Given question is 2xy+2yz+2zx
The general equation a 1 x 2 + a 2 y 2 + a 3 z 2 + a 4 x y + a 5 y z + a 6 z x a_1x^2+a_2y^2+a_3z^2+a_4 xy+a_5yz+a_6 zx a 1 x 2 + a 2 y 2 + a 3 z 2 + a 4 x y + a 5 yz + a 6 z x
For the given equation, a 1 = a 2 = a 3 = 0 a_1=a_2=a_3=0 a 1 = a 2 = a 3 = 0
a 4 = 2 , a 5 = 2 , a 6 = 2 a_4=2, a_5=2, a_6=2 a 4 = 2 , a 5 = 2 , a 6 = 2
So, matrix A = [ 0 1 1 1 0 1 1 1 0 ] A=\begin{bmatrix}
0 & 1 & 1\\
1 & 0 & 1 \\
1 & 1 & 0 \\
\end{bmatrix} A = ⎣ ⎡ 0 1 1 1 0 1 1 1 0 ⎦ ⎤
After the matrix operation,
Let λ \lambda λ be the eigen value of the equation, so A − λ I = 0 A-\lambda I=0 A − λ I = 0
Given question is 2xy+2yz+2zx
The general equation a 1 x 2 + a 2 y 2 + a 3 z 2 + a 4 x y + a 5 y z + a 6 z x a_1x^2+a_2y^2+a_3z^2+a_4 xy+a_5yz+a_6 zx a 1 x 2 + a 2 y 2 + a 3 z 2 + a 4 x y + a 5 yz + a 6 z x
For the given equation, a 1 = a 2 = a 3 = 0 a_1=a_2=a_3=0 a 1 = a 2 = a 3 = 0
a 4 = 2 , a 5 = 2 , a 6 = 2 a_4=2, a_5=2, a_6=2 a 4 = 2 , a 5 = 2 , a 6 = 2
So, matrix A = [ 0 1 1 1 0 1 1 1 0 ] A=\begin{bmatrix}
0 & 1 & 1\\
1 & 0 & 1 \\
1 & 1 & 0 \\
\end{bmatrix} A = ⎣ ⎡ 0 1 1 1 0 1 1 1 0 ⎦ ⎤
Let the eigen value for the equation be λ , \lambda, λ , From the characteristic equation,
∣ A − λ I ∣ = 0 |A-\lambda I|=0 ∣ A − λ I ∣ = 0
[ − λ 1 1 1 − λ 1 1 1 − λ ] = 0 \begin{bmatrix}
-\lambda & 1 & 1\\
1 & -\lambda & 1 \\
1 & 1 & -\lambda \\
\end{bmatrix}=0 ⎣ ⎡ − λ 1 1 1 − λ 1 1 1 − λ ⎦ ⎤ = 0
After the expansion of the matrix,
⇒ − λ 3 + 3 λ − 2 = 0 \Rightarrow -\lambda^3+3\lambda -2=0 ⇒ − λ 3 + 3 λ − 2 = 0
⇒ λ 3 − 3 λ + 2 = 0 \Rightarrow \lambda^3-3\lambda +2=0 ⇒ λ 3 − 3 λ + 2 = 0
( λ + 1 ) ( λ + 1 ) ( λ − 2 ) = 0 (\lambda +1)(\lambda +1)(\lambda -2)=0 ( λ + 1 ) ( λ + 1 ) ( λ − 2 ) = 0
λ = − 1 , λ = − 1 , λ = 2 \lambda =-1, \lambda =-1, \lambda =2 λ = − 1 , λ = − 1 , λ = 2
Now, substituting the eigen values,
λ = 2 , \lambda = 2, λ = 2 , x 1 = [ 1 1 1 ] x_1=\begin{bmatrix}
1\\
1 \\
1 \\
\end{bmatrix} x 1 = ⎣ ⎡ 1 1 1 ⎦ ⎤
λ = − 1 , x 2 = [ − 1 1 0 ] \lambda=-1, x_2=\begin{bmatrix}
-1\\
1 \\
0 \\
\end{bmatrix} λ = − 1 , x 2 = ⎣ ⎡ − 1 1 0 ⎦ ⎤
λ = − 1 , x 3 = [ 0 1 − 1 ] \lambda=-1, x_3=\begin{bmatrix}
0\\
1 \\
-1 \\
\end{bmatrix} λ = − 1 , x 3 = ⎣ ⎡ 0 1 − 1 ⎦ ⎤
Now, P = ( y 1 , y 2 , y 2 ) P=(y_1,y_2,y_2) P = ( y 1 , y 2 , y 2 )
Applying the transpose of matrix P,
P t = [ y 1 y 2 y 3 ] P^t=\begin{bmatrix}
y_1\\
y_2 \\
y_3
\end{bmatrix} P t = ⎣ ⎡ y 1 y 2 y 3 ⎦ ⎤
Now, multiplying the P , A and transpose matrix of P
P A P t = [ y 1 y 2 y 3 ] [ − 2 1 1 1 − 1 1 1 1 − 1 ] [ y 1 y 2 y 3 ] PAP^t=\begin{bmatrix}
y_1 & y_2 & y_3 \\
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
-2 & 1 & 1\\
1 & -1 & 1 \\
1 & 1 & -1 \\
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
y_1\\
y_2 \\
y_3
\end{bmatrix} P A P t = [ y 1 y 2 y 3 ] ⎣ ⎡ − 2 1 1 1 − 1 1 1 1 − 1 ⎦ ⎤ ⎣ ⎡ y 1 y 2 y 3 ⎦ ⎤
= [ − 2 y 1 + y 2 + y 3 y 1 − y 2 + y 3 y 1 + y 2 − y 3 ] [ y 1 y 2 y 3 ] =\begin{bmatrix}
-2y_1 +y_2 + y_3 &y_1-y_2+y_3 & y_1+y_2-y_3
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
y_1\\
y_2 \\
y_3
\end{bmatrix} = [ − 2 y 1 + y 2 + y 3 y 1 − y 2 + y 3 y 1 + y 2 − y 3 ] ⎣ ⎡ y 1 y 2 y 3 ⎦ ⎤
= − 2 y 1 2 + y 1 y 2 + y 1 y 3 + y 1 y 2 − y 2 2 + y 2 y 3 + y 1 y 3 + y 2 y 3 − y 3 2 =-2y_1^2+y_1y_2+y_1y_3+y_1y_2-y_2^2+y_2y_3+y_1y_3+y_2y_3-y_3^2 = − 2 y 1 2 + y 1 y 2 + y 1 y 3 + y 1 y 2 − y 2 2 + y 2 y 3 + y 1 y 3 + y 2 y 3 − y 3 2
= − ( y 1 2 + y 2 2 + y 3 2 − 2 y 1 y 2 − 2 y 2 y 3 − 2 y 3 y 1 ) =-(y_1^2+y_2^2+y_3^2-2y_1y_2-2y_2y_3-2y_3y_1) = − ( y 1 2 + y 2 2 + y 3 2 − 2 y 1 y 2 − 2 y 2 y 3 − 2 y 3 y 1 )
= − ( y 1 − y 2 − y 3 ) 2 =-(y_1-y_2-y_3)^2 = − ( y 1 − y 2 − y 3 ) 2
The above equation is in the canonical form.
Rank =3
Index = 1
Comments