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東京大学 工学系研究科 2011年8月実施 数学 第2問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

実対称行列 A=(0−1−1−10−1−1−1α)A=\begin{pmatrix}0&-1&-1\\-1&0&-1\\-1&-1&\alpha\end{pmatrix}(α≥0\alpha\ge0)を考える。

I. α=5/2\alpha=5/2 のとき、すべての固有値と対応する大きさ 11 の固有ベクトルを求めよ。

II. α>0\alpha>0 とし、固有値を λ1,λ2,λ3\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3 とする。 (1) これらを α\alpha で表し、すべて異なることを示せ。 (2) lim⁡α→∞max⁡jλj/α\lim_{\alpha\to\infty}\max_j\lambda_j/\alpha を求めよ。 (3) lim⁡α↓0min⁡jλj\lim_{\alpha\downarrow0}\min_j\lambda_j を求めよ。

III. α=0\alpha=0 のとき AnA^n の全成分を求めよ。nn は正の整数とする。

题目描述​

设 A=(0−1−1−10−1−1−1α)A=\begin{pmatrix}0&-1&-1\\-1&0&-1\\-1&-1&\alpha\end{pmatrix},α≥0\alpha\ge0。

I. 当 α=5/2\alpha=5/2 时,求全部特征值及对应的单位特征向量。

II. 当 α>0\alpha>0 时,将全部特征值记为 λ1,λ2,λ3\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3。 (1) 用 α\alpha 表示它们并证明互不相同;(2) 求 lim⁡α→∞max⁡jλj/α\lim_{\alpha\to\infty}\max_j\lambda_j/\alpha; (3) 求 lim⁡α↓0min⁡jλj\lim_{\alpha\downarrow0}\min_j\lambda_j。

III. 当 α=0\alpha=0 时,求 AnA^n 的全部元素,nn 为正整数。

Kai​

I–II​

u=(1,−1,0)T\boldsymbol u=(1,-1,0)^T は固有値 11 に対応する。 不変部分空間 x=yx=y でベクトルを (x,x,z)T(x,x,z)^T とおくと、特性方程式は (λ+1)(λ−α)−2=0(\lambda+1)(\lambda-\alpha)-2=0 となる。従って、

λ1=1,λ±=α−1±α2+2α+92.\boxed{\lambda_1=1,\quad \lambda_\pm=\frac{\alpha-1\pm\sqrt{\alpha^2+2\alpha+9}}2}.

α>0\alpha>0 では λ−<0<1<λ+\lambda_-<0<1<\lambda_+ であり、三つの固有値は互いに異なる。 α=5/2\alpha=5/2 のとき、固有値と単位固有ベクトルはすべて次の通りである。

1±(1,−1,0)T/23±(1,1,−4)T/18−3/2±(2,2,1)T/3.\boxed{\begin{array}{c|c} 1&\pm(1,-1,0)^T/\sqrt2\\ 3&\pm(1,1,-4)^T/\sqrt{18}\\ -3/2&\pm(2,2,1)^T/3 \end{array}}.

一般式から直ちに、

lim⁡α→∞λ+α=1,lim⁡α↓0λ−=−2.\boxed{\lim_{\alpha\to\infty}\frac{\lambda_+}{\alpha}=1,\qquad \lim_{\alpha\downarrow0}\lambda_-=-2}.

III​

このとき A=I−JA=I-J である。JJ は全成分が 11 の行列で、P=J/3P=J/3 は (1,1,1)T(1,1,1)^T 方向への直交射影である。 従って、

An=(I−P)+(−2)nP=I+(−2)n−13J.\boxed{A^n=(I-P)+(-2)^nP=I+\frac{(-2)^n-1}{3}J}.

すなわち対角成分は [2+(−2)n]/3[2+(-2)^n]/3、非対角成分は [(−2)n−1]/3[(-2)^n-1]/3 である。