二次型的意义是什么?有什么应用?

二次型的意义是什么?有什么应用?

不请自来。

二次型的意义有很多,比如马同学的回答中提到的圆锥曲线,比如Narayan的回答中的谐振子能量,这里再给出另外一个也比较直观的几何意义:

向量长度平方在不同基底下的表达式。

为便于理解,我们以二维平面上的情形为例。

在平面直角坐标系下,两个坐标轴的基底向量记为 。

坐标分量记为

那么根据勾股定理可知,向量 的长度平方为:

进一步可以写成:

这就是一个二次型,其中对称矩阵 称作度规矩阵。

现在把其中一个坐标轴转一个角度得到一个斜交坐标系。

此时两个坐标轴不再相互垂直,而是成一个夹角 (见下文图2)。

将两个坐标基底记作 ,将向量 在这个基底下的分量记作:

其中坐标分量 由图2给出:

由图中几何关系以及余弦定理可知,向量 的长度平方为:

这也可以写成一个二次型:

也就是说,直角坐标基底下的度规矩阵

在斜角坐标基底下,变换成:

下面,我们将通过几何关系找出过渡矩阵

从而证明它们真的满足二次型的变换关系:

将两个坐标基底放到一起:

通过图中几何关系可知:

整理可得:

于是过渡矩阵

于是坐标变换下的新的度规矩阵为:

证毕。

几何意义和代数形式在此完美自洽。

在具体的几何或物理图景下,二次型的意义其实非常清晰,也有着非常重要的应用。

比如前面提到的度规,就是整个相对论最重要的数学语言。

具体可参考我的文章:

只是我们的教材并未告诉我们这些。残念。