A=(a_[ij])は対称行列, x=(x_[1],…,x_[n])はn次元ベクトル
g(x)=x_[1]^2+…+x_[n]^2-k=0 (k≠0) のもと、二次形式f(x)=Σ[i=1,n]a_[ii]x_[i]^2+2Σ[i<j]a_[ij]x_[i]x_[j]=(x,Ax)の最大値・最小値を求める。
gradg=(2x_[i])≠0なので、極値を取る点は、gradf=λgradgをみたす点のなかにある。
gradf=λgradg
∴ 2([a[11]-λ,a_[21],…,a_[n1]],[a[12],a[22]-λ,…,a_[n2]],…,[a_[1n],a_[2n],…,a[nn]-λ])x=0
∴ (A-λE)x=0 (Eは単位行列)
∴Ax=λx
よって、f(x)=(x,Ax)=λ(x,x)=λk
(A-λE)x=0が非自明な解をもつので、λはAの固有値。
よって、f(x)の最大値はmax{λk], min{λk}