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広島大学 先進理工系科学研究科 情報科学プログラム 2021年8月実施 専門科目I 問題1

Author

samparker, 祭音Myyura

Description

(1) A=[0αα0]A = \begin{bmatrix} 0 & -\alpha \\ \alpha & 0 \end{bmatrix} のすべての固有値と固有ベクトルを求めよ。ただし、α0\alpha \neq 0 は実数とする。

(2) AkA^k を求めよ。ただし、kk は正の整数とする。

(3) 実正方行列 XX に対して、行列の指数関数を

exp(X)=k=01k!Xk=E+X+12!X2+\exp(X) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!} X^k = E + X + \frac{1}{2!} X^2 + \cdots

で定義する。これは、すべての行列 XX に対して収束することが知られている。ただし、EE は単位行列である。

exp(A)=[cosαsinαsinαcosα]\exp(A) = \begin{bmatrix} \cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \end{bmatrix}

となることを示せ。


(1) Find all the eigenvalues of a matrix A=[0αα0]A = \begin{bmatrix} 0 & -\alpha \\ \alpha & 0 \end{bmatrix} and the corresponding eigenvectors. Here α0\alpha \neq 0 is a real number.

(2) Find AkA^k. Here kk is a positive integer.

(3) For real square matrix XX, exponential function is defined as

exp(X)=k=01k!Xk=E+X+12!X2+\exp(X) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!} X^k = E + X + \frac{1}{2!} X^2 + \cdots

It is known that this function converges for all matrices XX. Here EE is the identity matrix. Show that

exp(A)=[cosαsinαsinαcosα]\exp(A) = \begin{bmatrix} \cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \end{bmatrix}

Kai

(1)

Eigenvalues

[λααλ]=0λ2+α2=0{λ1=iαλ2=iα\begin{bmatrix} -\lambda & -\alpha \\ \alpha & \lambda \end{bmatrix} = 0 \Rightarrow \lambda^2 + \alpha^2 = 0 \Rightarrow \begin{cases} \lambda_1 = i\alpha \\ \lambda_2 = -i \alpha \end{cases}

the corresponding eigenvectors

{v1=(i,1)v2=(i,1)\begin{cases} v_1 = (i, 1) \\ v_2 = (-i, 1) \end{cases}

(2)

u1=12(i1),u2=12(i1),u_1 = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} i \\ 1 \end{pmatrix}, u_2 = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} -i \\ 1 \end{pmatrix},
U=12(ii11),U1=12(i1i1),U = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} i & -i \\ 1 & 1 \end{pmatrix}, U^{-1} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} -i & 1 \\ i & 1 \end{pmatrix},

Then,

Ak=12(ii11)((iα)k00(iα)k)(i1i1)=12((iα)k+(iα)ki(iα)ki(iα)ki(iα)ki(iα)k(iα)k+(iα)k)\begin{aligned} A^k &= \frac{1}{2} \begin{pmatrix} i & -i \\ 1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} (i\alpha)^k & 0 \\ 0 & (-i\alpha)^k \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -i & 1 \\ i & 1 \end{pmatrix} \\ &= \frac{1}{2}\begin{pmatrix} (-i\alpha)^k + (i\alpha)^k & i(i\alpha)^k - i(-i\alpha)^k \\ i(-i\alpha)^k -i(i\alpha)^k & (-i\alpha)^k + (i\alpha)^k \end{pmatrix} \end{aligned}

(3)

The Cayley-Hamilton Theorem guarantees that

A2+α2E=0A^2 + \alpha^2 E = 0

so that A2=α2EA^2 = -\alpha^2 E. Higher powers of AA are A3=α2AA^3 = -\alpha^2 A, A4=α2A2=α4EA^4 = -\alpha^2 A^2 = \alpha^4 E, and so on. Substituting these into the power series for exp(A)\exp(A) and grouping together the terms involving EE and AA produces

exp(A)=E+A+12!A2+13!A3+=E+Aα22!Eα23!A+α44!E+α45!A+=(1α22!+α44!)E+(1α23!+α45!)A=(cosα)E+sinααA=[cosαsinαsinαcosα]\begin{aligned} \exp(A) &= E + A + \frac{1}{2!} A^2 + \frac{1}{3!}A^3 + \cdots \\ &= E + A - \frac{\alpha^2}{2!}E - \frac{\alpha^2}{3!}A + \frac{\alpha^4}{4!}E + \frac{\alpha^4}{5!}A + \cdots \\ &= \left(1 - \frac{\alpha^2}{2!} + \frac{\alpha^4}{4!} - \cdots \right)E + \left(1 - \frac{\alpha^2}{3!} + \frac{\alpha^4}{5!} - \cdots \right)A \\ &= (\cos \alpha) E + \frac{\sin \alpha}{\alpha} A \\ &= \begin{bmatrix} \cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \end{bmatrix} \end{aligned}