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Mathematik-Online-Lexikon:

Beispiel: Hauptachsentransformation


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Die Quadrik

$\displaystyle Q:\quad 8x_1^2 + 17x_2^2 + 20x_3^2 + 20x_1x_2 + 8x_1x_3 + 28x_2x_3 - 48x_1 -
114x_2 - 78x_3 + 207 =0
$

soll auf Normalform transformiert werden.

In Matrixschreibweise ergibt sich

$\displaystyle Q:\quad x^{\operatorname t}A x + 2b^{\operatorname t}x + c =0
$

mit

\begin{displaymath}
A=\left(
\begin{array}{ccc}
8 & 10 & 4\\
10 & 17 & 14\\
4 ...
...ray}{c} -24 \\ -57 \\ -39 \end{array} \right)\,,\quad c=207\,.
\end{displaymath}

Die Matrix $ A$ hat die Eigenwerte $ 9$, $ 36$ und 0, zugehörige normierte Eigenvektoren $ u_i$ mit $ \operatorname{det}(u_1,u_2,u_3) = 1$ sind z.B.

$\displaystyle u_1=\frac{1}{3}(1,2,2)^{\operatorname t}\,,\quad
u_2=\frac{1}{3}(2,1,-2)^{\operatorname t}\,,\quad
u_3=\frac{1}{3}(2,-2,1)^{\operatorname t}\,.
$

Nach der Transformation $ x=Uy$ mit $ U=(u_1,u_2,u_3)$ erhält man

$\displaystyle Q:\quad 36y_1^2 + 9 y_2^2 - 144y_1 - 18y_2 + 18y_3 + 207 = 0\,.
$

Durch die quadratische Ergänzung $ z_1=y_1-2$, $ z_2=y_2-1$, $ z_3=y_3$ ergibt sich

$\displaystyle Q:\quad 36z_1^2 + 9z_2^2 + 18z_3 + 54 = 0\,.
$

Skalierung (Division durch 9) und die Verschiebung $ \xi_1=z_1$, $ \xi_2=z_2$, $ \xi_3=z_3+3$ liefert schließlich die Normalform

$\displaystyle Q:\quad 4\xi_1^2 + \xi_2^2 + 2\xi_3 =0\,$   bzw.$\displaystyle -\frac{(\xi_1)^2}{(1/2)^2}-(\xi_2)^2 = 2 \xi_3
\,.
$

Die Quadrik ist also ein elliptisches Paraboloid mit Halbachsenlängen $ 1/2$ und $ 1$.

Insgesamt hat die Transformation die Form

$\displaystyle x =
Uy =
Uz + U \left(\begin{array}{c}
2 \\ 1 \\ 0
\end{array...
...d{array} \right)
+
U \left(\begin{array}{c}
2 \\ 1 \\ 0
\end{array} \right)
$

Die Verschiebung ist

$\displaystyle v =
\underbrace{
\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}
1 & 2 & 2 \\...
...ht) =
\frac{1}{3}\left( \begin{array}{c}
-2 \\ 11 \\ -1
\end{array} \right)
$

und entspricht dem Mittelpunkt der Quadrik.

siehe auch:


  automatisch erstellt am 13.  7. 2018