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練習問題メモ 8(行列式)

8.1

次の1~3の行列式を計算せよ。

  1. cosθsinθsinθcosθ\left|\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta\end{array}\right|

  2. a111a111a\left|\begin{array}{lll}a & 1 & 1 \\ 1 & a & 1 \\ 1 & 1 & a\end{array}\right|

  3. 1abc02de003f0004\left|\begin{array}{llll}1 & a & b & c \\ 0 & 2 & d & e \\ 0 & 0 & 3 & f \\ 0 & 0 & 0 & 4\end{array}\right|

  1. cosθsinθsinθcosθ\left|\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta\end{array}\right|

cosθsinθsinθcosθ=cos2θ+sin2θ=1\left|\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta\end{array}\right| = \cos^2 \theta + \sin^2 \theta = 1
  1. a111a111a\left|\begin{array}{lll}a & 1 & 1 \\ 1 & a & 1 \\ 1 & 1 & a\end{array}\right|

a3+23aa^3 + 2 - 3a
  1. 1abc02de003f0004\left|\begin{array}{llll}1 & a & b & c \\ 0 & 2 & d & e \\ 0 & 0 & 3 & f \\ 0 & 0 & 0 & 4\end{array}\right|

上三角行列の行列式は対角成分の積に等しいので

4!=244! = 24

8.2

行列式

a1111a1111a1111a\left|\begin{array}{llll} a & 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & 1 & 1 \\ 1 & 1 & a & 1 \\ 1 & 1 & 1 & a \end{array}\right|

の値が 0 となるような aa の値を求めよ。

ABBA=A+BAB\left|\begin{array}{ll} A & B\\ B & A \end{array}\right| = | A + B | |A - B|

という性質があるため(行列式 |A B // B A| = |A-B||A+B| の証明 | ばたぱら)、

a1111a1111a1111a=(a11a)+(1111)(a11a)(1111)=a+122a+1a100a1={(a+1)24}(a1)2\left|\begin{array}{llll} a & 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & 1 & 1 \\ 1 & 1 & a & 1 \\ 1 & 1 & 1 & a \end{array}\right| = \left| \begin{pmatrix} a & 1 \\ 1 & a \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} \right| \left| \begin{pmatrix} a & 1 \\ 1 & a \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} \right| \\ = \left| \begin{array}{cc} a+1 & 2 \\ 2 & a+1 \end{array} \right| \left| \begin{array}{cc} a - 1 & 0 \\ 0 & a - 1 \end{array} \right| \\ = \{ (a+1)^2 - 4 \} (a-1)^2
{(a+1)24}(a1)2=(a+1)2(a1)24(a1)2=(a2+2a+1)(a22a+1)4(a22a+1)=a2(a22a+1)+2a(a22a+1)+(a22a+1)4(a22a+1)=a42a3+a2+2a34a2+2a+a22a+14a2+8a4=a46a2+8a3=(a1)3(a+3)\begin{align} \{ (a+1)^2 - 4 \} (a-1)^2 &= (a+1)^2 (a-1)^2 - 4 (a-1)^2\\ &= (a^2 + 2a + 1)(a^2 - 2a + 1) - 4 (a^2 - 2a + 1)\\ &= a^2 (a^2 - 2a + 1) + 2a (a^2 - 2a + 1) + (a^2 - 2a + 1) - 4 (a^2 - 2a + 1)\\ &= a^4 - 2a^3 + a^2 + 2a^3 - 4a^2 + 2a + a^2 - 2a + 1 - 4a^2 + 8a - 4\\ &= a^4 - 6 a^2 + 8a - 3\\ &= (a - 1)^3 (a + 3) \end{align}
from sympy import symbols, factor, expand

# 4次方程式の因数分解はわからないのでsympyを使う
a = symbols("a")
f = a ** 4 - 6 * a**2 + 8 * a - 3
factor(f)
Loading...

これがゼロとなるaaを求めたいので

(a1)3(a+3)=0(a - 1)^3 (a + 3) = 0

これを満たすのはa=1a = 1a=3a = - 3のとき

よってa=1,3a = 1, -3

Source
import numpy as np
a = -3
A = np.array([
    [a, 1, 1, 1],
    [1, a, 1, 1],
    [1, 1, a, 1],
    [1, 1, 1, a],
])

np.linalg.det(A)
0.0

8.3

交代行列について、次の問いに答えよ。

  1. 交代行列の定義を書け。

  2. 奇数次の交代行列の行列式は 0 であることを示せ。

  1. 交代行列の定義を書け。

nn次正方行列であり、その転置が自身の-1倍になるものを交代行列という

  1. 奇数次の交代行列の行列式は 0 であることを示せ。

交代行列をAAとおく

一般に正方行列に対してA=AT|A| = |A^T|であるため

A=AT|A| = |A^T|

交代行列はAT=AA^T=-Aとなるため

A=AT=A|A| = |A^T| = |-A|

1つの行や列をcc倍すると行列式はcc倍になるため、A-Aは行の数だけ-1倍したものと捉えると

A=AT=A=(1)nA|A| = |A^T| = |-A| = (-1)^n |A|

奇数次の交代行列、すなわちAA2n12n-1次の交代行列である場合、(1)2n1=1(-1)^{2n-1} = -1

よって

A=A|A| = -|A|

両辺に+A+|A|して移項すると

2A=02|A| = 0

よってA=0|A|=0

8.4

次の問いに答えよ。

  1. 正方行列が正則であることの定義を書け。

  2. AAnn 次の正方行列、 PPnn 次の正則行列とすると、等式

P1AP=A\left|P^{-1} A P\right|=|A|

が成り立つことを示せ。

  1. 正方行列が正則であることの定義を書け。

nn次正方行列AAに対し

AA1=A1A=EAA^{-1} = A^{-1} A = E

を満たす正方行列A1A^{-1}が存在するとき、AAは正則である

  1. AAnn 次の正方行列、 PPnn 次の正則行列とすると、等式P1AP=A\left|P^{-1} A P\right|=|A|が成り立つことを示せ。

行列式の積は分解できる(AB=AB|AB| = |A| |B|)ので

P1AP=P1AP\left|P^{-1} A P\right| =|P^{-1}| |A| |P|

となる

P1P=P1P=E=1|P^{-1}| |P| = |P^{-1} P| = |E| = 1

より、

P1P=1P1=1P|P^{-1}| |P| = 1 \to |P^{-1}| = \frac{1}{|P|}

なので、

P1AP=1PPA=A|P^{-1}| |A| |P| = \frac{1}{|P|} |P| |A| = |A|
Source
import numpy as np
A = np.array([
    [1, 2],
    [0, 4]
])

P = np.array([
    [1, 2],
    [3, 4]
])

P_inv = np.linalg.inv(P)
det = np.linalg.det(P_inv) * np.linalg.det(P)
assert det.round(1) == 1
np.linalg.det(P_inv @ A @ P) == np.linalg.det(A)
True

8.5

AA を正則行列とすると、

A0,A1=A1|A| \neq 0, \quad\left|A^{-1}\right|=|A|^{-1}

が成り立つことを示せ。

正則であれば逆行列が存在するため

AA1=IA A^{-1} = I

が成り立つ。

両辺の行列式をとると

AA1=I|A A^{-1}| = |I|

であり、I=1|I| = 1のため

AA1=1|A A^{-1}| = 1

となる。

行列式の性質より、

AA1=AA1|A A^{-1}| = |A| |A^{-1}|

のため

AA1=1A1=1A|A| |A^{-1}| = 1 \to |A^{-1}| = \frac{1}{|A|}

ゆえに A1=A1|A^{-1}|=|A|^{-1}

8.6

べき零行列について、次の問いに答えよ。

  1. べき零行列の定義を書け。

  2. べき零行列の行列式は 0 であることを示せ。

べき零行列は、任意の整数kkについて

Ak=OA^k = O

が成立するnn次正方行列のこと

べき零行列の行列式は、一般の行列に対してAB=AB|AB| = |A| |B|とできる性質より

O=Ak=Ak=0|O| = |A^k| = |A|^k = 0

となるので、A=0|A|=0

8.7

正方行列 AA

AAT=ATA=EA A^T=A^T A=E

を満たすとき、すなわち、 A1=ATA^{-1}=A^T となるとき、 AA を直交行列という。直交行列 の行列式は 1 または-1であることを示せ。

積の性質(AB=AB|AB|=|A||B|)と転置行列の行列式はもとの行列式と等しいこと(AT=A|A^T|=|A|)から

ATA=ATA=A2=1|A^T A| = |A^T| |A| = |A|^2 = 1

なのでA±1|A|\pm 1