埼玉大学 理工学研究科 数理電子情報系専攻 情報システム工学コース 2018年8月実施 线性代数
Author
思齐塾 , 祭音Myyura
Description
次の対称行列 A A A について考える. [Consider the following symmetric matrix A A A .]
A = ( 3 0 − 1 0 3 − 1 − 1 − 1 4 ) A = \begin{pmatrix} 3 & 0 & -1 \\ 0 & 3 & -1 \\ -1 & -1 & 4 \end{pmatrix} A = 3 0 − 1 0 3 − 1 − 1 − 1 4
以下の問に答えよ. [Solve the following problems.]
(a) 対称行列 A A A の逆行列を求めよ. [Find the inverse matrix of the symmetric matrix A A A .]
(b) 対称行列 A A A の固有値と固有ベクトルを求めよ. [Find the eigenvalues and eigenvectors of the symmetric matrix A A A .]
(c) 対称行列 A A A を対角化するための直交行列 U U U を求めよ. また A A A を U U U で対角化したときの対角行列 D D D を求めよ. [Find an orthogonal matrix U U U for diagonalizing the symmetric matrix A A A . Find a diagonal matrix D D D by diagonalizing A A A with U U U .]
(d) 正の整数 n n n に対して、 A n A^n A n を求めよ. [Find A n A^n A n for a positive integer n n n .]
(e) 変数 x , y , z x, y, z x , y , z が x 2 + y 2 + z 2 = 1 x^2 + y^2 + z^2 = 1 x 2 + y 2 + z 2 = 1 を満たすとき、2次形式 f ( x , y , z ) = 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 y z − 2 z x f(x,y,z) = 3x^2 + 3y^2 + 4z^2 - 2yz - 2zx f ( x , y , z ) = 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 yz − 2 z x の最大値と最小値を求めよ. [Find the maximum and minimum of the quadratic form f ( x , y , z ) = 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 y z − 2 z x f(x,y,z) = 3x^2 + 3y^2 + 4z^2 - 2yz - 2zx f ( x , y , z ) = 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 yz − 2 z x , if the variables x , y x, y x , y , and z z z satisfy x 2 + y 2 + z 2 = 1 x^2 + y^2 + z^2 = 1 x 2 + y 2 + z 2 = 1 .]
题目描述
考虑对称矩阵
A = ( 3 0 − 1 0 3 − 1 − 1 − 1 4 ) . A=\begin{pmatrix}
3&0&-1\\
0&3&-1\\
-1&-1&4
\end{pmatrix}. A = 3 0 − 1 0 3 − 1 − 1 − 1 4 .
回答下列问题。
(a) 求对称矩阵 A A A 的逆矩阵。
(b) 求对称矩阵 A A A 的特征值与特征向量。
(c) 求一个将对称矩阵 A A A 对角化的正交矩阵 U U U ,并求用 U U U 对角化 A A A 所得的对角矩阵 D D D 。
(d) 对正整数 n n n ,求 A n A^n A n 。
(e) 当变量 x , y , z x,y,z x , y , z 满足
x 2 + y 2 + z 2 = 1 x^2+y^2+z^2=1 x 2 + y 2 + z 2 = 1
时,求二次型
f ( x , y , z ) = 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 y z − 2 z x f(x,y,z)=3x^2+3y^2+4z^2-2yz-2zx f ( x , y , z ) = 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 yz − 2 z x
的最大值与最小值。
Kai
(a)
A = ( 3 0 − 1 0 3 − 1 − 1 − 1 4 ) A = \begin{pmatrix} 3 & 0 & -1 \\ 0 & 3 & -1 \\ -1 & -1 & 4 \end{pmatrix} A = 3 0 − 1 0 3 − 1 − 1 − 1 4
det ( A ) = 3 ( 12 − 1 ) − 0 + ( − 1 ) ( 0 + 3 ) = 33 − 3 = 30 \det(A) = 3(12-1) - 0 + (-1)(0+3) = 33 - 3 = 30 det ( A ) = 3 ( 12 − 1 ) − 0 + ( − 1 ) ( 0 + 3 ) = 33 − 3 = 30
C = ( 11 1 3 1 11 3 3 3 9 ) C = \begin{pmatrix} 11 & 1 & 3 \\ 1 & 11 & 3 \\ 3 & 3 & 9 \end{pmatrix} C = 11 1 3 1 11 3 3 3 9
C T = ( 11 1 3 1 11 3 3 3 9 ) C^T = \begin{pmatrix} 11 & 1 & 3 \\ 1 & 11 & 3 \\ 3 & 3 & 9 \end{pmatrix} C T = 11 1 3 1 11 3 3 3 9
A − 1 = 1 30 ( 11 1 3 1 11 3 3 3 9 ) A^{-1} = \frac{1}{30} \begin{pmatrix} 11 & 1 & 3 \\ 1 & 11 & 3 \\ 3 & 3 & 9 \end{pmatrix} A − 1 = 30 1 11 1 3 1 11 3 3 3 9
(b)
det ( A − λ I ) = ( 3 − λ ) ( ( 3 − λ ) ( 4 − λ ) − 1 ) + ( − 1 ) ( 0 + ( 3 − λ ) ) = ( 3 − λ ) ( 12 − 7 λ + λ 2 − 1 ) − 3 + λ = ( 3 − λ ) ( λ 2 − 7 λ + 11 ) − 3 + λ = 3 λ 2 − 21 λ + 33 − λ 3 + 7 λ 2 − 11 λ − 3 + λ = − λ 3 + 10 λ 2 − 31 λ + 30 = − ( λ − 2 ) ( λ − 3 ) ( λ − 5 ) \det(A - \lambda I) = (3-\lambda)((3-\lambda)(4-\lambda) - 1) + (-1)(0 + (3-\lambda)) = (3-\lambda)(12 - 7\lambda + \lambda^2 - 1) - 3 + \lambda = (3-\lambda)(\lambda^2 - 7\lambda + 11) - 3 + \lambda = 3\lambda^2 - 21\lambda + 33 - \lambda^3 + 7\lambda^2 - 11\lambda - 3 + \lambda = -\lambda^3 + 10\lambda^2 - 31\lambda + 30 = -(\lambda - 2)(\lambda - 3)(\lambda - 5) det ( A − λ I ) = ( 3 − λ ) (( 3 − λ ) ( 4 − λ ) − 1 ) + ( − 1 ) ( 0 + ( 3 − λ )) = ( 3 − λ ) ( 12 − 7 λ + λ 2 − 1 ) − 3 + λ = ( 3 − λ ) ( λ 2 − 7 λ + 11 ) − 3 + λ = 3 λ 2 − 21 λ + 33 − λ 3 + 7 λ 2 − 11 λ − 3 + λ = − λ 3 + 10 λ 2 − 31 λ + 30 = − ( λ − 2 ) ( λ − 3 ) ( λ − 5 )
So the eigenvalues are λ = 2 , 3 , 5 \lambda = 2, 3, 5 λ = 2 , 3 , 5 .
For λ = 2 \lambda = 2 λ = 2 : ( A − 2 I ) v = 0 ⇒ ( 1 0 − 1 0 1 − 1 − 1 − 1 2 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) (A - 2I)v = 0 \Rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & -1 \\ -1 & -1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} ( A − 2 I ) v = 0 ⇒ 1 0 − 1 0 1 − 1 − 1 − 1 2 x y z = 0 0 0
x = z , y = z x = z, y = z x = z , y = z . Let z = 1 z = 1 z = 1 , then v 1 = ( 1 1 1 ) v_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} v 1 = 1 1 1 .
For λ = 3 \lambda = 3 λ = 3 : ( A − 3 I ) v = 0 ⇒ ( 0 0 − 1 0 0 − 1 − 1 − 1 1 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) (A - 3I)v = 0 \Rightarrow \begin{pmatrix} 0 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & -1 \\ -1 & -1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} ( A − 3 I ) v = 0 ⇒ 0 0 − 1 0 0 − 1 − 1 − 1 1 x y z = 0 0 0
z = 0 , x = − y z = 0, x = -y z = 0 , x = − y . Let y = 1 y = 1 y = 1 , then x = − 1 x = -1 x = − 1 , so v 2 = ( − 1 1 0 ) v_2 = \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} v 2 = − 1 1 0 .
For λ = 5 \lambda = 5 λ = 5 : ( A − 5 I ) v = 0 ⇒ ( − 2 0 − 1 0 − 2 − 1 − 1 − 1 − 1 ) ( x y z ) = ( 0 0 0 ) (A - 5I)v = 0 \Rightarrow \begin{pmatrix} -2 & 0 & -1 \\ 0 & -2 & -1 \\ -1 & -1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} ( A − 5 I ) v = 0 ⇒ − 2 0 − 1 0 − 2 − 1 − 1 − 1 − 1 x y z = 0 0 0
− 2 x = z , − 2 y = z , x + y + z = 0 ⇒ x + y − 2 x = 0 ⇒ y = x -2x = z, -2y = z, x + y + z = 0 \Rightarrow x + y - 2x = 0 \Rightarrow y = x − 2 x = z , − 2 y = z , x + y + z = 0 ⇒ x + y − 2 x = 0 ⇒ y = x . − 2 x = z , x = y -2x = z, x = y − 2 x = z , x = y . Let x = 1 x = 1 x = 1 , then y = 1 , z = − 2 y = 1, z = -2 y = 1 , z = − 2 , so v 3 = ( 1 1 − 2 ) v_3 = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix} v 3 = 1 1 − 2 .
(c)
Since A is symmetric, the eigenvectors corresponding to distinct eigenvalues are orthogonal. Thus, U = ( 1 3 − 1 2 1 6 1 3 1 2 1 6 1 3 0 − 2 6 ) U = \begin{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{3}} & -\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} & \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} & 0 & -\frac{2}{\sqrt{6}} \end{pmatrix} U = 3 1 3 1 3 1 − 2 1 2 1 0 6 1 6 1 − 6 2 and D = ( 2 0 0 0 3 0 0 0 5 ) D = \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix} D = 2 0 0 0 3 0 0 0 5 .
(d)
Since A = U D U T A = U D U^T A = U D U T , A n = U D n U T A^n = U D^n U^T A n = U D n U T , where D n = ( 2 n 0 0 0 3 n 0 0 0 5 n ) D^n = \begin{pmatrix} 2^n & 0 & 0 \\ 0 & 3^n & 0 \\ 0 & 0 & 5^n \end{pmatrix} D n = 2 n 0 0 0 3 n 0 0 0 5 n .
A n = ( 1 3 − 1 2 1 6 1 3 1 2 1 6 1 3 0 − 2 6 ) ( 2 n 0 0 0 3 n 0 0 0 5 n ) ( 1 3 1 3 1 3 − 1 2 1 2 0 1 6 1 6 − 2 6 ) A^n = \begin{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{3}} & -\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} & \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} & 0 & -\frac{2}{\sqrt{6}} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2^n & 0 & 0 \\ 0 & 3^n & 0 \\ 0 & 0 & 5^n \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{3}} & \frac{1}{\sqrt{3}} & \frac{1}{\sqrt{3}} \\ -\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{2}} & 0 \\ \frac{1}{\sqrt{6}} & \frac{1}{\sqrt{6}} & -\frac{2}{\sqrt{6}} \end{pmatrix} A n = 3 1 3 1 3 1 − 2 1 2 1 0 6 1 6 1 − 6 2 2 n 0 0 0 3 n 0 0 0 5 n 3 1 − 2 1 6 1 3 1 2 1 6 1 3 1 0 − 6 2
(e)
Let x = 1 3 x ′ − 1 2 y ′ + 1 6 z ′ x = \frac{1}{\sqrt{3}} x' - \frac{1}{\sqrt{2}} y' + \frac{1}{\sqrt{6}} z' x = 3 1 x ′ − 2 1 y ′ + 6 1 z ′ , y = 1 3 x ′ + 1 2 y ′ + 1 6 z ′ y = \frac{1}{\sqrt{3}} x' + \frac{1}{\sqrt{2}} y' + \frac{1}{\sqrt{6}} z' y = 3 1 x ′ + 2 1 y ′ + 6 1 z ′ , z = 1 3 x ′ − 2 6 z ′ z = \frac{1}{\sqrt{3}} x' - \frac{2}{\sqrt{6}} z' z = 3 1 x ′ − 6 2 z ′ . Then 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 y z − 2 z x = 2 x ′ 2 + 3 y ′ 2 + 5 z ′ 2 3x^2 + 3y^2 + 4z^2 - 2yz - 2zx = 2x'^2 + 3y'^2 + 5z'^2 3 x 2 + 3 y 2 + 4 z 2 − 2 yz − 2 z x = 2 x ′2 + 3 y ′2 + 5 z ′2 .
Since x 2 + y 2 + z 2 = 1 x^2 + y^2 + z^2 = 1 x 2 + y 2 + z 2 = 1 , x ′ 2 + y ′ 2 + z ′ 2 = 1 x'^2 + y'^2 + z'^2 = 1 x ′2 + y ′2 + z ′2 = 1 .
Then 2 x ′ 2 + 3 y ′ 2 + 5 z ′ 2 = 2 ( x ′ 2 + y ′ 2 + z ′ 2 ) + y ′ 2 + 3 z ′ 2 = 2 + y ′ 2 + 3 z ′ 2 2x'^2 + 3y'^2 + 5z'^2 = 2(x'^2 + y'^2 + z'^2) + y'^2 + 3z'^2 = 2 + y'^2 + 3z'^2 2 x ′2 + 3 y ′2 + 5 z ′2 = 2 ( x ′2 + y ′2 + z ′2 ) + y ′2 + 3 z ′2 = 2 + y ′2 + 3 z ′2 .
The minimum is 2 (when y ′ = z ′ = 0 y' = z' = 0 y ′ = z ′ = 0 ) and the maximum is 5 (when x ′ = y ′ = 0 x' = y' = 0 x ′ = y ′ = 0 ).