Answer:-
The matrix of this quadratic form is
( 3 − 1 0 − 1 2 − 1 0 − 1 3 ) \begin{pmatrix}
3 & -1 & 0\\
-1 & 2 &-1\\
0 & -1 &3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 3 − 1 0 − 1 2 − 1 0 − 1 3 ⎠ ⎞
We have to find its eigenvalues and eigenvectors.
det ∣ 3 − x − 1 0 − 1 2 − x − 1 0 − 1 3 − x ∣ = ( 3 − x ) 2 ( 2 − x ) − 2 ( 3 − x ) \det\begin{vmatrix}
3-x & -1 & 0\\
-1 & 2-x &-1\\
0 & -1 & 3-x
\end{vmatrix}=(3-x)^2(2-x)-2(3-x) det ∣ ∣ 3 − x − 1 0 − 1 2 − x − 1 0 − 1 3 − x ∣ ∣ = ( 3 − x ) 2 ( 2 − x ) − 2 ( 3 − x )
= ( 3 − x ) ( ( 3 − x ) ( 2 − x ) − 2 ) = ( 3 − x ) ( x 2 − 5 x + 4 ) = ( 3 − x ) ( x − 1 ) ( x − 4 ) =(3-x)((3-x)(2-x)-2)=(3-x)(x^2-5x+4)=(3-x)(x-1)(x-4) = ( 3 − x ) (( 3 − x ) ( 2 − x ) − 2 ) = ( 3 − x ) ( x 2 − 5 x + 4 ) = ( 3 − x ) ( x − 1 ) ( x − 4 )
Therefore, the eigenvalues are 1, 3 and 4.
1) Consider the eigenvalue 1:
( 3 − 1 − 1 0 − 1 2 − 1 − 1 0 − 1 3 − 1 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
3-1 & -1 & 0\\
-1 & 2-1 &-1\\
0 & -1 & 3-1
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 3 − 1 − 1 0 − 1 2 − 1 − 1 0 − 1 3 − 1 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞
( 2 − 1 0 − 1 1 − 1 0 − 1 2 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
2 & -1 & 0\\
-1 &1 &-1\\
0 & -1 & 2
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 2 − 1 0 − 1 1 − 1 0 − 1 2 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞
2 x − y = 0 2x-y=0 2 x − y = 0 , 2 z − y = 0 2z-y=0 2 z − y = 0 , therefore, the eigenvector is
( x y z ) = ( 2 1 2 ) \begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
2\\
1\\
2
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 2 1 2 ⎠ ⎞
Its norm is 2 2 + 1 2 + 2 2 = 3 \sqrt{2^2+1^2+2^2}=3 2 2 + 1 2 + 2 2 = 3 . Therefore, the normalized eigenvector, corressponding to the eigenvalue 1, is ( x y z ) = ( 2 / 3 1 / 3 2 / 3 ) \begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
2/3\\
1/3\\
2/3
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 ⎠ ⎞ .
2) Consider the eigenvalue 3:
( 3 − 3 − 1 0 − 1 2 − 3 − 1 0 − 1 3 − 3 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
3-3 & -1 & 0\\
-1 & 2-3 &-1\\
0 & -1 & 3-3
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 3 − 3 − 1 0 − 1 2 − 3 − 1 0 − 1 3 − 3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞
( 0 − 1 0 − 1 − 1 − 1 0 − 1 0 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
0 & -1 & 0\\
-1 &-1 &-1\\
0 & -1 & 0
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 0 − 1 0 − 1 − 1 − 1 0 − 1 0 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞
− y = 0 -y=0 − y = 0 , − x − y − z = 0 -x-y-z=0 − x − y − z = 0 , therefore, the eigenvector is
( x y z ) = ( 1 0 − 1 ) \begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
1\\
0\\
-1
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 1 0 − 1 ⎠ ⎞
Its norm is 1 2 + 0 2 + ( − 1 ) 2 = 2 \sqrt{1^2+0^2+(-1)^2}=\sqrt{2} 1 2 + 0 2 + ( − 1 ) 2 = 2 . Therefore, the normalized eigenvector, corressponding to the eigenvalue 3, is ( 1 / 2 0 − 1 / 2 ) \begin{pmatrix}
1/\sqrt{2}\\
0\\
-1/\sqrt{2}
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1/ 2 0 − 1/ 2 ⎠ ⎞ .
3) Consider the eigenvalue 4:
( 3 − 4 − 1 0 − 1 2 − 4 − 1 0 − 1 3 − 4 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
3-4 & -1 & 0\\
-1 & 2-4 &-1\\
0 & -1 & 3-4
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 3 − 4 − 1 0 − 1 2 − 4 − 1 0 − 1 3 − 4 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞
( − 1 − 1 0 − 1 − 2 − 1 0 − 1 − 1 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
-1 & -1 & 0\\
-1 &-2 &-1\\
0 & -1 & -1
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 1 − 1 0 − 1 − 2 − 1 0 − 1 − 1 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞
− x − y = 0 -x-y=0 − x − y = 0 , − y − z = 0 -y-z=0 − y − z = 0 , therefore, the eigenvector is
( x y z ) = ( 1 − 1 1 ) \begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
1\\
-1\\
1
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 1 − 1 1 ⎠ ⎞
Its norm is 1 2 + ( − 1 ) 2 + 1 2 = 3 \sqrt{1^2+(-1)^2+1^2}=\sqrt{3} 1 2 + ( − 1 ) 2 + 1 2 = 3 . Therefore, the normalized eigenvector, corressponding to the eigenvalue 3, is ( 1 / 3 − 1 / 3 1 / 3 ) \begin{pmatrix}
1/\sqrt{3}\\
-1/\sqrt{3}\\
1/\sqrt{3}
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ .
By the construction we have
( 3 − 1 0 − 1 2 − 1 0 − 1 3 ) ( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) = \begin{pmatrix}
3 & -1 & 0\\
-1 & 2 &-1\\
0 & -1 &3
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix}= ⎝ ⎛ 3 − 1 0 − 1 2 − 1 0 − 1 3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ =
= ( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) ( 1 0 0 0 3 0 0 0 4 ) =\begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0\\
0 & 3 &0\\
0 & 0 &4
\end{pmatrix} = ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 3 0 0 0 4 ⎠ ⎞
and
3 x 2 + 2 y 2 + 3 z 2 − 2 x y − 2 y z = ( x y z ) ( 3 − 1 0 − 1 2 − 1 0 − 1 3 ) ( x y z ) = 3x^2+2y^2+3z^2-2xy-2yz=\begin{pmatrix}
x &y & z
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
3 & -1 & 0\\
-1 & 2 &-1\\
0 & -1 &3
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix}= 3 x 2 + 2 y 2 + 3 z 2 − 2 x y − 2 yz = ( x y z ) ⎝ ⎛ 3 − 1 0 − 1 2 − 1 0 − 1 3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ =
( x y z ) ( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) ( 1 0 0 0 3 0 0 0 4 ) ( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) − 1 ( x y z ) \begin{pmatrix}
x &y & z
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0\\
0 & 3 &0\\
0 & 0 &4
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix}^{-1}\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix} ( x y z ) ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 3 0 0 0 4 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ − 1 ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞
But the matrix
( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) \begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ is orthogonal, since it is composed with the orthonormal eigenvectors of the symmetric matrice. therefore
( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) − 1 = ( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) T \begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix}^{-1}=\begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix}^{T} ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ − 1 = ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ T
= ( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) =\begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix} = ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞
Put
( 2 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 3 0 − 1 / 3 2 / 3 − 1 / 2 1 / 3 ) ( x y z ) = ( X Y Z ) \begin{pmatrix}
2/ 3 & 1/\sqrt{2} & 1/\sqrt{3}\\
1/3 & 0 &-1/\sqrt{3}\\
2/3 & -1/\sqrt{2} &1/\sqrt{3}
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
x\\
y\\
z
\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
X\\
Y\\
Z
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 2/3 1/3 2/3 1/ 2 0 − 1/ 2 1/ 3 − 1/ 3 1/ 3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ x y z ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ X Y Z ⎠ ⎞
then
3 x 2 + 2 y 2 + 3 z 2 − 2 x y − 2 y z = ( X Y Z ) ( 1 0 0 0 3 0 0 0 4 ) ( X Y Z ) = X 2 + 3 Y 2 + 4 Z 2 3x^2+2y^2+3z^2-2xy-2yz=(X\,Y\,Z)\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0\\
0 & 3 &0\\
0 & 0 &4
\end{pmatrix}\begin{pmatrix}
X\\
Y\\
Z
\end{pmatrix}=X^2+3Y^2+4Z^2 3 x 2 + 2 y 2 + 3 z 2 − 2 x y − 2 yz = ( X Y Z ) ⎝ ⎛ 1 0 0 0 3 0 0 0 4 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ X Y Z ⎠ ⎞ = X 2 + 3 Y 2 + 4 Z 2
And we reduce the given quadratic form to the canonical form by orthogonal transformation.
Comments