الرياضيات · المسرد

ما معنى صيغة تربيعية؟

يُعرف أيضًا باسم: متطابقة الاستقطاب · مصفوفتان متوافقتان

تعريف 12.1 الرياضيات الجامعية — السنة 2 · الفصل 12 — الصيغ التربيعية

الصيغة ثنائية الخطية المتماثلة على فضاء متجهي حقيقي EE هي صيغة ثنائية الخطية φ ⁣:E×ER\varphi \colon E \times E \to \R تحقق φ(x,y)=φ(y,x)\varphi(x, y) = \varphi(y, x)؛ والصيغة التربيعية المرافقة هي q(x)=φ(x,x)q(x) = \varphi(x, x). وتُستعاد الصيغة φ\varphi من qq بالاستقطاب:

φ(x,y)=12(q(x+y)q(x)q(y)).\varphi(x, y) = \tfrac12\bigl(q(x + y) - q(x) - q(y)\bigr).

وفي أساس (ei)(e_i)، تكون مصفوفة φ\varphi هي المصفوفة المتماثلة B=(φ(ei,ej))B = (\varphi(e_i, e_j))، مع q(x)=XTBXq(x) = X^{\mathsf T} B X؛ ويعوّض تغيير الأساس بمصفوفة PP المصفوفةَ BB بالمصفوفة PTBPP^{\mathsf T} B P (التوافق — لا التشابه!). ورتبة qq هي rkB\operatorname{rk} B (وهي لا متغيّرة: لأن التوافق يضرب في مصفوفات قابلة للقلب).

أمثلة

مثال 12.3 (التوافق في العمل)

لنأخذ q(x,y)=x2+4xy+y2q(x, y) = x^2 + 4xy + y^2 (بالمصفوفة B=(1221)B = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 2 & 1\end{pmatrix}) والأساس الجديد e1=(1,1)e_1' = (1, 1)، e2=(1,1)e_2' = (1, -1)، أي P=(1111)P = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix}. عندئذٍ

PTBP=(1111)(1221)(1111)=(6002):P^{\mathsf T}BP = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 2 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 1\\ 1 & -1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 & 0\\ 0 & -2\end{pmatrix} :

وفي الإحداثيات (u,v)(u, v) على امتداد الأساس الجديد، q=6u22v2q = 6u^2 - 2v^2 — وللتحقق: يعطي x=u+vx = u + v، y=uvy = u - v أن x2+4xy+y2=6u22v2x^2 + 4xy + y^2 = 6u^2 - 2v^2 مباشرةً. ولاحظ أن العناصر القطرية الجديدة 6,26, -2 ليست القيم الذاتية 3,13, -1 للمصفوفة BB: فالتوافق يعيد تحجيم السلّم، ولا يحفظ الأطياف إلا التشابه — لكن الإشارات تتفق، كما تقتضي مبرهنة سيلفستر. (والأساس هنا متعامد لكنه غير ممنظم؛ ونظمُه بالمقدار 12\frac{1}{\sqrt2} يقسم القطر على 22 و يستعيد القيم الذاتية.)

مثال 12.4 (محددات غرام تقيس المساحة)

من أجل v1,v2v_1, v_2 في فضاء إقليدي، تحزم مصفوفة غرام G=(vi,vj)G = \bigl(\langle v_i, v_j\rangle\bigr) الأطوالَ والزاوية؛ ويحزم محددها المساحة:

detG=v12v22v1,v22=v12v22(1cos2θ)=(v1v2sinθ)2,\det G = \norm{v_1}^2\norm{v_2}^2 - \langle v_1, v_2\rangle^2 = \norm{v_1}^2\norm{v_2}^2\bigl(1 - \cos^2\theta\bigr) = \bigl(\norm{v_1}\,\norm{v_2}\sin\theta\bigr)^2 ,

وهو مربّع مساحة متوازي الأضلاع المبني على v1,v2v_1, v_2 — ومتراجحة كوشي–شوارتز هي بالضبط القول detG0\det G \geq 0. ومثال منفَّذ: v1=(1,2,2)v_1 = (1, 2, 2)، v2=(2,1,2)v_2 = (2, 1, -2) في R3\R^3:

G=(9009),detG=81:G = \begin{pmatrix} 9 & 0\\ 0 & 9 \end{pmatrix}, \qquad \det G = 81 :

فالمتجهتان متعامدتان وطولهما 33، وتولّدان متوازي أضلاع (وهو هنا مربّع) مساحته 81=9\sqrt{81} = 9. والفكرة الختامية: لم يُستعمل أي جداء شعاعي ولا أي سحر خاص بالبعد 33 — فالمقدار detG\sqrt{\det G} يقيس الحجم ذا البعد kk في أي بعد، وهو منطلق الجزء الأول من مسألة نهاية الأسبوع وتكاملات مساحة السطوح لاحقًا في هذا المجلد.

مثال 12.16

A=(2112)A = \begin{pmatrix} 2 & 1\\ 1 & 2 \end{pmatrix}: القيمتان الذاتيتان 33 (بمتجهة ذاتية 12(1,1)\frac{1}{\sqrt2}(1,1)) و11 (بالمتجهة 12(1,1)\frac{1}{\sqrt2}(1,-1)). وتصير الصيغة التربيعية 2x2+2xy+2y22x^2 + 2xy + 2y^2 هي 3X2+Y23X^2 + Y^2 في المعلم المتعامد الممنظم المُدار: أي المحاور الرئيسية لقطع ناقص، محسوبةً. ويبلغ اختزال غاوس صيغة قطرية أيضًا، لكن المبرهنة الطيفية وحدها تبلغها دون تشويه الأطوال.

اقرأ في الفصل ←