f ( x , y , z ) = − x 2 + y 2 + z 2 − 4 x y − 4 x z f(x, y, z)=-x^2+y^2+z^2-4xy-4xz f ( x , y , z ) = − x 2 + y 2 + z 2 − 4 x y − 4 x z The matrix of the quadratic form is
A = ( − 1 − 2 − 2 − 2 1 0 − 2 0 1 ) A=\begin{pmatrix}
-1 & -2 & -2 \\
-2 & 1 & 0 \\ -2 & 0 &1
\end{pmatrix} A = ⎝ ⎛ − 1 − 2 − 2 − 2 1 0 − 2 0 1 ⎠ ⎞ The characteristic equation is
∣ − 1 − λ − 2 − 2 − 2 1 − λ 0 − 2 0 1 − λ ∣ = 0 \begin{vmatrix}
-1-\lambda & -2 & -2 \\
-2 & 1-\lambda & 0 \\ -2 & 0 & 1-\lambda
\end{vmatrix}=0 ∣ ∣ − 1 − λ − 2 − 2 − 2 1 − λ 0 − 2 0 1 − λ ∣ ∣ = 0 Hence
( 1 − λ ) ( λ 2 − 9 ) = 0 (1-\lambda)({\lambda}^2-9)=0 ( 1 − λ ) ( λ 2 − 9 ) = 0 λ 1 = 1 , λ 2 = 3 , λ 3 = − 3 \lambda_1=1, \lambda_2=3, \lambda_3=-3 λ 1 = 1 , λ 2 = 3 , λ 3 = − 3 Thus, the orthogonal canonical reduction is
Q = ( x ′ y ′ z ′ ) ∗ ( 1 0 0 0 3 0 0 0 − 3 ) ∗ ( x ′ y ′ z ′ ) = ( x ′ ) 2 + 3 ( y ′ ) 2 − 3 ( z ′ ) 2 Q=\begin{pmatrix}
x' & y' & z' \\
\end{pmatrix}*\begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 \\
0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 &-3
\end{pmatrix}*\begin{pmatrix}
x' \\
y' \\ z'
\end{pmatrix}=(x')^2+3(y')^2-3(z')^2 Q = ( x ′ y ′ z ′ ) ∗ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 3 0 0 0 − 3 ⎠ ⎞ ∗ ⎝ ⎛ x ′ y ′ z ′ ⎠ ⎞ = ( x ′ ) 2 + 3 ( y ′ ) 2 − 3 ( z ′ ) 2 Find eigenvectors:
λ 1 = 1 \lambda_1=1 λ 1 = 1 ( − 2 − 2 − 2 − 2 0 0 − 2 0 0 ) ∗ ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
-2 & -2 & -2 \\
-2 & 0 & 0 \\ -2 & 0 &0
\end{pmatrix}*\begin{pmatrix}
v_1 \\
v_2 \\ v_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\ 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 2 − 2 − 2 − 2 0 0 − 2 0 0 ⎠ ⎞ ∗ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ ( 1 0 0 0 1 1 0 0 0 ) ∗ ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & 0 \\
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 0 1 0 ⎠ ⎞ ∗ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ v = ( 0 − 1 1 ) v=\begin{pmatrix}
0 \\
-1 \\ 1
\end{pmatrix} v = ⎝ ⎛ 0 − 1 1 ⎠ ⎞ The principal axis is
1 2 ( 0 − 1 1 ) {1 \over \sqrt{2}}\begin{pmatrix}
0 \\
-1 \\ 1
\end{pmatrix} 2 1 ⎝ ⎛ 0 − 1 1 ⎠ ⎞ λ 2 = 3 \lambda_2=3 λ 2 = 3 ( − 4 − 2 − 2 − 2 − 2 0 − 2 0 − 2 ) ∗ ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
-4 & -2 & -2 \\
-2 & -2 & 0 \\ -2 & 0 &-2
\end{pmatrix}*\begin{pmatrix}
v_1 \\
v_2 \\ v_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\ 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ − 4 − 2 − 2 − 2 − 2 0 − 2 0 − 2 ⎠ ⎞ ∗ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ ( 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 ⎠ ⎞ v = ( − 1 1 1 ) v=\begin{pmatrix}
-1 \\
1 \\ 1
\end{pmatrix} v = ⎝ ⎛ − 1 1 1 ⎠ ⎞ The principal axis is
1 3 ( − 1 1 1 ) {1 \over \sqrt{3}}\begin{pmatrix}
-1 \\
1 \\ 1
\end{pmatrix} 3 1 ⎝ ⎛ − 1 1 1 ⎠ ⎞ λ 3 = − 3 \lambda_3=-3 λ 3 = − 3 ( 2 − 2 − 2 − 2 4 0 − 2 0 4 ) ∗ ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
2 & -2 & -2 \\
-2 & 4 & 0 \\ -2 & 0 &4
\end{pmatrix}*\begin{pmatrix}
v_1 \\
v_2 \\ v_3
\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
0 \\
0 \\ 0
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 2 − 2 − 2 − 2 4 0 − 2 0 4 ⎠ ⎞ ∗ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ ( 1 0 − 2 0 1 − 1 0 0 0 ) ∗ ( v 1 v 2 v 3 ) = ( 0 0 0 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & -2 \\
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 − 2 − 1 0 ⎠ ⎞ ∗ ⎝ ⎛ v 1 v 2 v 3 ⎠ ⎞ = ⎝ ⎛ 0 0 0 ⎠ ⎞ v = ( 2 1 1 ) v=\begin{pmatrix}
2 \\
1 \\ 1
\end{pmatrix} v = ⎝ ⎛ 2 1 1 ⎠ ⎞ The principal axis is
1 6 ( 2 1 1 ) {1 \over \sqrt{6}}\begin{pmatrix}
2 \\
1 \\ 1
\end{pmatrix} 6 1 ⎝ ⎛ 2 1 1 ⎠ ⎞
Comments