東京大学 情報理工学研究科 2016年8月実施 数学 第1問
Author
Zero, etsurin
Description
3次元ベクトル xnynzn は式
xn+1yn+1zn+1=Axnynzn(n=0,1,2,...)
を満たすものとする.ただし,x0,y0,z0,α は実数とし,
A=1−2αααα1−α0α01−α,0<α<31
とする.以下の問いに答えよ.
(1)、xn+yn+zn を x0,y0,z0 を用いて表せ.
(2)、行列 A の固有値 λ1,λ2,λ3 と,それぞれの固有値に対応する固有ベクトル v1,v2,v3 を求めよ.
(3)、行列 A を λ1,λ2,λ3,v1,v2,v3 を用いて表せ.
(4)、xnynzn を x0,y0,z0,α を用いて表せ.
(5)、limx→∞xnynzn を求めよ.
(6)、以下の式
f(x0,y0,z0)=(x0,y0,z0)xnynzn(x0,y0,z0)xn+1yn+1zn+1
を x0,y0,z0 の関数とみなして,f(x0,y0,z0) の最大値および最小値お求めよ.ただし,x02+y02+z02=0 とする.
Kai
(1)
By the following given equations:
xn+1yn+1zn+1=Axnynzn=1−2αααα1−α0α01−αxnynzn
We have
xn+1+yn+1+zn+1=(1 1 1)xn+1yn+1zn+1=(1 1 1)Axnynzn=xn+yn+zn
Therefore:
xn+yn+zn=xn−1+yn−1+zn−1=⋯=x0+y0+z0
(2)
det(A−λI)=1−2α−λααα1−α−λ0α01−α−λ=(λ2+(3α−2)λ+(1−3α))(1−α−λ)=0
Hence,
λ1=1,v1=111
λ2=1−α,v2=01−1
λ3=1−3α,v3=−211
(3)
From (2), we know that
A(v1 v2 v3)=(v1 v2 v3)diag(λ1 λ2 λ3)
Hence,
A=(v1 v2 v3)diag(λ1 λ2 λ3)(v1 v2 v3)−1
Which is,
A=1110−11−21110001−α0001−3α1110−11−211−1
(4)
Note that,
xnynzn=Anx0y0z0=((v1 v2 v3)diag(λ1 λ2 λ3)(v1 v2 v3)−1)nx0y0z0=(v1 v2 v3)diag(λ1 λ2 λ3)n(v1 v2 v3)−1x0y0z0
Normalize the characteristic vectors:
q1=∥v1∥v1=313131
q2=∥v2∥v2=021−21
q3=∥v3∥v3=−626161
We have
xnynzn=(q1 q2 q3)diag(λ1n,λ2n,λ3n)(q1 q2 q3)−1x0y0z0
Since 0<α<31, A is positive-definite.
(q1 q2 q3)−1=(q1 q2 q3)T=q1Tq2Tq3T
Hence,
xnynzn=(λ1nq1q1T+λ2nq2q2T+λ3nq3q3T)x0y0z0
where
q1q1T=313131313131313131,
q2q2T=000021−210−2121,
q3q3T=32−31−31−316161−316161
(5)
Since
∣λ1∣=1,∣λ2∣=1−α<1,∣λ3∣=1−3α<1
Hence we have,
x→∞limxnynzn=(x→∞limλ1nq1q1T+x→∞limλ2nq2q2T+x→∞limλ3nq3q3T)x0y0z0=q1q1Tx0y0z0
Therefore,
x→∞limxnynzn=31(x0+y0+z0)111
(6)
Note that
f(x0,y0,z0)=(xnynzn)xnynzn(xnynzn)Axnynzn
Let
pn=xnynzn
where
(xnynzn)xnynzn=xn2+yn2+zn2=∥pn∥2
and
(xnynzn)Axnynzn=λ1pnT(q1q1Tpn)+λ2pnT(q2q2Tpn)+λ3pnT(q3q3Tpn)
Since A is positive-definite, q1,q2,q3 are all orthogonal, that is:
q1⊥q2,q2⊥q3,q3⊥q1
if pn//q1, then pn⊥q2 and pn⊥q3, the maximum of f(x0,y0,z0) is
max(f(x0,y0,z0))=λ1=1
if pn//q3,then pn⊥q1 and pn⊥q2, the minimum of f(x0,y0,z0) is
min(f(x0,y0,z0))=λ3=1−3α