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名古屋大学 情報学研究科 複雑系科学専攻 2022年8月実施 数1 [1]

Author

思齐塾, 祭音Myyura

Description

出典:名古屋大学公式問題

相似変換の定義(題意の要約):QTQ=IQ^TQ=I を満たす実 2×22\times2 行列 QQλ>0\lambda>0hR2h\in\mathbb R^2 による r=λQr+hr'=\lambda Qr+h を考える。 λ=1\lambda=1 のときは合同変換である。

任意の2次直交行列 AA は、 1a1-1 \leq a \leq 1 の範囲の実数 aa によって定められる行列

(ア) (a1a2±1a2a)\begin{pmatrix} a & \mp \sqrt{1-a^2} \\ \pm \sqrt{1-a^2} & a \end{pmatrix} または (a±1a2±1a2a)\begin{pmatrix} a & \pm \sqrt{1-a^2} \\ \pm \sqrt{1-a^2} & -a \end{pmatrix}

(一つの行列の中の複号は同順) に限られることを証明せよ。つまり、 ATA=IA^T A = I を満たす 2次正方行列 AA は必ず(ア) に表示された行列のどれかに等しいことを証明せよ。

题目描述

证明任意 22 阶正交矩阵 AA 都可由某个满足 1a1-1\le a\le1 的实数 aa 表示为下列两族之一。令

b=1a2,ε{1,1},b=\sqrt{1-a^2},\qquad \varepsilon\in\{1,-1\},

A=(aεbεba)A=(aεbεba).(ア)A= \begin{pmatrix} a&-\varepsilon b\\ \varepsilon b&a \end{pmatrix} \quad\text{或}\quad A= \begin{pmatrix} a&\varepsilon b\\ \varepsilon b&-a \end{pmatrix}. \tag{ア}

也就是说,证明每个满足 ATA=IA^{\mathsf T}A=I2×22\times2 实矩阵都属于式 (ア) 所列的四种符号组合。

Kai

Let the first column of AA be u=(a,b)Tu=(a,b)^T. Orthogonality gives a2+b2=1a^2+b^2=1, hence 1a1-1\le a\le1 and b=±1a2b=\pm\sqrt{1-a^2}. The second column must be a unit vector perpendicular to uu. In R2\mathbb R^2 the only two choices are (b,a)T(-b,a)^T and (b,a)T(b,-a)^T. Therefore

A=(abba)orA=(abba),b=±1a2.\boxed{ A=\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix} \quad\text{or}\quad A=\begin{pmatrix}a&b\\b&-a\end{pmatrix}, \qquad b=\pm\sqrt{1-a^2}. }

This proves the two stated families, including a=±1a=\pm1 where b=0b=0. Conversely, direct multiplication gives ATA=IA^TA=I for both families. Their determinants are 11 and 1-1, respectively.