総合研究大学院大学 複合科学研究科 統計科学専攻 2020年1月実施 数理 第3問
Author
祭音Myyura (Based on miyake's answer refined with GPT 6 Astra)
Description
区分行列
A=(A11A21A12A22),B=(B11B21OB22)
を考える。A11,A22,B11,B22 は n×n 正方行列とする。以下に現れる全ての逆行列は存在すると仮定する。O は n×n 零行列、I は n×n 単位行列とする。
次を満たす n×n 行列 Q1 を A11,A12,A21,A22 とその逆行列から必要なものを用いて表せ。
(A11A21A12A22)=(A11A21OQ1)(IOQ2I)
次を満たす n×n 行列 Q3 を B11,B21,B22 とその逆行列から必要なものを用いて表せ。
(B11B21OB22)−1=(B11−1Q3OB22−1)
A−1=(A11A21A12A22)
とする。A11,A22 は n×n 正方行列とする。A11,A12,A21,A22 を A11,A12,A21,A22 とその逆行列から必要なものを用いて表せ。
次の等式を示せ。
(A22−A21A11−1A12)−1=A22−1+A22−1A21(A11−A12A22−1A21)−1A12A22−1.
题目描述
考虑分块矩阵
A=(A11A21A12A22),B=(B11B21OB22).
A11,A22,B11,B22 均为 n×n 方阵。假设以下出现的所有逆矩阵均存在。O 为 n×n 零矩阵,I 为 n×n 单位矩阵。
问1 用 A11,A12,A21,A22 及其逆矩阵中所需的矩阵,表示满足下式的 n×n 矩阵 Q1。
(A11A21A12A22)=(A11A21OQ1)(IOQ2I)
问2 用 B11,B21,B22 及其逆矩阵中所需的矩阵,表示满足下式的 n×n 矩阵 Q3。
(B11B21OB22)−1=(B11−1Q3OB22−1)
问3 设
A−1=(A11A21A12A22),
其中 A11,A22 为 n×n 方阵。用 A11,A12,A21,A22 及其逆矩阵中所需的矩阵,表示 A11,A12,A21,A22。
问4 证明下列等式。
(A22−A21A11−1A12)−1=A22−1+A22−1A21(A11−A12A22−1A21)−1A12A22−1.
Kai
比較のため右辺を乗算すると、
(A11A21A11Q2A21Q2+Q1)=(A11A21A12A22).
よって Q2=A11−1A12 であり、
Q1=A22−A21A11−1A12.
以下ではこれを S と書く。
BB−1=diag(I,I) の左下ブロックを比較すると、
B21B11−1+B22Q3=O.
したがって
Q3=−B22−1B21B11−1.
問1の分解の逆をとり、問2を用いると、
A−1=(IO−A11−1A12I)(A11−1−S−1A21A11−1OS−1)=(A11−1+A11−1A12S−1A21A11−1−S−1A21A11−1−A11−1A12S−1S−1).
すなわち、S=A22−A21A11−1A12 として
A11A12A21A22=A11−1+A11−1A12S−1A21A11−1,=−A11−1A12S−1,=−S−1A21A11−1,=S−1.
T=A11−A12A22−1A21 とおく。A12A22−1A21=A11−T より
A11−1A12A22−1A21T−1=T−1−A11−1.
示すべき右辺を R=A22−1+A22−1A21T−1A12A22−1 とすると、
SR=I+A21T−1A12A22−1−A21A11−1A12A22−1−A21A11−1A12A22−1A21T−1A12A22−1=I+A21T−1A12A22−1−A21A11−1A12A22−1−A21(T−1−A11−1)A12A22−1=I.
S は可逆なので R=S−1、すなわち
(A22−A21A11−1A12)−1=A22−1+A22−1A21(A11−A12A22−1A21)−1A12A22−1
が得られる。
Reference