東京大学工学系研究科 2020年度数学第2問

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固有値の和はトレースに等しいので、 $\alpha = 5$

固有値の積は行列式に等しいので、

\begin{aligned} -16 &= (\alpha + 2 + 2) - (1 + 1 + 4 \alpha) \\ &= - 3 \alpha + 2 \\ \therefore \ \ \alpha &= 6 \end{aligned}

$||A||=4$ ということは、 $A$ の最大固有値が $4$ ということである。

$A$ が固有値 $4$ を持つという条件は、

\begin{aligned} 0 &= \det \begin{pmatrix} 1-4 & -2 & -1 \\ -2 & 1-4 & 1 \\ -1 & 1 & \alpha-4 \end{pmatrix} \\ &= 5 \alpha - 10 \\ \therefore \ \ \alpha &= 2 \end{aligned}

である。

$\alpha=2$ のとき、 $A$ の固有値は $-1, 1, 4$ であるから、これが求める条件であることがわかる。

固有値は $-1, 2, 5$ であり、それぞれに対応する規格化された固有ベクトルは、

\begin{aligned} \boldsymbol{v}_1 = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} , \ \ \boldsymbol{v}_2 = \frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} , \ \ \boldsymbol{v}_3 = \frac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix} \end{aligned}

である。（ $-1$ 倍の不定性がある。）

与えられたベクトル $\boldsymbol{y}$ は $\boldsymbol{v}_1, \boldsymbol{v}_2$ が張る平面上にあるので、 $\boldsymbol{y}^T A \boldsymbol{y}$ の値域は $-1$ 以上 $2$ 以下の実数である。