First, determine the matrix of the quadratic form Q = − x 2 + y 2 + z 2 + x y + x z − 6 y z Q = -x^2 + y^2 + z^2 + xy + xz - 6yz Q = − x 2 + y 2 + z 2 + x y + x z − 6 yz .
A = [ − 1 1 2 1 2 1 2 1 − 3 1 2 − 3 1 ] A = \begin{bmatrix}
-1 & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & 1 & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & 1
\end{bmatrix} A = ⎣ ⎡ − 1 2 1 2 1 2 1 1 − 3 2 1 − 3 1 ⎦ ⎤
Find an eigenvalues of matrix A A A . To do it, solve the characteristic equation.
det ( A − λ I ) = 0 \det(A-\lambda I) = 0 det ( A − λ I ) = 0
det ( A − λ I ) = ∣ − 1 − λ 1 2 1 2 1 2 1 − λ − 3 1 2 − 3 1 − λ ∣ \det(A-\lambda I) = \begin{vmatrix}
-1-\lambda & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & 1-\lambda & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & 1-\lambda
\end{vmatrix} det ( A − λ I ) = ∣ ∣ − 1 − λ 2 1 2 1 2 1 1 − λ − 3 2 1 − 3 1 − λ ∣ ∣
= ( − 1 − λ ) ∣ 1 − λ − 3 − 3 1 − λ ∣ − 1 2 ∣ 1 2 − 3 1 2 1 − λ ∣ + 1 2 ∣ 1 2 1 − λ 1 2 − 3 ∣ = (-1-\lambda)\begin{vmatrix}
1 - \lambda & -3 \\
-3 & 1- \lambda
\end{vmatrix} - \frac{1}{2} \begin{vmatrix}
\frac{1}{2} & -3 \\
\frac{1}{2} & 1- \lambda
\end{vmatrix} + \frac{1}{2} \begin{vmatrix}
\frac{1}{2} & 1 - \lambda \\
\frac{1}{2} & -3
\end{vmatrix} = ( − 1 − λ ) ∣ ∣ 1 − λ − 3 − 3 1 − λ ∣ ∣ − 2 1 ∣ ∣ 2 1 2 1 − 3 1 − λ ∣ ∣ + 2 1 ∣ ∣ 2 1 2 1 1 − λ − 3 ∣ ∣
= ( − 1 − λ ) [ ( 1 − λ ) 2 − 9 ] − 1 2 [ 1 2 ( 1 − λ ) + 3 2 ] + 1 2 [ − 3 2 − 1 2 ( 1 − λ ) ] = (-1- \lambda)[(1- \lambda)^2 - 9] - \frac{1}{2}[\frac{1}{2}(1- \lambda) + \frac{3}{2}] + \frac{1}{2}[-\frac{3}{2} - \frac{1}{2}(1- \lambda)] = ( − 1 − λ ) [( 1 − λ ) 2 − 9 ] − 2 1 [ 2 1 ( 1 − λ ) + 2 3 ] + 2 1 [ − 2 3 − 2 1 ( 1 − λ )]
= ( − 1 − λ ) ( − 2 − λ ) ( 4 − λ ) − 1 4 ( 4 − λ ) − 1 4 ( 4 − λ ) = (-1- \lambda)(-2- \lambda)(4- \lambda) - \frac{1}{4}(4- \lambda) - \frac{1}{4}(4 - \lambda) = ( − 1 − λ ) ( − 2 − λ ) ( 4 − λ ) − 4 1 ( 4 − λ ) − 4 1 ( 4 − λ )
= ( 4 − λ ) ( λ 2 + 3 λ + 3 2 ) = (4 - \lambda)( \lambda^2 + 3 \lambda +\frac{3}{2}) = ( 4 − λ ) ( λ 2 + 3 λ + 2 3 )
Using the formula for discriminant for the second term, obtain
( 4 − λ ) ( λ + 3 2 + 3 2 ) ( λ + 3 2 − 3 2 ) = 0 (4 - \lambda)(\lambda + \frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2})(\lambda + \frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}) = 0 ( 4 − λ ) ( λ + 2 3 + 2 3 ) ( λ + 2 3 − 2 3 ) = 0
Therefore, the eigenvalues, in the decreasing order, are
λ 1 = 4 , λ 2 = − 3 2 + 3 2 , λ 3 = − 3 2 − 3 2 \lambda_{1} = 4, \lambda_{2} = -\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}, \lambda_{3} = -\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} λ 1 = 4 , λ 2 = − 2 3 + 2 3 , λ 3 = − 2 3 − 2 3
Thus, the orthogonal canonical reduction of Q Q Q is
Q = 4 x 1 2 + ( − 3 2 + 3 2 ) y 1 2 + ( − 3 2 − 3 2 ) z 1 2 = 4 x 1 2 − ( 3 2 − 3 2 ) y 1 2 − ( 3 2 + 3 2 ) z 1 2 Q = 4x_{1}^{2} + ( -\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2})y_{1}^{2} + ( -\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2})z_{1}^{2} \\ \\
\quad=4x_{1}^{2} - (\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2})y_{1}^{2} - ( \frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2})z_{1}^{2} Q = 4 x 1 2 + ( − 2 3 + 2 3 ) y 1 2 + ( − 2 3 − 2 3 ) z 1 2 = 4 x 1 2 − ( 2 3 − 2 3 ) y 1 2 − ( 2 3 + 2 3 ) z 1 2
where x 1 , y 1 , z 1 x_{1}, y_{1}, z_{1} x 1 , y 1 , z 1 are the new coordinates.
If λ = 4 \lambda = 4 λ = 4 , then
[ − 1 − 4 1 2 1 2 1 2 1 − 4 − 3 1 2 − 3 1 − 4 ] [ x y z ] = [ 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
-1-4 & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & 1-4 & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & 1-4
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ − 1 − 4 2 1 2 1 2 1 1 − 4 − 3 2 1 − 3 1 − 4 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 0 0 ⎦ ⎤
[ − 5 1 2 1 2 1 2 − 3 − 3 1 2 − 3 − 3 ] [ x y z ] = [ 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
-5 & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & -3 & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & -3
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ − 5 2 1 2 1 2 1 − 3 − 3 2 1 − 3 − 3 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 0 0 ⎦ ⎤
[ x y z ] = [ 0 − 1 1 ] \begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 \\
-1 \\
1
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 − 1 1 ⎦ ⎤
The first principal axis is
p 1 = 1 0 2 + ( − 1 ) 2 + 1 2 [ 0 − 1 1 ] = 1 2 [ 0 − 1 1 ] p_{1} = \frac{1}{\sqrt{0^2 + (-1)^{2}+1^2}} \begin{bmatrix}
0 \\
-1 \\
1
\end{bmatrix} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{bmatrix}
0 \\
-1 \\
1
\end{bmatrix} p 1 = 0 2 + ( − 1 ) 2 + 1 2 1 ⎣ ⎡ 0 − 1 1 ⎦ ⎤ = 2 1 ⎣ ⎡ 0 − 1 1 ⎦ ⎤
If λ = − 3 2 + 3 2 \lambda = -\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} λ = − 2 3 + 2 3 , then
[ − 1 + 3 2 − 3 2 1 2 1 2 1 2 1 + 3 2 − 3 2 − 3 1 2 − 3 1 + 3 2 − 3 2 ] [ x y z ] = [ 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
-1 +\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & 1+\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & 1+\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ − 1 + 2 3 − 2 3 2 1 2 1 2 1 1 + 2 3 − 2 3 − 3 2 1 − 3 1 + 2 3 − 2 3 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 0 0 ⎦ ⎤
[ 1 2 − 3 2 1 2 1 2 1 2 5 2 − 3 2 − 3 1 2 − 3 5 2 − 3 2 ] [ x y z ] = [ 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & \frac{5}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & \frac{5}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 2 1 − 2 3 2 1 2 1 2 1 2 5 − 2 3 − 3 2 1 − 3 2 5 − 2 3 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 0 0 ⎦ ⎤
[ x y z ] = [ 1 + 3 1 1 ] \begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
1+\sqrt{3} \\
1 \\
1
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 1 + 3 1 1 ⎦ ⎤
The second principal axis is
p 2 = 1 ( 1 + 3 ) 2 + 1 2 + 1 2 [ 1 + 3 1 1 ] = 1 6 + 2 3 [ 1 + 3 1 1 ] p_{2} = \frac{1}{\sqrt{(1+\sqrt{3})^2 + 1^{2}+1^2}} \begin{bmatrix}
1+\sqrt{3} \\
1 \\
1
\end{bmatrix} \\
\quad = \frac{1}{\sqrt{6+2\sqrt{3}}} \begin{bmatrix}
1+\sqrt{3} \\
1 \\
1
\end{bmatrix} p 2 = ( 1 + 3 ) 2 + 1 2 + 1 2 1 ⎣ ⎡ 1 + 3 1 1 ⎦ ⎤ = 6 + 2 3 1 ⎣ ⎡ 1 + 3 1 1 ⎦ ⎤
If λ = − 3 2 − 3 2 \lambda = -\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2} λ = − 2 3 − 2 3 , then
[ − 1 + 3 2 + 3 2 1 2 1 2 1 2 1 + 3 2 + 3 2 − 3 1 2 − 3 1 + 3 2 + 3 2 ] [ x y z ] = [ 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
-1 +\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & 1+\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & 1+\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ − 1 + 2 3 + 2 3 2 1 2 1 2 1 1 + 2 3 + 2 3 − 3 2 1 − 3 1 + 2 3 + 2 3 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 0 0 ⎦ ⎤
[ 1 2 − + 3 2 1 2 1 2 1 2 5 2 + 3 2 − 3 1 2 − 3 5 2 + 3 2 ] [ x y z ] = [ 0 0 0 ] \begin{bmatrix}
\frac{1}{2} -+\frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\
\frac{1}{2} & \frac{5}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} & -3 \\
\frac{1}{2} & -3 & \frac{5}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 2 1 − + 2 3 2 1 2 1 2 1 2 5 + 2 3 − 3 2 1 − 3 2 5 + 2 3 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 0 0 ⎦ ⎤
[ x y z ] = [ 1 − 3 1 1 ] \begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
1-\sqrt{3} \\
1 \\
1
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 1 − 3 1 1 ⎦ ⎤
The third principal axis is
p 3 = 1 ( 1 − 3 ) 2 + 1 2 + 1 2 [ 1 − 3 1 1 ] = 1 6 − 2 3 [ 1 − 3 1 1 ] p_{3} = \frac{1}{\sqrt{(1-\sqrt{3})^2 + 1^{2}+1^2}} \begin{bmatrix}
1-\sqrt{3} \\
1 \\
1
\end{bmatrix} \\
\quad= \frac{1}{\sqrt{6-2\sqrt{3}}} \begin{bmatrix}
1-\sqrt{3} \\
1 \\
1
\end{bmatrix} p 3 = ( 1 − 3 ) 2 + 1 2 + 1 2 1 ⎣ ⎡ 1 − 3 1 1 ⎦ ⎤ = 6 − 2 3 1 ⎣ ⎡ 1 − 3 1 1 ⎦ ⎤
The change of basis needed to convert Q Q Q into the orthogonal canonical reduction is given by
[ x y z ] = [ 0 1 + 3 6 + 2 3 1 − 3 6 + − 3 − 1 2 1 6 + 2 3 1 6 − 2 3 1 2 1 6 + 2 3 1 6 − 2 3 ] [ x 1 y 1 z 1 ] \begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}
0 & \frac{1 + \sqrt{3}}{\sqrt{6+2\sqrt{3}}} & \frac{1 - \sqrt{3}}{\sqrt{6+-\sqrt{3}}} \\
-\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6+2\sqrt{3}}} & \frac{1}{\sqrt{6-2\sqrt{3}}} \\
\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6+2\sqrt{3}}} & \frac{1}{\sqrt{6-2\sqrt{3}}}
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
x_1 \\
y_1 \\
z_1
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ x y z ⎦ ⎤ = ⎣ ⎡ 0 − 2 1 2 1 6 + 2 3 1 + 3 6 + 2 3 1 6 + 2 3 1 6 +− 3 1 − 3 6 − 2 3 1 6 − 2 3 1 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ x 1 y 1 z 1 ⎦ ⎤
Comments