La forme quadratique \(\mathbf{x}^\top A\,\mathbf{x}\)

une matrice symétrique, une courbe de niveau, trois géométries

1 · DÉFINITION

$$Q(\mathbf{x})=\mathbf{x}^\top A\,\mathbf{x}=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}a_{ij}\,x_ix_j =a_{11}x_1^2+2a_{12}x_1x_2+a_{22}x_2^2,\qquad A=A^\top$$

2 · À TOI : DÉFORME A, TROIS FAÇONS

courbe \(\{\mathbf{x} : \mathbf{x}^\top A\mathbf{x}=1\}\) — tire les poignées des axes
plan des valeurs propres \((\lambda_1,\lambda_2)\) — déplace le point

Poignée pleine : demi-axe \(1/\sqrt{\lambda_i}\) (λ > 0). Poignée creuse : direction où \(Q<0\), à distance \(1/\sqrt{|\lambda_i|}\). Courbes fines : autres niveaux de \(Q\) (bleu > 0, rouge < 0).

3 · LECTURE SPECTRALE

$$A=P\Lambda P^\top,\quad \mathbf{y}=P^\top\mathbf{x}\;\Longrightarrow\;\mathbf{x}^\top A\,\mathbf{x}=\lambda_1y_1^2+\lambda_2y_2^2$$

4 · CLASSIFICATION (n = 2)

\(\lambda_1,\lambda_2>0\)définie positiveellipse (\(a_{12}^2\lt a_{11}a_{22}\), \(a_{11}>0\))
\(\lambda_1\lambda_2=0\)semi-définiedeux droites parallèles, ou vide
\(\lambda_1\lambda_2<0\)indéfiniehyperbole (\(a_{12}^2\gt a_{11}a_{22}\))
\(\lambda_1,\lambda_2<0\)définie négativevide : \(Q<0\) partout sauf en 0