練習問題 メモ 3#
3.1#
\(A\) を \(k \times l\) 行列、 \(B\) を \(k \times n\) 行列、 \(C\) を \(m \times n\) 行列とする。分割された \((k+m) \times(l+n)\)行列に対する次の計算をせよ。 \( \left(\begin{array}{cc} A & B \\ O_{m, l} & C \end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc} A & -B \\ O_{m, l} & -2 C \end{array}\right) \)
3.2#
\(A\) を \(m \times n\) 行列とする。分割された \((m+n)\) 次の正方行列 \(\left(\begin{array}{cc}E_m & A \\ O_{n, m} & E_n\end{array}\right)\)の3乗を計算せよ。
3.3#
4次の正方行列 \(I, J, K\)を $\( I=\left(\begin{array}{cccc} 0 & -1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{array}\right), J=\left(\begin{array}{cccc} 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 0 & 0 \end{array}\right), K=\left(\begin{array}{cccc} 0 & 0 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right) \)\( により定める。 \)I, J, K\( を 2 次の正方行列を用いて分割することにより、積 \)I^2, J^2\(, \)K^2, I J, J I, J K, K J, K I, I K$ を計算せよ。
とおくと
\(I^2\)
なので
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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]])
\(J^2\)
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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]])
\(K^2\)
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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]])
\(IJ\)
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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]])
\(J I\)
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J @ I
Show code cell output
array([[ 0, 0, 0, 1],
[ 0, 0, 1, 0],
[ 0, -1, 0, 0],
[-1, 0, 0, 0]])
\(J K\)
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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]])
\(K J\)
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K @ J
Show code cell output
array([[ 0, 1, 0, 0],
[-1, 0, 0, 0],
[ 0, 0, 0, 1],
[ 0, 0, -1, 0]])
\(K I\)
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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]])
\(I K\)
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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#
\(A_{12}, A_{13}, A_{22}, A_{23}, A_{33}, B_{11}, B_{12}, B_{13}, B_{23}, B_{33}, C_{11}, C_{12}, C_{13}, C_{22}, C_{23}\) を\(n\)次の正方行列、\(O\)を\(n\)次の零行列とする。次の計算をせよ。 \( \left(\begin{array}{ccc} O & A_{12} & A_{13} \\ O & A_{22} & A_{23} \\ O & O & A_{33} \end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc} B_{11} & B_{12} & B_{13} \\ O & O & B_{23} \\ O & O & B_{33} \end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc} C_{11} & C_{12} & C_{13} \\ O & C_{22} & C_{23} \\ O & O & O \end{array}\right) \)
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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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A @ B @ C
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3.5#
\(a, b\) を異なる数、 \(X_{11}, X_{12}, X_{21}, X_{22}\) をそれぞれ \(m\) 次の正方行列、 \(m \times n\) 行列、 \(n \times m\) 行列、 \(n\) 次の正方行列とし、 \((m+n)\) 次の正方行列 \(A\) および \(X\) を
\[\begin{split} A=\left(\begin{array}{cc} a E_m & O_{m, n} \\ O_{n, m} & b E_n \end{array}\right), X=\left(\begin{array}{ll} X_{11} & X_{12} \\ X_{21} & X_{22} \end{array}\right) \end{split}\]により定める。 \(A\) と \(X\) が可換となるのは \(X_{12}\) および \(X_{21}\) が零行列のときであることを示せ。
となり、\(a, b\)が異なる数であるため、\(AX\)と\(XA\)の対角成分は異なる値になっている。
\(X_{12}\)および\(X_{21}\)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