九州大学 工学府 機械系専攻 2019年8月実施 数学 問1
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
xy 平面上の方程式
(a−1)(x2+y2)+4xy−1=0(*)
について、以下の問いに答えよ。ただし、a は1以外の実数の定数とする。(50点)
(1) x=[x,y]T∈R2 とする。対称行列 A∈R2×2 を用いて与式(*)を xTAx=1 の形で表せ。ただし、行列 A の要素を具体的に示すこと。
(2) (1)で求めた行列 A の2つの固有値を λl,λs(λl>λs)とする。λl=5 であるとき、定数 a およびもう一つの固有値 λs をそれぞれ求めよ。
(3) (2)で求めた固有値 λs についての大きさ1の固有ベクトルを p∈R2、固有値 λl=5 についての大きさ1の固有ベクトルを q∈R2 とする。行列 P=[p,q]∈R2×2 を求めよ。
(4) いま、(3)で求めた行列 P について、X=[X,Y]T∈R2 とすると、x=PX が成立している。
i) 与式(*)を X,Y を用いて表せ。
ii) i)で求めた方程式が、XY 平面上に描く図形を図示せよ。ただし、図形の形状を決める根拠となる値は図中で示すこと。
(5) 与式(*)が、xy 平面上に描く図形を図示せよ。ただし、a は(2)で求めた値とし、図形の形状を決める根拠となる値は図中で示すこと。
题目描述
对于 xy 平面上的方程
(a−1)(x2+y2)+4xy−1=0,(*)
回答以下各问,其中 a 是不等于1的实常数。(50分)
(1) 设 x=[x,y]T∈R2。用对称矩阵 A∈R2×2 将式(*)表示为 xTAx=1,并具体写出 A 的元素。
(2) 将(1)所得矩阵 A 的两个特征值记为 λl,λs,且 λl>λs。当 λl=5 时,分别求常数 a 和另一个特征值 λs。
(3) 设 p∈R2 为(2)所得特征值 λs 对应的单位特征向量,q∈R2 为特征值 λl=5 对应的单位特征向量。求矩阵 P=[p,q]∈R2×2。
(4) 对于(3)所得的矩阵 P,令 X=[X,Y]T∈R2,且满足 x=PX。
i) 用 X,Y 表示式(*)。
ii) 画出i)所得方程在 XY 平面上表示的图形,并在图中标出用于确定图形形状的数值。
(5) 取(2)所得的 a 值,画出式(*)在 xy 平面上表示的图形,并在图中标出用于确定图形形状的数值。
Kai
(1)
A=(a−122a−1).
(2)
特性方程式は (a−1−λ)2−4=0。よって λl=a+1、λs=a−3 であり、
a=4,λs=1.
(3)
(A−I)p=0、(A−5I)q=0 より、一例として
p=21(1−1),q=21(11),P=21(−1111).
PTP=I、PTAP=diag(1,5) である。
(4)
1=XTPTAPX⟹X2+5Y2=1.
ii)
原点中心、X 軸方向の半径 1、Y 軸方向の半径 1/5 の楕円である。

(5)
x=Xp+Yq より、長軸は y=−x、短軸は y=x に沿う。P は直交行列なので半軸の長さは保存される。長軸端点は ±(−1,1)/2、短軸端点は ±(1,1)/10。座標軸との交点は (±1/3,0),(0,±1/3) である。

Reference