練習問題 メモ 3

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練習問題 メモ 3#

3.1#

Ak×l 行列、 Bk×n 行列、 Cm×n 行列とする。分割された (k+m)×(l+n)行列に対する次の計算をせよ。 (ABOm,lC)+(ABOm,l2C)

(ABOm,lC)+(ABOm,l2C)=(A+ABBOm,lOm,lC2C)=(2AOk,nOm,lC)

3.2#

Am×n 行列とする。分割された (m+n) 次の正方行列 (EmAOn,mEn)の3乗を計算せよ。

(EmAOn,mEn)3=(Em33AOn,mEn3)=(Em3AOn,mEn)
(EmAOn,mEn)(EmAOn,mEn)(Em2AOn,mEn)(EmAOn,mEn)=(Em3AOn,mEn)

3.3#

4次の正方行列 I,J,Kを $I=(0100100000010010),J=(0010000110000100),K=(0001001001001000)I, J, K2I^2, J^2,K^2, I J, J I, J K, K J, K I, I K$ を計算せよ。

A=(0110),B=(1001),C=(0110)

とおくと

I=(AOOA), J=(OBBO), K=(OCCO)

I2

I2=(AOOA)(AOOA)=(A2OOA2)
A2=(0110)(0110)=(1001)=E2

なので

I2=(1000010000100001)
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import numpy as np
I = np.array([
    [0, -1, 0, 0],
    [1, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, -1],
    [0, 0, 1, 0]
])

I @ I
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array([[-1,  0,  0,  0],
       [ 0, -1,  0,  0],
       [ 0,  0, -1,  0],
       [ 0,  0,  0, -1]])

J2

J2=(OBBO)(OBBO)=(B(B)OOBB)=(1B2OO1B2)
B2=(1001)(1001)=(1001)=E2
J2=(1000010000100001)
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import numpy as np
J = np.array([
    [0, 0, -1, 0],
    [0, 0, 0, 1],
    [1, 0, 0, 0],
    [0, -1, 0, 0]
])

J @ J
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array([[-1,  0,  0,  0],
       [ 0, -1,  0,  0],
       [ 0,  0, -1,  0],
       [ 0,  0,  0, -1]])

K2

K2=(OCCO)(OCCO)=(1C2OO1C2)
C2=(0110)(0110)=(1001)=E2
K2=(1000010000100001)
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import numpy as np
K = np.array([
    [0, 0, 0, -1],
    [0, 0, -1, 0],
    [0, 1, 0, 0],
    [1, 0, 0, 0]
])

K @ K
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array([[-1,  0,  0,  0],
       [ 0, -1,  0,  0],
       [ 0,  0, -1,  0],
       [ 0,  0,  0, -1]])

IJ

IJ=(IsOOIs)(OJ1J2O)=(OIsJ1IsJ2O)
IsJ1=(0110)(1001)=(0110)
IsJ2=(0110)(1001)=(0110)
IJ=(0001001001001000)
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I @ J
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array([[ 0,  0,  0, -1],
       [ 0,  0, -1,  0],
       [ 0,  1,  0,  0],
       [ 1,  0,  0,  0]])

JI

JI=(OJ1J2O)(IsOOIs)=(OJ1IsJ2IsO)
J1Is=(1001)(0110)=(0110)
J2Is=(1001)(0110)=(0110)
JI=(0001001001001000)
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J @ I
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array([[ 0,  0,  0,  1],
       [ 0,  0,  1,  0],
       [ 0, -1,  0,  0],
       [-1,  0,  0,  0]])

JK

JK=(OJ1J2O)(OK1K2O)=(J1K2OOJ2K1)
J1K2=(1001)(0110)=(0110)
J2K1=(1001)(0110)=(0110)
JK=(0100100000010010)
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J @ K
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array([[ 0, -1,  0,  0],
       [ 1,  0,  0,  0],
       [ 0,  0,  0, -1],
       [ 0,  0,  1,  0]])

KJ

KJ=(OK1K2O)(OJ1J2O)=(K1J2OOK2J1)
K2J1=(0110)(1001)=(0110)
K1J2=(0110)(1001)=(0110)
KJ=(0100100000010010)
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K @ J
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array([[ 0,  1,  0,  0],
       [-1,  0,  0,  0],
       [ 0,  0,  0,  1],
       [ 0,  0, -1,  0]])

KI

KI=(OK1K2O)(IsOOIs)=(OK1IsK2IsO)
K1Is=(0110)(0110)=(1001)
K2Is=(0110)(0110)=(1001)
KI=(0010000110000100)
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K @ I
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array([[ 0,  0, -1,  0],
       [ 0,  0,  0,  1],
       [ 1,  0,  0,  0],
       [ 0, -1,  0,  0]])

IK

IK=(IsOOIs)(OK1K2O)=(OIsK1IsK2O)
IsK1=(0110)(0110)=(1001)
IsK2=(0110)(0110)=(1001)
IK=(0010000110000100)
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I @ K
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array([[ 0,  0,  1,  0],
       [ 0,  0,  0, -1],
       [-1,  0,  0,  0],
       [ 0,  1,  0,  0]])

3.4#

A12,A13,A22,A23,A33,B11,B12,B13,B23,B33,C11,C12,C13,C22,C23n次の正方行列、On次の零行列とする。次の計算をせよ。 (OA12A13OA22A23OOA33)(B11B12B13OOB23OOB33)(C11C12C13OC22C23OOO)

(OA12A13OA22A23OOA33)(B11B12B13OOB23OOB33)=(OOA12B23+A13B33OOA22B23+A23B33OOA33B33)
(OOA12B23+A13B33OOA22B23+A23B33OOA33B33)(C11C12C13OC22C23OOO)=(OOOOOOOOO)=O
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# 検算
from sympy import symbols, Matrix
A_12, A_13, A_22, A_23, A_33 = symbols("A_12, A_13, A_22, A_23, A_33")
B_11, B_12, B_13, B_23, B_33 = symbols("B_11, B_12, B_13, B_23, B_33")
C_11, C_12, C_13, C_22, C_23 = symbols("C_11, C_12, C_13, C_22, C_23")

A = Matrix([
    [0, A_12, A_13],
    [0, A_22, A_23],
    [0, 0, A_33]
])


B = Matrix([
    [B_11, B_12, B_13],
    [0, 0, B_23],
    [0, 0, B_33]
])

C = Matrix([
    [C_11, C_12, C_13],
    [0, C_22, C_23],
    [0, 0, 0]
])
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A @ B
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[00A12B23+A13B3300A22B23+A23B3300A33B33]
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A @ B @ C
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[000000000]

3.5#

a,b を異なる数、 X11,X12,X21,X22 をそれぞれ m 次の正方行列、 m×n 行列、 n×m 行列、 n 次の正方行列とし、 (m+n) 次の正方行列 A および X

A=(aEmOm,nOn,mbEn),X=(X11X12X21X22)

により定める。 AX が可換となるのは X12 および X21 が零行列のときであることを示せ。

AX=(aEmOm,nOn,mbEn)(X11X12X21X22)=(aEmX11aEmX12bEnX21bEnX22)=(aX11aX12bX21bX22)
XA=(X11X12X21X22)(aEmOm,nOn,mbEn)=(aX11EmbX12EnaX21EmbX22En)=(aX11bX12aX21bX22)

となり、a,bが異なる数であるため、AXXAの対角成分は異なる値になっている。

X12およびX21が零行列であれば対角成分は零行列になるため、AX=XAとなる