приведенных к нормальному виду
Пусть в некотором каноническом базисе квадратичная форма приведена к нормальному виду (1). Полное число членов, входящих в (1), т.е. ранг формы, называется также индексом инерции квадратичной формы; число положительных слагаемых называется положительным индексом инерции, а число отрицательных слагаемых - отрицательным индексом инерции. Напоминаем, что .По нормальному виду квадратичной формы легко сделать вывод о ее знакоопределенности. Сформулируем и докажем несколько простых утверждений.
Критерий 1. Для того чтобы квадратичная форма , заданная в -мерном линейном пространстве, была положительно (отрицательно) определена, необходимо и достаточно, чтобы её положительный (отрицательный) индекс инерции совпадал с размерностью пространства.
Доказательство провеём для положительно определённых форм, т.е. докажем
.
Необходимость. Пусть форма положительно определена, тогда её нормальный вид содержит лишь положительные квадраты:
|
|
6)
При этом если бы было , то форма (6) для некоторого вектора была бы равна нулю, что противоречит её положительной определённости. Значит, .
Достаточность. Пусть , т.е. форма имеет вид
.
Очевидно, для любого , а равенство возможно лишь при одновременном выполнении , т.е. когда вектор . Значит, форма в каждой точке пространства, кроме начала координат, принимает положительные значения, т.е. является положительно определённой.¨
Критерий 2. Для того чтобы квадратичная форма , заданная в -мерном линейном пространстве, была знакопеременной, необходимо и достаточно, чтобы как положительный, так и отрицательный её индексы инерции были отличны от нуля.
Докажем
.
Необходимость. Пусть форма является знакопеременной. Тогда в её нормальном виде (1) должны содержаться как положительные, так и отрицательные слагаемые, т.е. и , и .
Достаточность. Пусть у формы и , и . Тогда для некоторого вектора форма принимает значение , а для вектора соответственно . Значит, эта форма знакопеременна.¨
Критерий 3. Для того чтобы квадратичная форма , заданная в -мерном линейном пространстве, была квазиположительно (квазиотрицательно) определённой, необходимо и достаточно, чтобы .
Доказательство проведём для квазиположительно определённой формы:
.
Необходимость. Пусть форма квазиположительно определена, тогда, очевидно, в представлении (1) должны отсутствовать отрицательные слагаемые, т.е. . Кроме того, должно быть , ибо при форма была бы положительно определённой.
Достаточность. Пусть и , тогда
|
|
,
но для некоторого ненулевого вектора имеем , а такая форма квазиположительно определена.¨
Критерий Сильвестра
Критерий Сильвестра позволяет выяснить вопрос о знакоопределённости квадратичной формы, заданной в произвольном базисе, без приведения её к каноническому виду.
Пусть в некотором базисе форма определена своей матрицей , т.е. , и пусть ,
- угловые миноры этой матрицы. Имеет место следующая
Теорема (критерий Сильвестра).
1. Для того чтобы квадратичная форма была положительно определённой, необходимо и достаточно, чтобы все угловые миноры были положительными:
.
2. Для того чтобы квадратичная форма была отрицательно определённой, необходимо и достаточно, чтобы знаки угловых миноров чередовались, начиная с .
Докажем первую часть критерия, опираясь на теорему Якоби (п. 40).
Необходимость. Пусть форма положительно определена. Докажем сначала, что тогда все угловые миноры матрицы отличны от нуля. Предположим противное: пусть форма положительно определена, но .
Рассмотрим вспомогательную квадратную однородную систему:
.
Так как определитель этой системы по предположению равен нулю, то система нетривиально совместна, т. е. имеет решение . Построим на этой системе отрезок квадратичной формы, умножая обе части первого уравнения на , второго – на ,…, последнего – на и складывая их:
.
Прибавим к левой части сумму , которая равна нулю, если взять … . Рассмотрим вектор . Запишем для него квадратичную форму :
+ .
Получили , а это противоречит условию положительной определённости заданной формы.
Значит, ни один из угловых миноров положительно определённой квадратичной формы не может равняться нулю. Но при условии по теореме Якоби форма приводится к каноническому виду
. (7)
Так как у положительно определённой квадратичной формы все канонические коэффициенты положительны, получаем:
.
Достаточность. Пусть все угловые миноры положительны. Тогда они не равны нулю и в силу теоремы Якоби имеет место представление (7), где все канонические коэффициенты положительны, . В силу критерия 1 предыдущего пункта это и означает, что форма положительно определена. ¨
Доказательство второй части критерия Сильвестра для отрицательно определённых квадратичных форм предлагаем провести самостоятельно.
Пример. Покажем, как работает критерий Сильвестра при проверке достаточных условий экстремума функции двух переменных. Рассмотрим функцию , дифференцируемую в некоторой окрестности точки и дважды дифференцируемую в самой точке . Пусть - стационарная точка, т.е. выполняются необходимые условия экстремума
.
Мы знаем, что в стационарной точке не гарантировано наличие экстремума. Возникает вопрос об условиях, достаточных для существования (или отсутствия) экстремума. Иначе, стационарную точку следует подвергнуть дополнительному исследованию.
Естественно обратиться к рассмотрению разности
и вспомнить, что если для всех точек из некоторой окрестности точки имеет место неравенство , то в точке функция имеет локальный минимум (максимум).
Разложим разность по формуле Тейлора, ограничиваясь двумя членами (впрочем, первый член исчезает, так как точка - стационарная):
.
Здесь - остаточный член в форме Пеано, , . Очевидно, знак –приращения функции в стационарной точке – совпадает со знаком второго дифференциала функции в этой точке: . Но второй дифференциал представляет собой квадратичную форму относительно переменных и :
.
Запишем матрицу этой квадратичной формы:
|
|
.
Исследуем знакоопределенность формы с помощью критерия Сильвестра. Если угловые миноры
и ,
то квадратичная форма положительно определена, т.е. второй дифференциал (а с ним и приращение ) сохраняет положительный знак в некоторой окрестности точки . Тогда это точка локального минимума функции .
Если знаки угловых миноров чередуются, так что
и ,
то квадратичная форма отрицательно определена, т.е. второй дифференциал (а с ним и приращение ) сохраняет отрицательный знак в некоторой окрестности точки . Тогда – точка локального максимума функции .
Наконец, если определитель матрицы меньше нуля:
,
то в силу критерия Сильвестра не может быть и речи о знакоопределённости квадратичной формы. В этом случае в стационарной точке функция экстремума не имеет.
Легко проверить, что функция (параболоид вращения) в стационарной точке имеет минимум, а функция (гиперболический параболоид) в этой точке не имеет экстремума.♦