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京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2022年8月実施 数学【I】

Author

机智的若叶, 祭音Myyura

Description

問1

ベクトル xx に関する mm 元連立一次方程式 Ax=bA x = b を反復法によって解くことを考える。 そのために、mm 次正方行列 AAPQP - Q に分解し、方程式を Px=Qx+bP x = Q x + b のように書き換え、適当な初期値 x0x_0 を与えて、xn+1=Qxn+bx_{n+1} = Q x_n + b、つまり、xn+1=P1(Qxn+b)x_{n+1} = P^{-1} (Q x_n + b) を繰り返し計算する。 特に、行列 AA の対角要素からなる対角行列を PP とする反復法をヤコビ法と呼ぶ。以下の設問に答えよ。

ただし、mm 次正方行列 ZZ の逆行列を Z1Z^{-1}、転置を ZTZ^T、スペクトル半径を ρ(Z)\rho (Z) と表す。 ρ(Z)\rho (Z)ZZ の固有値 λi\lambda_i (i=1,,m)(i = 1, \ldots, m) の絶対値の最大値 (maxiλi\max_i |\lambda_i|) に等しい。

(i) P1P^{-1} が存在するとき、Px=Qx+bP x = Q x + bxn+1=Qxn+bx_{n+1} = Q x_n + b から、

xxn+1=P1Q(xxn) x - x_{n+1} = P^{-1} Q (x - x_n)

となる。 P1QP^{-1} Q の固有値がすべて異なるものとして、nn \to \infty のとき、任意の x0x_0 に対して xnx_n が方程式の解に収束するために ρ(P1Q)\rho (P^{-1} Q) が満たすべき必要十分条件をその理由とともに答えよ。

以下の設問では、次の方程式をヤコビ法を用いて解く場合について考える。

Ax=b,A=[1243340324],b=[513](1)A x = b, \quad A = \begin{bmatrix} 12 & -4 & 3 \\ -3 & 4 & 0 \\ 3 & -2 & 4 \end{bmatrix}, \quad b = \begin{bmatrix} 5 \\ 1 \\ -3 \end{bmatrix} \tag{1}

(ii) PP, QQ, P1P^{-1} を求めよ。

(iii) P1QP^{-1} Q の固有値をすべて求めよ。さらに、P1QP^{-1} Q のスペクトル半径を求めよ。

(iv) x0=[000]x_0 = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} として、x1x_1 を求めよ。

(v) A1A^{-1} を求めてから、方程式 (1) の解を求めよ。

問2

行列 AAn×nn \times n の実対称行列で、その要素を aij(i,j=1,,n)a_{ij} (i, j = 1, \ldots, n) と書く。さらに、すべての要素が非負であり、

j=1naij=1,i=1,,n\sum_{j=1}^n a_{ij} = 1, \quad i = 1, \ldots, n

を満たすと仮定する。以下の設問に答えよ。ただし、uu はすべての要素が1である nn 次元ベクトルとする。

(i) Au=uA u = u を示せ。

(ii) 任意の零ベクトルでない nn 次元実ベクトル xx に対して、xx の要素の中で絶対値が最大のものを xmx_m としたとき、任意の i{1,,n}i \in \{1, \ldots, n\} において

j=1naijxjxm\left| \sum_{j=1}^n a_{ij} x_j \right| \leq |x_m|

が成り立つことを示せ。

(iii) AA の任意の固有値 λ\lambda に対して、λ1|\lambda| \leq 1 が成り立つことを示せ。

(iv) n=2n = 2 とし、AA は次の形

A=[1ααα1α],0<α1 A = \begin{bmatrix} 1 - \alpha & \alpha \\ \alpha & 1 - \alpha \end{bmatrix}, \quad 0 < \alpha \leq 1

を取るとする。 設問 (i) から、AA は固有値 λ1=1\lambda_1 = 1 と対応する固有ベクトル u=u/2u = u / \sqrt{2} を持つ。 もう一方の固有値 λ2\lambda_2 と対応する固有ベクトル ww を求めよ。ただし ww は正規化せよ。

(v) 設問 (iv) の AA に対し、その自然数乗 AkA^k を考える。極限

B=limkAkB = \lim_{k \to \infty} A^k

が存在する α\alpha の範囲を答えよ。 また、極限が存在する場合には、その極限 BB を求めよ。

Kai

問1

(i)

ρ(P1Q)1\rho(P^{-1}Q) \le 1

(ii)

P=[1200040004]Q=PA=[043300320]P1=[1120001400014]\begin{aligned} P &= \begin{bmatrix} 12 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{bmatrix} \\ Q &= P - A = \begin{bmatrix} 0 & 4 & -3 \\ 3 & 0 & 0 \\ -3 & 2 & 0 \end{bmatrix} \\ P^{-1} &= \begin{bmatrix} \frac{1}{12} & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{4} & 0 \\ 0 & 0 & \frac{1}{4} \end{bmatrix} \\ \end{aligned}

(iii)

P1QP^{-1}Q の固有値を λ\lambda とすると、

0=det(tIP1Q)=λ3716λ+332=132(2λ1)(4λ1)(4λ+3)  λ=12,14,34\begin{aligned} 0 &= \text{det}(tI - P^{-1}Q) \\ &= \lambda^{3} - \frac{7}{16} \lambda + \frac{3}{32} \\ &= \frac{1}{32} (2 \lambda - 1) (4 \lambda - 1) (4 \lambda + 3) \\ \therefore \ \ \lambda &= \frac{1}{2}, \frac{1}{4}, -\frac{3}{4} \end{aligned}

である。よって、

ρ(P1Q)=34\rho(P^{-1}Q) = \frac{3}{4}

(iv)

x1=P1b=[5121434]\begin{aligned} x_1 = P^{-1}b = \begin{bmatrix} \frac{5}{12} \\ \frac{1}{4} \\ -\frac{3}{4} \end{bmatrix} \end{aligned}

(v)

x=[111]\begin{aligned} x = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} \end{aligned}

問2

(i)

aija_{ij} は行列 AA の 第 ii 行目の第 jj 列目の成分とおくと、

Au=[j=1na1j,j=1na2j,j=1nanj]T=u\begin{aligned} Au = \big[\sum_{j=1}^n a_{1j}, \sum_{j=1}^n a_{2j}, \ldots \sum_{j=1}^n a_{nj} \big]^T = u \end{aligned}

である。

(ii)

すべての要素が非負であり、

j=1naijxjj=1naijxjj=1naijxm=xm\begin{aligned} |\sum_{j=1}^n a_{ij} x_j| \le \sum_{j=1}^n a_{ij}|x_j| \le \sum_{j=1}^n a_{ij} |x_m| = |x_m| \end{aligned}

(iii)

固有ベクトルを [x1,x2,,xn]T[x_1, x_2, \ldots, x_n]^T とする。 任意の xjx_j に対して、以下の式が成り立つ。

j=1naijxj=λxj\begin{aligned} \lvert \sum_{j=1}^n a_{ij} x_j \rvert = |\lambda x_j| \end{aligned}

(ii) より、

j=1naijxm=λxmxmλ1\begin{aligned} &|\sum_{j=1}^n a_{ij} x_m| = |\lambda x_m| \le |x_m| \\ &\therefore |\lambda| \le 1 \end{aligned}

(iv)

tr(A)=λ1+λ2=22αλ1=1   λ2=12α\begin{aligned} &\text{tr} (A) = \lambda_1 + \lambda_2 = 2 - 2\alpha \\ &\because \lambda_1 = 1\ \ \ \therefore \lambda_2 = 1-2\alpha \end{aligned}
(A(1α)I)w=0w=[12,12]T\begin{aligned} (A - (1 - \alpha)I) w = 0 \Rightarrow w = [\frac{1}{\sqrt{2}}, -\frac{1}{\sqrt{2}}]^T \end{aligned}

(v)

α1\alpha \neq -1

P1AP=Λ=[10012α]\begin{aligned} P^{-1}AP = \Lambda = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1-2 \alpha \end{bmatrix} \end{aligned}
P=[v,w]=[12121212]\begin{aligned} P = [v,w] = \begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} & -\frac{1}{\sqrt{2}} \\ \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}} \end{bmatrix} \end{aligned}
P1=[1212=1212]\begin{aligned} P^{-1} = \begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}} \\ =\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}} \end{bmatrix} \end{aligned}
B=[12121212]\begin{aligned} B = \begin{bmatrix} \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix} \end{aligned}