begin{pmatrix}
-1 \\
1 \\
0
\end{pmatrix},p_2={1 \over \sqrt{2}}\begin{pmatrix}
-1 \\
0 \\
1
\end{pmatrix},p_3={1 \over \sqrt{3}}\begin{pmatrix}
1 \\
1 \\
1
\end{pmatrix} p 1 = 2 1 ⎝ ⎛ − 1 1 0 ⎠ ⎞ , p 2 = 2 1 ⎝ ⎛ − 1 0 1 ⎠ ⎞ , p 3 = 3 1 ⎝ ⎛ 1 1 1 ⎠ ⎞ are the principal axes.
P = ( − 1 2 − 1 2 1 3 1 2 0 1 3 0 1 2 1 3 ) P=\begin{pmatrix}
-{1 \over \sqrt{2}} & -{1 \over \sqrt{2}} & {1 \over \sqrt{3}} \\
{1 \over \sqrt{2}} & 0 & {1 \over \sqrt{3}} \\
0 & {1 \over \sqrt{2}} & {1 \over \sqrt{3}}
\end{pmatrix} P = ⎝ ⎛ − 2 1 2 1 0 − 2 1 0 2 1 3 1 3 1 3 1 ⎠ ⎞
Thus, a substitution x = P x ′ \bold x=P\bold x' x = P x ′ that eliminates the cross product terms is
( x y z ) = ( − 1 2 − 1 2 1 3 1 2 0 1 3 0 1 2 1 3 ) ( x ′ y ′ z ′ ) \begin{pmatrix}
x \\
y \\
z
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
-{1 \over \sqrt{2}} & -{1 \over \sqrt{2}} & {1 \over \sqrt{3}} \\
{1 \over \sqrt{2}} & 0 & {1 \over \sqrt{3}} \\
0 & {1 \over \sqrt{2}} & {1 \over \sqrt{3}}
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
x' \\
y' \\
z'
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ − 2 1 2 1 0 − 2 1 0 2 1 3 1 3 1 3 1 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x ′ y ′ z ′ ⎠ ⎞ This produces the new quadratic form
Q = x ′ T ( P T A P ) x ′ = Q=\bold x'^T(P^TAP)\bold x'= Q = x ′ T ( P T A P ) x ′ =
= ( x ′ y ′ z ′ ) T ( 2 0 0 0 2 0 0 0 − 1 ) ( x ′ y ′ z ′ ) = =\begin{pmatrix}
x' & y' & z'
\end{pmatrix}^T\begin{pmatrix}
2 & 0 & 0 \\
0 & 2 & 0 \\
0 & 0 & -1
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
x' \\
y' \\
z'
\end{pmatrix}= = ( x ′ y ′ z ′ ) T ⎝ ⎛ 2 0 0 0 2 0 0 0 − 1 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x ′ y ′ z ′ ⎠ ⎞ =
= 2 x ′ 2 + 2 y ′ 2 − z ′ 2 =2x'^2+2y'^2-z'^2 = 2 x ′2 + 2 y ′2 − z ′2
in which there are no cross product terms.
Q = 2 x ′ 2 + 2 y ′ 2 − z ′ 2 Q=2x'^2+2y'^2-z'^2 Q = 2 x ′2 + 2 y ′2 − z ′2 is the orthogonal canonical reduction.
Comments