練習問題メモ 19(固有値と固有ベクトル その1-正方行列の定める線形変換の場合-)
A∈Mn(R),λ を A の固有値とする。 Rn の部分集合
W(λ)={x∈Rn∣ ある自然数 k に対して (λE−A)kx=0} は Rn の部分空間であることを示せ。なお、 W(λ) を固有値 λ に対する A の 広域固有空間 または 一般固有空間 という。
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あるベクトル空間$V$の部分集合$W$が以下を満たす場合に部分空間となる
1. $\mathbb{0} \in W$
2. $a, b \in W \implies a + b \in W$
3. $a\in W, c\in \mathbb{R} \implies ca \in W$(1) ゼロベクトルを含む
(λE−A)k0=0 であり、0∈Rnであるため
0∈W(λ) (広義固有空間の求め方【例題】 など、広義固有空間の定義として「零を含む」とする流儀もあるようだが、今回はxが固有ベクトル(x=0)と指定されてないので0∈Rnゆえ零を含むといえる)
(2) 和について閉じている
x1,x2∈W(λ)について、ある自然数k,ℓ∈Nが存在し
(λE−A)kx1=0(λE−A)ℓx2=0 m∈Nをm≥k,m≥ℓとおくと
(λE−A)m(x1+x2)=(λE−A)mx1+(λE−A)mx2=0 よって
x1+x2∈W(λ) (3) 定数倍について閉じている
∀c∈R,∀x∈W(λ),(λE−A)kcx=c{(λE−A)kx}=c{0}=0 よって
cx∈W(λ) (1),(2),(3)を満たすため、W(λ)はRnの部分空間
次の1~3の正方行列の固有値と固有値に対する 1 つの固有ベクトルおよび固有空間を求めよ。
(1212)
⎝⎛120222023⎠⎞
⎝⎛211121112⎠⎞
(1212)
固有値を求める
(A−λE)x=0が非自明な解x=0を持つためにはdet(A−λE)=0である必要があるため、そのようなλを求める
det(A−λE)=det(1−λ212−λ)=(1−λ)(2−λ)−2=2−3λ+λ2−2=(λ−3)λ=0 なので、λ=0,3
固有ベクトルと固有空間を求める
λ=0の場合:
は
(1212)(x1x2)=λ(x1x2) であり
{x1+x2=02x1+2x2=0 となる。
これを解くと
x1=−x2x2=−x1 つまり
x=(x1−x1) であるため、未知の数c∈Rをもちいて
x=c(1−1) と表すことができる。そのため、例えば (1−1)は固有値0に属する固有ベクトルのひとつになる。
固有空間は
V(0)={c(1−1)∣∣c∈R} となる。
λ=3の場合:
は
{x1+x2=3x12x1+2x2=3x2 となる。
これを解くと
x2=2x1 であるため、
x=(x12x1)=c(12),c∈R となり、例えば(12)が固有値3の固有ベクトルの一つである。
固有空間V(λ)は
V(3)={c(12)∣∣c∈R} となる。
⎝⎛120222023⎠⎞
固有値を求める
det(A−λE)=det⎝⎛1−λ2022−λ2023−λ⎠⎞=(1−λ)(2−λ)(3−λ)−4(1−λ)−4(3−λ)=(2−3λ+λ2)(3−λ)−4+4λ−12+4λ=(2−3λ+λ2)(3−λ)−16+8λ=6−9λ+3λ2−2λ+3λ2−λ3−16+8λ=−λ3+6λ2−3λ−10 よって
(λ−5)(λ−2)(λ+1)=0 なので、λ=−1,2,5
import sympy as sp
l = sp.Symbol("l")
M = sp.Matrix([
[1-l, 2, 0],
[2, 2-l, 2],
[0, 2, 3-l],
])
det = M.det()
print(f"{det=}")
print(f"factor: {sp.factor(det)}")
from sympy.solvers import solve
print(f"λ={solve(det)}")
λ=−1の場合
(A−λE)x=0=⎝⎛1+12022+12023+1⎠⎞⎝⎛x1x2x3⎠⎞=0 ⎩⎨⎧2x1+2x2=02x1+3x2+2x3=02x2+4x3=0 1行目の式より x1=−x2 なので、 2行目の式に代入して
−2x2+3x2+2x3=0⟺x2=−2x3⟺x3=−21x2 よって
⎝⎛−x2x2−21x2⎠⎞=x2⎝⎛−11−21⎠⎞ なので
x=c⎝⎛−11−21⎠⎞,c∈R 固有ベクトルのひとつは⎝⎛−11−21⎠⎞となる
固有空間V(λ)は
V(−1)=⎩⎨⎧c⎝⎛−11−21⎠⎞∣∣c∈R⎭⎬⎫ λ=2の場合
(A−λE)x=0⟺⎝⎛1−22022−22023−2⎠⎞⎝⎛x1x2x3⎠⎞=0⟺⎝⎛−120202021⎠⎞⎝⎛x1x2x3⎠⎞=0 ⎩⎨⎧−x1+2x2=02x1+2x3=02x2+x3=0 これを解くと
x1=2x2x3=−2x2 よって
⎝⎛2x2x2−2x2⎠⎞=x2⎝⎛21−2⎠⎞ なので
x=c⎝⎛21−2⎠⎞,c∈R 固有ベクトルのひとつは⎝⎛21−2⎠⎞となる
固有空間V(λ)は
V(2)=⎩⎨⎧c⎝⎛21−2⎠⎞∣∣c∈R⎭⎬⎫
import sympy as sp
l = sp.Symbol("l")
M = sp.Matrix([
[1-l, 2, 0],
[2, 2-l, 2],
[0, 2, 3-l],
])
print(M.eigenvals())
M.eigenvects()
⎝⎛211121112⎠⎞
1. 固有値を求める
固有方程式
det(A−λE)=det⎝⎛2−λ1112−λ1112−λ⎠⎞=0 を解く。
det(A−λE)=det⎝⎛2−λ1112−λ1112−λ⎠⎞=(2−λ)3+1+1−3(2−λ)=(2−λ)(2−λ)(2−λ)+2−6+3λ=(4−4λ+λ2)(2−λ)−4+3λ=8−4λ−8λ+4λ2+2λ2−λ3−4+3λ=−λ3+6λ2−12λ+3λ+8−4=−λ3+6λ2−9λ+4 因数定理を使う:f(λ)=−λ3+6λ2−9λ+4にλ=1を試しに代入すると、f(1)=−1+6−9+4=0。0になるので、因数の一つは(λ−1)であることがわかる
組立除法により、f(λ)=(λ−1)×−(λ2−5λ+4)=−(λ−1)(λ−1)(λ−4)であることがわかる
よってλ=1,4
import sympy as sp
l = sp.Symbol("l")
M = sp.Matrix([
[2-l, 1, 1],
[1, 2-l, 1],
[1, 1, 2-l],
])
det = M.det()
print(f"{det=}")
print(f"factor: {sp.factor(det)}")
from sympy.solvers import solve
print(f"λ={solve(det)}")
λ=1の場合
(A−λE)x=⎝⎛111111111⎠⎞⎝⎛x1x2x3⎠⎞=0 x1+x2+x3=0
c1,c2∈Rとおき、
x1=c1x2=c2x3=−c1−c2 とする。
x=c1⎝⎛10−1⎠⎞+c2⎝⎛01−1⎠⎞ となり、固有空間は
V(1)=⎩⎨⎧c1⎝⎛10−1⎠⎞+c2⎝⎛01−1⎠⎞∣∣c1,c2∈R⎭⎬⎫ となる。固有ベクトルの例は、c1=c2=1とおいて
⎝⎛10−1⎠⎞+⎝⎛01−1⎠⎞=⎝⎛11−2⎠⎞ λ=4の場合
(A−λE)x=⎝⎛2−λ1112−λ1112−λ⎠⎞⎝⎛x1x2x3⎠⎞=⎝⎛−2111−2111−2⎠⎞⎝⎛x1x2x3⎠⎞=0 ⎩⎨⎧−2x1+x2+x3=0x1−2x2+x3=0x1+x2−2x3=0 1行目から2行目を引けば
−3x1+3x2=0→x2=x1 1行目を2倍して2行目に足せば
−3x1+3x3=0→x3=x1 よって
x=x1⎝⎛111⎠⎞ なので
x=c⎝⎛111⎠⎞,c∈R 固有ベクトルのひとつは⎝⎛111⎠⎞となる
固有空間V(λ)は
V(4)=⎩⎨⎧c⎝⎛111⎠⎞∣∣c∈R⎭⎬⎫ 正方行列 A および λ に関する多項式 f(λ) をそれぞれ
A=(31911132),f(λ)=λ4−λ3−λ2+9λ−1 により定める。行列多項式 f(A) を計算せよ。
今回はケイリー・ハミルトンの定理における
A2−(a+d)A+(ad−bc) の部分は、
A2−(a+d)A+(ad−bc)=A2−(31+32)A+(3132−1191)=A2−A+(92−911)=A2−A−1 となる
問題文中の行列多項式を整理すると、ケイリー・ハミルトンの定理によりA2−A−I=0となるため
f(A)=A4−A3−A2+9A−1=A2(=OA2−A−I)+9A−1=9A−1 となる。
よって
f(A)=9A−E=9(31911132)−(1001)=(399999318)−(1001)=(31996)−(1001)=(21995) import sympy as sp
M = sp.Matrix([
[1/3, 11],
[1/9, 2/3],
])
I = sp.Matrix([
[1, 0],
[0, 1],
])
(M @ M @ M @ M) - (M @ M @ M) - (M @ M) + 9 * M - I
次の問いに答えよ。
零写像の定義を書け。
f をベクトル空間 V の線形変換とする。 m 個の f から得られる合成写像を fm と書く。例えば、 f2=f∘f,f3=f∘f∘f である。また、 f1=f と約束する。ある自然数 m に対して、 fm が零写像となるならば、 f の固有値は 0 のみであることを示せ。
定義域の任意の元を定義域の零元に写す写像のこと。
すなわち、写像をf:X→Yとすると、∀x∈X,f(x)=0∈Yとなる写像のこと。
f をベクトル空間 V の線形変換とする。 m 個の f から得られる合成写像を fm と書く。例えば、 f2=f∘f,f3=f∘f∘f である。また、 f1=f と約束する。ある自然数 m に対して、 fm が零写像となるならば、 f の固有値は 0 のみであることを示せ。
f(x)=λxとおくと、合成写像f∘f(x)=f(f(x)) は
f(f(x))=f(λx)=λf(x)=λ2x 同様に、m≤2について
fm(x)=fm−1(f(x))=fm−1(λx)=λmx