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練習問題メモ 9(余因子展開)

9.1

第 2 列に関する余因子展開を用いて、行列式 a11a12a21a22\left|\begin{array}{ll} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{array}\right| を計算せよ。

jj列に関する余因子展開は

a1ja~1j+a2ja~2j++anja~nj=det(A)a_{1 j} \tilde{a}_{1 j}+ a_{2 j} \tilde{a}_{2 j} +\cdots+a_{n j} \tilde{a}_{n j} = \det(A)

という形になるので

第2列に関する余因子展開は

a12a~12+a22a~22=a11a12a21a22a_{12} \tilde{a}_{12} + a_{22} \tilde{a}_{22} = \left|\begin{array}{ll} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{array}\right|

となる。

1次の行列(というかスカラー)の行列式はそのスカラーそのものであるため

a~12=(1)3a21=a21a~22=(1)4a11=a11\tilde{a}_{12} = (-1)^3 a_{21} = -a_{21}\\ \tilde{a}_{22} = (-1)^4 a_{11} = a_{11}\\

よって

a11a12a21a22=a12a~12+a22a~22=a12×(a21)+a22a11=a11a22a12a21\left|\begin{array}{ll} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{array}\right| = a_{12} \tilde{a}_{12} + a_{22} \tilde{a}_{22}\\ = a_{12} \times (-a_{21}) + a_{22} a_{11}\\ = a_{11} a_{22} - a_{12} a_{21}

9.2

次の 1、2 の行列式を計算せよ。

1609127082345674807459065\left|\begin{array}{lllll} 1 & 6 & 0 & 9 & 1 \\ 2 & 7 & 0 & 8 & 2 \\ 3 & 4 & 5 & 6 & 7 \\ 4 & 8 & 0 & 7 & 4 \\ 5 & 9 & 0 & 6 & 5 \end{array}\right|
100999999100991001001001009910010010010099\left|\begin{array}{cccc} 100 & 99 & 99 & 99 \\ 100 & 99 & 100 & 100 \\ 100 & 100 & 99 & 100 \\ 100 & 100 & 100 & 99 \end{array}\right|

1609127082345674807459065 \left|\begin{array}{lllll} 1 & 6 & 0 & 9 & 1 \\ 2 & 7 & 0 & 8 & 2 \\ 3 & 4 & 5 & 6 & 7 \\ 4 & 8 & 0 & 7 & 4 \\ 5 & 9 & 0 & 6 & 5 \end{array}\right|

Source
from sympy import Matrix
A = Matrix([
    [1, 6, 0, 9, 1],
    [2, 7, 0, 8, 2],
    [3, 4, 5, 6, 7],
    [4, 8, 0, 7, 4],
    [5, 9, 0, 6, 5],
])
A
Loading...
Source
# 3列目と1列目を入れ替える(これで行列式は-1倍)
x1 = A[:, 0].copy()
x3 = A[:, 2].copy()
A[:, 0] = x3
A[:, 2] = x1

# 3行目と1行目を入れ替える(これで行列式は-1倍)
x1 = A[0, :].copy()
x3 = A[2, :].copy()
A[0, :] = x3
A[2, :] = x1

A
Loading...
  1. 3列目と1列目を入れ替える(これで行列式は-1倍)

  2. 3行目と1行目を入れ替える(これで行列式は-1倍)

という操作をして1列目を(1,1)(1,1)要素以外0にする

定理より、

5436707282061910847409565=57282619184749565\left|\begin{array}{lllll} 5 & 4 & 3 & 6 & 7 \\ 0 & 7 & 2 & 8 & 2 \\ 0 & 6 & 1 & 9 & 1 \\ 0 & 8 & 4 & 7 & 4 \\ 0 & 9 & 5 & 6 & 5 \end{array}\right| = 5 \left|\begin{array}{llll} 7 & 2 & 8 & 2 \\ 6 & 1 & 9 & 1 \\ 8 & 4 & 7 & 4 \\ 9 & 5 & 6 & 5 \end{array}\right|

2列目と4列目が(2,1,4,5)で同じ値なので、定理より行列式はゼロになる

1609127082345674807459065=0\left|\begin{array}{lllll} 1 & 6 & 0 & 9 & 1 \\ 2 & 7 & 0 & 8 & 2 \\ 3 & 4 & 5 & 6 & 7 \\ 4 & 8 & 0 & 7 & 4 \\ 5 & 9 & 0 & 6 & 5 \end{array}\right| = 0
Source
# 検算
import numpy as np
A = np.array([
    [1, 6, 0, 9, 1],
    [2, 7, 0, 8, 2],
    [3, 4, 5, 6, 7],
    [4, 8, 0, 7, 4],
    [5, 9, 0, 6, 5],
])
np.linalg.det(A)
0.0

100999999100991001001001009910010010010099 \left|\begin{array}{cccc} 100 & 99 & 99 & 99 \\ 100 & 99 & 100 & 100 \\ 100 & 100 & 99 & 100 \\ 100 & 100 & 100 & 99 \end{array}\right|

まず、1列目を2~4列から引く

Source
from sympy import Matrix
A = Matrix([
    [100, 99, 99, 99],
    [100, 99, 100, 100],
    [100, 100, 99, 100],
    [100, 100, 100, 99],
])

A[:, 1] -= A[:, 0]
A[:, 2] -= A[:, 0]
A[:, 3] -= A[:, 0]
A
Loading...

2~4行から1行目を引く

A[1, :] -= A[0, :]
A[2, :] -= A[0, :]
A[3, :] -= A[0, :]
A
Loading...

なので、行列式の性質より

100×011101110100 \times \left|\begin{array}{ccc} 0 & 1 & 1\\ 1 & 0 & 1\\ 1 & 1 & 0 \end{array}\right|

となる

011101110=(0+1+1)(0+0+0)=2\left|\begin{array}{ccc} 0 & 1 & 1\\ 1 & 0 & 1\\ 1 & 1 & 0 \end{array}\right| = (0 + 1 + 1) - (0 + 0 + 0) = 2

なので

100×011101110=100×2100 \times \left|\begin{array}{ccc} 0 & 1 & 1\\ 1 & 0 & 1\\ 1 & 1 & 0 \end{array}\right| = 100 \times 2
100999999100991001001001009910010010010099=200\left|\begin{array}{cccc} 100 & 99 & 99 & 99 \\ 100 & 99 & 100 & 100 \\ 100 & 100 & 99 & 100 \\ 100 & 100 & 100 & 99 \end{array}\right| = 200
Source
# 検算
import numpy as np
A = np.array([
    [100, 99, 99, 99],
    [100, 99, 100, 100],
    [100, 100, 99, 100],
    [100, 100, 100, 99],
])
np.linalg.det(A)
200.0000000000001

9.3

nn を 2 以上の自然数、 A=(aij)n×nA=\left(a_{i j}\right)_{n \times n}nn 次の正方行列とする。次の問いに答えよ。

  1. AA(i,j)(i, j) 余因子の定義を書け。

  2. AA の余因子行列の定義を書け。

  3. n=3n=3 のとき、 AA の余因子行列を AA の余因子を用いて表せ。

  4. A~\tilde{A}AA 余因子行列とすると、 A~=An1|\tilde{A}|=|A|^{n-1} が成り立つことを次の□を埋めることにより証明せよ。(※穴埋め問題)

  1. AA(i,j)(i, j) 余因子の定義を書け。

a~ij=(1)i+jAij\tilde{a}_{ij} = (-1)^{i+j} |A_{ij}|
  1. AA の余因子行列の定義を書け。

(i,j)(i, j)余因子をa~ij\tilde{a}_{ij}とするとき、(i,j)(i, j)成分に余因子a~ij\tilde{a}_{ij}をもつ行列の転置行列

A~=(a~11a~21a~n1a~12a~22a~n2a~1na~2na~nn)\tilde{A}=\left(\begin{array}{cccc} \tilde{a}_{11} & \tilde{a}_{21} & \cdots & \tilde{a}_{n 1} \\ \tilde{a}_{12} & \tilde{a}_{22} & \cdots & \tilde{a}_{n 2} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ \tilde{a}_{1 n} & \tilde{a}_{2 n} & \cdots & \tilde{a}_{n n} \end{array}\right)

余因子行列(adjugate matrix)という。

  1. n=3n=3 のとき、 AA の余因子行列を AA の余因子を用いて表せ。

(i,j)(i, j)余因子をa~ij\tilde{a}_{ij}とすると

A~=(a~11a~21a~31a~12a~22a~32a~13a~23a~33)\tilde{A}=\left(\begin{array}{cccc} \tilde{a}_{11} & \tilde{a}_{21} & \tilde{a}_{31}\\ \tilde{a}_{12} & \tilde{a}_{22} & \tilde{a}_{32}\\ \tilde{a}_{13} & \tilde{a}_{23} & \tilde{a}_{33}\\ \end{array}\right)
  1. A~\tilde{A}AA 余因子行列とすると、 A~=An1|\tilde{A}|=|A|^{n-1} が成り立つことを次の□を埋めることにより証明せよ。

(※穴埋め問題)

前提となる定理1: AAnn 次の正方行列とすると、

AA~=A~A=AEA \tilde{A}=\tilde{A} A=|A| E

特に、 A0|A| \neq 0 ならば、 AA は正則で、

A1=1AA~A^{-1}=\frac{1}{|A|} \tilde{A}

前提となる定理 2:

A,BA, Bnn 次の正方行列とすると、

AB=BA=AB|A B|=|B A|=|A||B|

前提となる定理 3:

a11a12a1n0a22a2n0an2ann=a11a22a2nan2ann\left|\begin{array}{cccc} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1 n} \\ 0 & a_{22} & \cdots & a_{2 n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & a_{n 2} & \cdots & a_{n n} \end{array}\right|=a_{11}\left|\begin{array}{ccc} a_{22} & \cdots & a_{2 n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n 2} & \cdots & a_{n n} \end{array}\right|

証明:

上記の定理 1 より、

AA~=AE(9.1)A \tilde{A}=|A| E \tag{9.1}

A=0|A|=0 のとき、 9.1 式より、

AA~=O(9.2)A \tilde{A}=O \tag{9.2}

ここで、 A~\tilde{A} が正則であると仮定する。このとき、 A~\tilde{A} の逆行列 A~1\tilde{A}^{-1} が存在する。 9.2 式の両辺に右から A~1\tilde{A}^{-1} を掛けると、

A=OA=O

なので、AA の余因子はすべて 0 となることに注意すると、余因子行列の定義より、 A~=[1]\tilde{A}=[1] 。零行列は正則ではないから、これは矛盾である。よって、 A~\tilde{A} は正則では ないので、 A~=[2]|\tilde{A}|=[2] 。したがって、 A~=An1=[3]|\tilde{A}|=|A|^{n-1}=[3]

A0|A| \neq 0 のとき、定理 2 より、 AA~=A[4]|A \tilde{A}|=|A| [4] 。一方、 AE|A| E は対角成分がすべて A|A|nn 次のスカラー行列なので、定理 3 より、 AE=A[5]\big||A|E\big|=|A| [5] 。よって、 9.1 式の 両辺の行列式をとると、 A[4]=A[5]|A| [4] = |A| [5]

A0|A| \neq 0 なので、

A~=An1|\tilde{A}|=|A|^{n-1}

空欄:

[1]=O[1] = O

  • 余因子は全てゼロなら余因子は零行列

[2]=0[2] = 0

[3]=0[3] = 0

  • 正則ではないのでA~=0|\tilde{A}|=0

[4]=A~[4]=|\tilde{A}|

  • AA~=AA~|A \tilde{A}| = |A||\tilde{A}|か?

    • A~|\tilde{A}|を使うなら[3][3]を代入?

  • それともAA~=AEA \tilde{A}=|A|EなのでAE=An1\big| |A|E \big|=|A|^{n-1}か?

[5]=n[5] = ^n

  • AE=An||A| E|=|A|^n

↓空欄を埋めてみたもの

証明:

上記の定理 1 より、

AA~=AE(9.1)A \tilde{A}=|A| E \tag{9.1}

A=0|A|=0 のとき、

9.1 式より、

AA~=O(9.2)A \tilde{A}=O \tag{9.2}

ここで、 A~\tilde{A} が正則であると仮定する。このとき、 A~\tilde{A} の逆行列 A~1\tilde{A}^{-1} が存在する。 9.2 式の両辺に右から A~1\tilde{A}^{-1} を掛けると、

A=OA=O

なので、AA の余因子はすべて 0 となることに注意すると、余因子行列の定義より、 A~=O\tilde{A}=O 。零行列は正則ではないから、これは矛盾である。よって、 A~\tilde{A} は正則では ないので、 A~=0|\tilde{A}|=0 。したがって、 A~=An1=0|\tilde{A}|=|A|^{n-1}=0

A0|A| \neq 0 のとき、

定理 2 より、 AA~=AA~|A \tilde{A}|=|A| |\tilde{A}| 。一方、 AE|A| E は対角成分がすべて A|A|nn 次のスカラー行列なので、定理 3 より、 AE=An\big||A|E\big|=|A|^n 。よって、 9.1 式の 両辺の行列式をとると、 AA~=An|A| |\tilde{A}| = |A| ^n

A0|A| \neq 0 なので、

A~=An1|\tilde{A}|=|A|^{n-1}

9.4

4 次の正方行列 AA

A=(abcdbadccdabdcba)A=\left(\begin{array}{cccc} a & -b & -c & -d \\ b & a & -d & c \\ c & d & a & -b \\ d & -c & b & a \end{array}\right)

により定める。

  1. 第 1 行に関する余因子展開を用いることにより、 AA の行列式を求めよ。

  2. A0|A| \neq 0 のとき、連立 1 次方程式

Ax=(1000)A \boldsymbol{x}=\left(\begin{array}{l} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right)

の解をクラメルの公式を用いて求めよ。

  1. 第 1 行に関する余因子展開を用いることにより、 AA の行列式を求めよ。

1行に関する余因子展開: a11a~11+a12a~12+a13a~13+a14a~14=Aa_{1 1} \tilde{a}_{11}+ a_{1 2} \tilde{a}_{1 2} + a_{1 3} \tilde{a}_{1 3} + a_{1 4} \tilde{a}_{1 4} = |A|

第1項

a11=aa~11=(1)1+1adcdabcba=a3bcd+bcd+ac2+ad2+ab2=a(a2+b2+c2+d2)a_{11} = a \\ \tilde{a}_{11} = (-1)^{1+1} \left|\begin{array}{ccc} a & -d & c \\ d & a & -b \\ -c & b & a \end{array}\right| = a^3 - bcd + bcd + ac^2 + ad^2 + ab^2\\ = a (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)

第2項

a12=ba~12=(1)1+2bdccabdba=(a2b+bd2+bc2acd+acd+b3)=b(a2+b2+c2+d2)a_{12} = -b \\ \tilde{a}_{12} = (-1)^{1+2} \left|\begin{array}{ccc} b & -d & c \\ c & a & -b \\ d & b & a \end{array}\right| = -(a^2 b + b d^2 + b c^2 - acd + acd + b^3)\\ = -b (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)

第3項

a13=ca~13=(1)1+3baccdbdca=abdabdc3cd2a2cb2c=c(c2d2a2b2)=c(a2+b2+c2+d2)a_{13} = -c \\ \tilde{a}_{13} = (-1)^{1+3} \left|\begin{array}{ccc} b & a & c \\ c & d & -b \\ d & -c & a \end{array}\right| = abd - abd - c^3 -cd^2 - a^2 c - b^2 c\\ = c (- c^2 - d^2 - a^2 - b^2)\\ = -c (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)

第4項

a14=da~14=(1)1+4badcdadcb=(b2d+a2d+c2d+d3acb+acb)=d(a2+b2+c2+d2)a_{14} = -d \\ \tilde{a}_{14} = (-1)^{1+4} \left|\begin{array}{ccc} b & a & -d \\ c & d & a \\ d & -c & b \end{array}\right| = -(b^2 d + a^2 d + c^2 d + d^3 -acb + acb)\\ = -d (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)
A=a11a~11+a12a~12+a13a~13+a14a~14=a2(a2+b2+c2+d2)+b2(a2+b2+c2+d2)+c2(a2+b2+c2+d2)+d2(a2+b2+c2+d2)=(a2+b2+c2+d2)2\begin{align} |A| &= a_{1 1} \tilde{a}_{11} + a_{1 2} \tilde{a}_{1 2} + a_{1 3} \tilde{a}_{1 3} + a_{1 4} \tilde{a}_{1 4}\\ &= a^2 (a^2 + b^2 + c^2 + d^2) + b^2 (a^2 + b^2 + c^2 + d^2) + c^2 (a^2 + b^2 + c^2 + d^2) + d^2 (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)\\ &= (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)^2 \end{align}
  1. A0|A| \neq 0 のとき、連立 1 次方程式

Ax=(1000)A \boldsymbol{x}=\left(\begin{array}{l} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right)

の解をクラメルの公式を用いて求めよ。

A=(abcdbadccdabdcba)A=\left(\begin{array}{cccc} a & -b & -c & -d \\ b & a & -d & c \\ c & d & a & -b \\ d & -c & b & a \end{array}\right)
Δ1=1bcd0adc0dab0cba=1×a~11=a(a2+b2+c2+d2)\Delta_1 = \left|\begin{array}{cccc} 1 & -b & -c & -d \\ 0 & a & -d & c \\ 0 & d & a & -b \\ 0 & -c & b & a \end{array}\right| = 1\times \tilde{a}_{11} = a (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)

列の入れ替えで行列式は-1倍になるはずなので2~4は-1を掛ける

Δ2=1×a~12=b(a2+b2+c2+d2)Δ3=1×a~13=c(a2+b2+c2+d2)Δ4=1×a~14=d(a2+b2+c2+d2)\Delta_2 = -1 \times \tilde{a}_{12} = -b (a^2 + b^2 + c^2 + d^2) \\ \Delta_3 = -1 \times \tilde{a}_{13} = c (a^2 + b^2 + c^2 + d^2) \\ \Delta_4 = -1 \times \tilde{a}_{14} = -d (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)
x1=Δ1A=a(a2+b2+c2+d2)(a2+b2+c2+d2)2=a(a2+b2+c2+d2)x_1 = \frac{\Delta_1}{|A|} = \frac{a (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)} {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)^2} = \frac{a} {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)}
x2=Δ2A=b(a2+b2+c2+d2)(a2+b2+c2+d2)2=b(a2+b2+c2+d2)x_2 = \frac{\Delta_2}{|A|} = \frac{-b (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)} {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)^2} = \frac{-b} {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)}
x3=Δ3A=c(a2+b2+c2+d2)(a2+b2+c2+d2)2=c(a2+b2+c2+d2)x_3 = \frac{\Delta_3}{|A|} = \frac{-c (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)} {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)^2} = \frac{-c } {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)}
x4=Δ4A=d(a2+b2+c2+d2)(a2+b2+c2+d2)2=d(a2+b2+c2+d2)x_4 = \frac{\Delta_4}{|A|} = \frac{-d (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)} {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)^2} = \frac{-d} {(a^2 + b^2 + c^2 + d^2)}

9.5

対称行列の余因子行列は対称行列であることを示せ。

nn次対称行列AAからiijj列を取り除いたn1n-1次の正方行列をAijA_{ij}と表すことにする。

AijT=AjiA_{ij}^T = A_{ji}

であるため(要出典)

行列式の性質によりAT=A|A^T|=|A|であるため

Aij=Aji|A_{ij}| = |A_{ji}|

となる

よって(i,j)(i,j)余因子a~ij\tilde{a}_{ij}(j,i)(j,i)余因子a~ji\tilde{a}_{ji}について以下が成り立つ

a~ij=(1)i+jAij=(1)j+iAij=a~ij\tilde{a}_{ij} = (-1)^{i+j} |A_{ij}| = (-1)^{j+i} |A_{ij}| = \tilde{a}_{ij}

よって、対称行列の余因子行列は対称行列になる

回答例

nn を 2 以上の自然数とし、 A=(aij)n×nA=\left(a_{i j}\right)_{n \times n}nn 次の対称行列とする。 AA の第 ii 行と 第 jj 行を取り除いて得られる (n1)(n-1) 次の正方行列を AijA_{i j} とおくと、 AA は対称行列 なので

AijT=Aji(*)A_{i j}^{T}=A_{j i} \tag{*}

よって、A~\tilde{A}AA の余因子行列とすると、

(A~(j,i) 成分 )=(A の (i,j) 余因子 )( 余因子行列の定義 )=(1)i+jAij( 余因子の定義 )=(1)i+jAijT(A を正方行列とすると、 AT=A の定理 )=(1)j+iAji(())=(A の (j,i) 余因子) ( 余因子の定義 )=(A~ の (i,j) 成分 )( 余因子行列の)定義 )\begin{aligned} (\tilde{A} \text{の} (j, i) \text { 成分 }) & =(A \text { の }(i, j) \text { 余因子 })(\because \text { 余因子行列の定義 }) \\ & =(-1)^{i+j}\left|A_{i j}\right|(\because \text { 余因子の定義 }) \\ & =(-1)^{i+j}\left|A_{i j}^{\mathrm{T}}\right|\left(\because A \text { を正方行列とすると、 }\left|A^{\mathrm{T}}\right|=|A| \text { の定理 }\right) \\ & =(-1)^{j+i}\left|A_{j i}\right|(\because(*)) \\ & =(A \text { の }(j, i) \text { 余因子) }(\because \text { 余因子の定義 }) \\ & =(\tilde{A} \text { の }(i, j) \text { 成分 })(\because \text { 余因子行列の)定義 }) \end{aligned}

したがって、

A~T=A~\tilde{A}^T = \tilde{A}

すなわち、対称行列の余因子行列は対称行列である.