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練習問題 メモ 2

2.1

3(475869)+(011220)3\left(\begin{array}{ll} 4 & 7 \\ 5 & 8 \\ 6 & 9 \end{array}\right)+\left(\begin{array}{ll} 0 & 1 \\ 1 & 2 \\ 2 & 0 \end{array}\right)
(122115241827)+(011220)=(122216262027)\left(\begin{array}{ll} 12 & 21 \\ 15 & 24 \\ 18 & 27 \end{array}\right) +\left(\begin{array}{ll} 0 & 1 \\ 1 & 2 \\ 2 & 0 \end{array}\right) =\left(\begin{array}{ll} 12 & 22 \\ 16 & 26 \\ 20 & 27 \end{array}\right)

2.2

  1. (345)(011220)\left(\begin{array}{lll} 3 & 4 & 5 \end{array}\right)\left(\begin{array}{ll} 0 & 1 \\ 1 & 2 \\ 2 & 0 \end{array}\right)
(3⋅0+4⋅1+5⋅23⋅1+4⋅2+0)=(1411)\begin{pmatrix} 3\cdot 0 + 4 \cdot 1 + 5 \cdot 2 & \hspace{1em} 3\cdot 1 + 4 \cdot 2 + 0 \end{pmatrix} \\ = \begin{pmatrix} 14 & 11 \end{pmatrix}
  1. (34)(12)\left(\begin{array}{l} 3 \\ 4 \end{array}\right)\left(\begin{array}{ll} 1 & 2 \end{array}\right)
(a1a2)(b1b2)=(a1b1a1b2a2b1a2b2)\left(\begin{array}{l} a_1 \\ a_2 \end{array}\right) \left(\begin{array}{ll} b_1 & b_2 \end{array}\right) = \begin{pmatrix} a_1 b_1 & a_1 b_2\\ a_2 b_1 & a_2 b_2\\ \end{pmatrix}

なので

(34)(12)=(3⋅13⋅24⋅14⋅2)=(3648)\left(\begin{array}{l} 3 \\ 4 \end{array}\right)\left(\begin{array}{ll} 1 & 2 \end{array}\right) = \begin{pmatrix} 3\cdot 1 & 3 \cdot 2\\ 4\cdot 1 & 4 \cdot 2\\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 & 6\\ 4 & 8\\ \end{pmatrix}
array([[3, 6], [4, 8]])
  1. (78)(56)\left(\begin{array}{ll} 7 & 8 \end{array}\right)\left(\begin{array}{l} 5 \\ 6 \end{array}\right)
7⋅5+8⋅6=35+48=837\cdot 5 + 8 \cdot 6 = 35 + 48 = 83

2.3

正方行列A=(0ab00c000)A=\left(\begin{array}{lll} 0 & a & b \\ 0 & 0 & c \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right)はべき零行列であることを示せ。

冪零行列は、ある自然数kkで冪乗して零(零行列)となるnn次正方行列のこと

Ak=OA^k = O

Aはk=2k=2のときは零にならないが、k≥3k\geq 3で零になる

A3=(0ab00c000)(0ab00c000)(0ab00c000)=(00ac000000)(0ab00c000)=(000000000)\begin{aligned} A^3 = \left(\begin{array}{lll} 0 & a & b \\ 0 & 0 & c \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \left(\begin{array}{lll} 0 & a & b \\ 0 & 0 & c \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \left(\begin{array}{lll} 0 & a & b \\ 0 & 0 & c \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \\ = \left(\begin{array}{lll} 0 & 0 & ac \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \left(\begin{array}{lll} 0 & a & b \\ 0 & 0 & c \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \\ = \left(\begin{array}{lll} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \end{aligned}
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2.4

次の問いに応えよ。

  1. 2 つの行列が可換であることの定義を書け。

2つのnn次正方行列A,BA, Bについて

AB=BAAB = BA

が成り立つこと

  1. 2 つの行列 (1a0a2),(a2a01)\left(\begin{array}{cc} 1 & a \\ 0 & a^2 \end{array}\right),\left(\begin{array}{cc} a^2 & a \\ 0 & 1 \end{array}\right) が可換となるように a の値を求めよ。

(1a0a2)(a2a01)=(a2a01)(1a0a2)\begin{pmatrix} 1 & a \\ 0 & a^2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a^2 & a \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a^2 & a \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & a \\ 0 & a^2 \end{pmatrix}

を満たす、つまり

(a22a0a2)=(a22a30a2)\begin{pmatrix} a^2 & 2a \\ 0 & a^2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a^2 & 2a^3 \\ 0 & a^2 \end{pmatrix}

よって

2a=2a32a = 2a^3

を解けばよい。

2a=2a3→a=a3→a−a3=0→a(a2−1)=0\begin{align} &2a = 2a^3\\ &\to a = a^3\\ &\to a - a^3 = 0\\ &\to a(a^2 - 1) = 0\\ &\end{align}

よってa=0a=0かa2−1=0a^2 - 1 = 0であり

a2−1=0a^2 - 1 = 0が成り立つのはa=−1,1a=-1, 1のときなので

a=−1,0,1a = -1, 0, 1

となる

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2.5

n 次の正方行列 A, B に対して、[A,B]=AB−BA[A, B] = AB − BA とおき、これを A と B の交換子積という。 交換子積に関して、次の 1~3 が成り立つことを示せ。ただし、A, B, C はすべて n 次の正方行列で、O は n 次の零行列である。

  1. [A,B]=−[B,A][A, B] = −[B, A] (交代性または反対称性)

[A,B]=AB−BA[A, B] = AB - BA

は順番を入れ替えれば

−BA+AB=−(BA−AB)=−[B,A]- BA + AB = - (BA - AB) = -[B, A]
Source
True
  1. [A,A]=O[A, A] = O

[A,A]=AA−AA=O[A, A] = AA - AA = O
  1. [[A,B],C]+[[B,C],A]+[[C,A],B]=O[[A, B], C] + [[B, C], A] + [[C, A], B] = O(ヤコビの恒等式)

[[A,B],C]+[[B,C],A]+[[C,A],B][[A, B], C] + [[B, C], A] + [[C, A], B]

を展開すると

(AB−BA)C−C(AB−BA)+(BC−CB)A−A(BC−CB)+(CA−AC)B−B(CA−AC)=ABC−BAC−CAB+CBA+BCA−CBA−ABC+ACB+CAB−ACB−BCA+BAC\begin{align} (AB - BA) C &- C (AB - BA)\\ + (BC - CB) A &- A (BC - CB)\\ + (CA - AC) B &- B (CA - AC) \\ = ABC - BAC &- CAB + CBA\\ + BCA - CBA &- ABC + ACB\\ + CAB - ACB &- BCA + BAC \end{align}
=(ABC−ABC)+(BAC−BAC)+(CAB−CAB)+(CBA−CBA)+(BCA−BCA)+(ACB−ACB)=0= (ABC - ABC)\\ + (BAC - BAC)\\ + (CAB - CAB)\\ + (CBA - CBA)\\ + (BCA - BCA)\\ + (ACB - ACB)\\ = 0

2.6

2 次の正方行列 A=(abcd)A=\left(\begin{array}{ll} a & b \\ c & d \end{array}\right) に対して、ケイリー-ハミルトンの定理

A2−(a+d)A+(ad−bc)EA^2-(a+d) A+(a d-b c) E

が成り立つことを示せ。(E は対角要素が 1 の単位行列である)

A2−(a+d)A+(ad−bc)E=OA^2-(a+d) A+(a d-b c) E = O

ということ?

A2−(a+d)A+(ad−bc)E=(abcd)(abcd)−a(abcd)−d(abcd)+(ad−bc)E=(a2+bcab+bdac+cdbc+d2)−(a2abacad)−(adbdcdd2)+(ad−bc)E=(bcbdcdbc+d2−ad)−(adbdcdd2)+(ad−bc)E=(bc−ad00bc−ad)+(ad−bc)E=(0000)\begin{align} &A^2-(a+d) A+(a d-b c) E \\ &= \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} - a \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} - d \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} +(a d-b c) E \\ &= \begin{pmatrix} a^2 + bc & ab + bd\\ ac + cd & bc + d^2 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} a^2 & ab \\ ac & ad \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} ad & bd \\ cd & d^2 \end{pmatrix} +(a d-b c) E \\ &= \begin{pmatrix} bc & bd\\ cd & bc + d^2 - ad \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} ad & bd \\ cd & d^2 \end{pmatrix} +(a d-b c) E \\ &= \begin{pmatrix} bc - ad & 0\\ 0 & bc - ad \end{pmatrix} +(a d-b c) E \\ &= \begin{pmatrix} 0 & 0\\ 0 & 0 \end{pmatrix} \end{align}

2.7

次の問いに答えよ。

  1. 対称行列の定義を書け。

以下が成り立つnn次正方行列AAを対称行列という

AT=AA^T = A
  1. 交代行列の定義を書け。

転置行列が元の行列の−1倍になる正方行列のこと。つまり

以下が成り立つnn次正方行列AAを交代行列という

AT=−AA^T = -A
  1. 任意の正方行列は対称行列と交代行列の和で一意的に表されることを、次の(ア)、(イ)の手順で示せ。

(ア)正方行列 A が対象行列 X と交代行列 Y の和で、 A = X + Y \tag{2.1} と表されると仮定する。 このとき、式 2.1 の両辺の転置を取ることにより、 A^T = X − Y \tag{2.2} が成り立つ。

式 2.1 と式 2.2 を連立させることにより、X, Y を A および ATA^T を用いて表せ。

Invalid delimiter type 'ordgroup' at position 46: …= X + Y\\
+\big{̲)̲}̲& A^T = X - Y\\…

\begin{array}{rr}
        & A = X + Y\\
+\big{)}& A^T = X - Y\\
\hline
& A + A^T = 2 X\\
& \to X = \frac{1}{2} (A + A^T)
\end{array}
Invalid delimiter type 'ordgroup' at position 46: …= X + Y\\
-\big{̲)̲}̲& A^T = X - Y\\…

\begin{array}{rr}
        & A = X + Y\\
-\big{)}& A^T = X - Y\\
\hline
& A - A^T = 2 Y\\
& \to Y = \frac{1}{2} (A - A^T)
\end{array}

(イ) (ア)で AA および ATA^T を用いて表した X, Y は、実際にそれぞれ対称行列、交代行列であることを示せ。

Xは対称行列

XT=12(A+AT)T=12(AT+A)=XX^T = \frac{1}{2} (A+A^T)^T = \frac{1}{2} (A^T + A) = X

Yは交代行列

YT=12(A−AT)T=12(AT−A)=−12(A+AT)=−Y\begin{align} Y^T &= \frac{1}{2} (A - A^T)^T\\ &= \frac{1}{2} (A^T - A)\\ &= -\frac{1}{2} (A + A^T)\\ &= -Y \end{align}