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練習問題メモ 10(特別な形をした行列式)

10.1

ヴァンデルモンドの行列式について、次の問いに答えよ。

  1. 行列式

111123122232\left|\begin{array}{ccc}1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 \\ 1^2 & 2^2 & 3^2\end{array}\right|

をサラスの方法とヴァンデルモンドの行列式を用いる方法の 2 通りで計算せよ。

サラスの方法:

111123122232=2×32+3+2223222×3=18+3+42912=21+4221=2\left|\begin{array}{ccc}1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 \\ 1^2 & 2^2 & 3^2\end{array}\right| = 2\times 3^2 + 3 + 2^2 - 2 - 3^2 - 2^2 \times 3\\ = 18 + 3 + 4 - 2 - 9 - 12\\ = 21 + 4 - 2 - 21\\ = 2

ヴァンデルモンド

111123122232=(21)(31)(32)=1×2×1=2\left|\begin{array}{ccc}1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 \\ 1^2 & 2^2 & 3^2\end{array}\right| = (2 - 1)(3- 1) (3- 2)\\ = 1 \times 2 \times 1\\ = 2
  1. 行列式

1111123n122232n21n12n13n1nn1\left|\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & 2 & 3 & \cdots & n \\ 1^2 & 2^2 & 3^2 & \cdots & n^2 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1^{n-1} & 2^{n-1} & 3^{n-1} & \cdots & n^{n-1} \end{array}\right|

を計算せよ

(21)(31)××(n1)×(32)(42)××(n2)×(n(n1))(2-1)(3-1)\times \cdots \times (n-1)\\ \times (3-2)(4-2)\times \cdots \times (n-2)\\ \vdots\\ \times (n-(n-1))
=1×2××(n1)×1×2××(n2)×1=1 \times 2 \times \cdots \times (n-1)\\ \times 1 \times 2 \times \cdots \times (n-2)\\ \vdots\\ \times 1
=(n1)!×(n2)!××(n(n1))!=1!×2!××(n1)!= (n-1)! \times (n-2)! \times \cdots \times (n-(n-1))!\\ = 1! \times 2! \times \cdots \times (n-1)!

10.2

次の 1~2 の行列式を計算せよ

xa1a2an11a1xa2an11a1a2xan11a1a2a3x1a1a2a3an1\left|\begin{array}{cccccc} x & a_1 & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ a_1 & x & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ a_1 & a_2 & x & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & x & 1 \\ a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n & 1 \end{array}\right|
memo

3次のとき

xa11a1x1a1a21=x2+a12+a1a2a1xa12a2x=x2a1xa2x+a1a2=(xa1)(xa2)\left|\begin{array}{ccc} x & a_1 & 1\\ a_1 & x & 1\\ a_1 & a_2 & 1\\ \end{array}\right| = x^2 + a_1^2 + a_1 a_2 - a_1 x - a_1^2 - a_2 x\\ = x^2 - a_1 x - a_2 x + a_1 a_2\\ = (x - a_1)(x - a_2)

n+1n+1列にa1a_1を掛けて第1列から引く

xa1a1a2an110xa2an110a2xan110a2a3x10a2a3an1\left|\begin{array}{cccccc} x-a_1 & a_1 & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ 0 & x & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ 0 & a_2 & x & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & a_2 & a_3 & \cdots & x & 1 \\ 0 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n & 1 \end{array}\right|

n+1n+1列にa2a_2を掛けて第2列から引く

xa1a1a2a2an110xa2a2an1100xan1100a3x100a3an1\left|\begin{array}{cccccc} x-a_1 & a_1-a_2 & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ 0 & x-a_2 & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ 0 & 0 & x & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & a_3 & \cdots & x & 1 \\ 0 & 0 & a_3 & \cdots & a_n & 1 \end{array}\right|

これを第nn列まで繰り返し、上三角行列にする

xa1a1a2a2a3an1an10xa2a2a3an1an100xa3an1an1000xan100001\left|\begin{array}{cccccc} x-a_1 & a_1-a_2 & a_2-a_3 & \cdots & a_{n-1}-a_n & 1 \\ 0 & x-a_2 & a_2-a_3 & \cdots & a_{n-1}-a_n & 1 \\ 0 & 0 & x-a_3 & \cdots & a_{n-1}-a_n & 1 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & x-a_n & 1 \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 0 & 1 \end{array}\right|

三角行列の行列式は対角成分の積であるという性質より、

i=1n(xai)\prod_{i=1}^n\left(x-a_i\right)

となる

別の(もっと非効率な)解き方
xa1a2an11a1xa2an11a1a2xan11a1a2a3x1a1a2a3an1\left|\begin{array}{cccccc} x & a_1 & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ a_1 & x & a_2 & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ a_1 & a_2 & x & \cdots & a_{n-1} & 1 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & x & 1 \\ a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n & 1 \end{array}\right|

第i行(1i<n1 \leq i < n)について、i+1行の-1倍を加えて上三角行列にする

xa1a1x0000xa2a2x0000xa3an10000xan0a1a2a3an1\left|\begin{array}{cccccc} x-a_1 & a_1-x & 0 & \cdots & 0 & 0 \\ 0 & x-a_2 & a_2-x & \cdots & 0 & 0 \\ 0 & 0 & x-a_3 & \cdots & a_{n-1} & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & x-a_n & 0 \\ a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n & 1 \end{array}\right|

(n1,n1)(n-1, n-1)にある1を(1,1)(1,1)まで持っていきたい

n+1n+1列を第1列まで移動する(隣り合った列同士で位置を入れ替える行為をn2n-2回繰り返す(n1n-1次の行列なのでn2n-2))

n+1n+1行を第1行まで移動する(隣り合った行同士で位置を入れ替える行為をn2n-2回繰り返す)

(合計2(n2)=2n42(n-2)=2n-4回繰り返した→偶数回→行列式の符号は変わらず)

1a1a2a3an0xa1a1x0000xa2a2x0000xa3an10000xan\left|\begin{array}{cccccc} 1 & a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n\\ 0 & x-a_1 & a_1-x & 0 & \cdots & 0\\ 0 & 0 & x-a_2 & a_2-x & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & 0 & x-a_3 & \cdots & a_{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \cdots & x-a_n \\ \end{array}\right|

三角行列の行列式は対角成分の積なので

1×xa1a1x000xa2a2x000xa3an1000xan=i=1n(xai)1 \times \left|\begin{array}{cccccc} x-a_1 & a_1-x & 0 & \cdots & 0\\ 0 & x-a_2 & a_2-x & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & x-a_3 & \cdots & a_{n-1} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & x-a_n \\ \end{array}\right| = \prod_{i=1}^n\left(x-a_i\right)
111112111131111n\left|\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & 2 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & 1 & 3 & \cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & 1 & \cdots & n \end{array}\right|

1行目を2~n行目から差し引いて

111101000020000n1\left|\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 0 & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & 2 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & n-1 \end{array}\right|

という上三角行列の形にすれば、三角行列の行列式は対角成分の積で求められるという性質により、答えは

(n1)!(n-1)!

10.3

次の[][\quad]を埋めよ。

自然数 nn に対して、

Dn=111112221233123nD_n=\left|\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & 2 & 2 & \cdots & 2 \\ 1 & 2 & 3 & \cdots & 3 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 2 & 3 & \cdots & n \end{array}\right|

とおく。 DnD_n の値を nn に関する数学的帰納法により求める。

n=1n=1 のとき、 D1=[1]D_1=[1] である。

[1]=1[1] = 1

n=k(kn=k(k は自然数 )) のとき、 Dk=[2]D_k=[2] であると仮定する。 n=k+1n=k+1 とすると、

[2]=1[2] = 1
Dk+1=111112221233123k+1=100011111122112k([3])D_{k+1}=\left|\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & 2 & 2 & \cdots & 2 \\ 1 & 2 & 3 & \cdots & 3 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 2 & 3 & \cdots & k+1 \end{array}\right|=\left|\begin{array}{ccccc} 1 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & 1 & 2 & \cdots & 2 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & 2 & \cdots & k \end{array}\right|(\because [3])

[3] = 列基本変形(第1列を-1倍して第2~k+1列に加えた)

=D[4]([5]=D_{[4]} (\because [5] に関する余因子展開 )=[6]()=[6](\because 帰納法の仮定 ))

よって、 Dn=[7]D_n=[7] であることが示された。

[4]=k[4] = k
[5]=1[5] = 第1行
[6]=1[6] = 1
[7]=1[7] = 1

10.4

A=(aij)A=\left(a_{i j}\right) を偶数次の交代行列とする。このとき、 A|A|AA の成分 aija_{i j} の多項式 PP を用いて、

A=P2|A|=P^2

と表させることがわかる。

  1. 2 次の交代行列の行列式を直接計算し、上の事実を確かめよ。

  2. 4 次の交代行列の行列式を直接計算し、上の事実を確かめよ。

2次の場合

A=(0a12a120)A = \begin{pmatrix} 0 & a_{12}\\ -a_{12} & 0 \end{pmatrix}

とすると、サラスの方法だと

A=0(a12×a12)=a122|A| = 0 - (-a_{12} \times a_{12}) = a_{12}^2

なので、

A=P2|A| = P^2

から

2次の場合のパフィアンPP

P=±a12P=\pm a_{12}

4次の場合

A=(0a12a13a14a120a23a24a13a230a34a14a24a340)A = \begin{pmatrix} 0 & a_{12} & a_{13} & a_{14}\\ -a_{12} & 0 & a_{23} & a_{24} \\ -a_{13} & -a_{23} & 0 & a_{34} \\ -a_{14} & -a_{24} & -a_{34} & 0 \\ \end{pmatrix}

とする。

第1行についての余因子展開を使うと

A=a12a~12+a13a~13+a14a~14|A| = a_{12} \tilde{a}_{12} + a_{13} \tilde{a}_{13} + a_{14} \tilde{a}_{14}

a~12=(1)3a12a23a24a130a34a14a340=1×(a13a34a24a23a34a14a12a342)=a13a34a24+a23a34a14+a12a342\tilde{a}_{12} = (-1)^3 \left|\begin{array}{ccc} -a_{12} & a_{23} & a_{24} \\ -a_{13} & 0 & a_{34} \\ -a_{14} & -a_{34} & 0 \\ \end{array}\right| = -1 \times ( a_{13} a_{34} a_{24} - a_{23} a_{34} a_{14} - a_{12} a_{34}^2 )\\ = - a_{13} a_{34} a_{24} + a_{23} a_{34} a_{14} + a_{12} a_{34}^2
a~13=(1)4a120a24a13a23a34a14a240=a13a242a14a23a24a12a24a34\tilde{a}_{13} = (-1)^4 \left|\begin{array}{ccc} -a_{12} & 0 &a_{24} \\ -a_{13} & -a_{23} &a_{34} \\ -a_{14} & -a_{24} &0 \\ \end{array}\right| = a_{13} a_{24}^2 - a_{14} a_{23} a_{24} - a_{12} a_{24} a_{34}
a~14=(1)3a120a23a13a230a14a24a34=1×(a12a23a34+a13a23a24a14a232)=a12a23a34a13a23a24+a14a232\tilde{a}_{14} = (-1)^3 \left|\begin{array}{ccc} -a_{12} & 0 & a_{23}\\ -a_{13} & -a_{23} & 0 \\ -a_{14} & -a_{24} & -a_{34}\\ \end{array}\right| = -1 \times ( - a_{12} a_{23} a_{34} + a_{13} a_{23} a_{24} - a_{14} a_{23}^2 )\\ = a_{12} a_{23} a_{34} - a_{13} a_{23} a_{24} + a_{14} a_{23}^2

なので

A=a12a~12+a13a~13+a14a~14=a12(a13a34a24+a23a34a14+a12a342)+a13(a13a242a14a23a24a12a24a34)+a14(a12a23a34a13a23a24+a14a232)=a12a13a34a24+a12a14a23a34+a122a342+a132a242a13a14a23a24a12a13a24a34+a12a14a23a34a13a14a23a24+a142a232=2(a12a14a23a34)2(a12a13a24a34)2(a13a14a23a24)+a122a342+a132a242+a142a232=(a12a34a13a24+a14a23)2\begin{align} |A| &= a_{12} \tilde{a}_{12} + a_{13} \tilde{a}_{13} + a_{14} \tilde{a}_{14} \\ &= a_{12} (- a_{13} a_{34} a_{24} + a_{23} a_{34} a_{14} + a_{12} a_{34}^2)\\ &\quad + a_{13} (a_{13} a_{24}^2 - a_{14} a_{23} a_{24} - a_{12} a_{24} a_{34})\\ &\quad + a_{14} (a_{12} a_{23} a_{34} - a_{13} a_{23} a_{24} + a_{14} a_{23}^2) \\ &= - a_{12} a_{13} a_{34} a_{24} + a_{12} a_{14} a_{23} a_{34} + a_{12}^2 a_{34}^2\\ &\quad + a_{13}^2 a_{24}^2 - a_{13} a_{14} a_{23} a_{24} - a_{12} a_{13} a_{24} a_{34}\\ &\quad + a_{12} a_{14} a_{23} a_{34} - a_{13} a_{14} a_{23} a_{24} + a_{14}^2 a_{23}^2 \\ &= 2(a_{12} a_{14} a_{23} a_{34})\\ &\quad - 2(a_{12} a_{13} a_{24} a_{34})\\ &\quad - 2(a_{13} a_{14} a_{23} a_{24})\\ &\quad + a_{12}^2 a_{34}^2 + a_{13}^2 a_{24}^2 + a_{14}^2 a_{23}^2\\ \\ &= (a_{12} a_{34}-a_{13} a_{24}+a_{14} a_{23})^2 \end{align}

よって、

P=±(a12a34a13a24+a14a23)P = \pm (a_{12} a_{34}-a_{13} a_{24}+a_{14} a_{23})
Source
# 因数分解はsympyを使った
from sympy import symbols, factor, expand
a12, a13, a14, a23, a24, a34 = symbols("a12, a13, a14, a23, a24, a34")

F = 2 * (a12 * a14 * a23 * a34) - 2 * (a12 * a13 * a24 * a34) - 2 * (a13 * a14 * a23 * a24)\
    + a12**2 * a34**2 + a13**2 * a24**2 + a14**2 * a23**2
factor(F)
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