東京大学 工学系研究科 2021年8月実施 数学2

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• Tokyo-University

Author

Miyake

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2022年度大学院入学試験問題数学 2

Kai

I.

1.

$$\begin{aligned} AB &= \begin{pmatrix} 36 & -18 & 0 \\ -18 & 54 & -18 \\ 0 & -18 & 36 \end{pmatrix} \\ &= 18 \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 3 & -1 \\ 0 & -1 & 2 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

2.

2つの $n$ 次実対称行列 $C, D$ を考え、 $CD=DC$ が成り立つとする。 また、どちらもそれぞれ $n$ 個の固有値は互いに異なるとする。

$C$ の固有値 $c$ に属する固有ベクトルを $\boldsymbol{w}$ とすると、

$$\begin{aligned} C \boldsymbol{w} &= c \boldsymbol{w} \\ CD \boldsymbol{w} &= DC \boldsymbol{w} \\ &= Dc \boldsymbol{w} \\ &= cD \boldsymbol{w} \end{aligned}$$

であり、 $D \boldsymbol{w}$ も $C$ の固有値 $c$ に属する固有ベクトルであることがわかる。 $C$ の $c$ に属する固有空間は1次元なので、

$$\begin{aligned} D \boldsymbol{w} = d \boldsymbol{w} \end{aligned}$$

と書ける。 つまり、 $\boldsymbol{w}$ は $D$ の固有ベクトルでもある。 同様にして、 $D$ の固有ベクトルは $C$ の固有ベクトルでもある。

$C$ の固有値 $c_1, c_2, \cdots, c_n$ に属する規格化された固有ベクトル $\boldsymbol{w}_1, \boldsymbol{w}_2, \cdots, \boldsymbol{w}_n$ は 互いに直交し、直交行列

$$\begin{aligned} P = \begin{pmatrix} \boldsymbol{w}_1 & \boldsymbol{w}_2 & \cdots & \boldsymbol{w}_n \end{pmatrix} \end{aligned}$$

によって $C$ は対角化される。 $\boldsymbol{w}_1, \boldsymbol{w}_2, \cdots, \boldsymbol{w}_n$ は、 $D$ の $n$ 個の互いに直交する（1次独立な）固有ベクトルでもあるので、 $P$ によって $D$ も対角化される。 つまり、 $C$ と $D$ は同時対角化可能である。

3.

$A$ の固有値を $\lambda$ とすると、

$$\begin{aligned} 0 &= \det \begin{pmatrix} 7 - \lambda & -2 & 1 \\ -2 & 10 - \lambda & -2 \\ 1 & -2 & 7 - \lambda \end{pmatrix} \\ &= - (\lambda-6)^2 (\lambda-12) \\ \therefore \ \ \lambda &= 6, 12 \end{aligned}$$

である。

$A$ の固有値 $12$ に属する固有ベクトルを求めるために、

$$\begin{aligned} \begin{pmatrix} -5 & -2 & 1 \\ -2 & -2 & -2 \\ 1 & -2 & -5 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

とおくと、 $-5x-2y+z=0, x+y+z=0, x-2y-5z=0$ であるから、例えば、

$$\begin{aligned} \boldsymbol{x}_1 = \frac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

が固有ベクトルである。

$A$ の固有値 $6$ に属する固有空間を求めるために、

$$\begin{aligned} \begin{pmatrix} 1 & -2 & 1 \\ -2 & 4 & -2 \\ 1 & -2 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

とおくと、 $x-2y+z=0$ であるから、

$$\begin{aligned} \boldsymbol{x}_2 = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix} , \ \ \boldsymbol{x}_3 = \frac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

を基底とする空間が固有空間である。

$B$ の固有値を $\mu$ とすると、

$$\begin{aligned} 0 &= \det \begin{pmatrix} 5-\mu & -1 & -1 \\ -1 & 5-\mu & -1 \\ -1 & -1 & 5-\mu \end{pmatrix} \\ &= - (\mu-3)(\mu-6)^2 \\ \therefore \ \ \lambda &= 3, 6 \end{aligned}$$

である。

上と同様に考えると、

$$\begin{aligned} \boldsymbol{y}_1 = \frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

は $B$ の固有値 $3$ に属する固有ベクトルであり、

$$\begin{aligned} \boldsymbol{y}_2 = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \end{pmatrix} , \ \ \boldsymbol{y}_3 = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

を基底とする空間が $B$ の固有値 $6$ に属する固有空間である。

よって、$\boldsymbol{x}_1$ について、

$$\begin{aligned} A \boldsymbol{x}_1 = 12 \boldsymbol{x}_1 , \ \ B \boldsymbol{x}_1 = 6 \boldsymbol{x}_1 \end{aligned}$$

が成り立ち、$\boldsymbol{y}_1$ について、

$$\begin{aligned} A \boldsymbol{y}_1 = 6 \boldsymbol{y}_1 , \ \ B \boldsymbol{y}_1 = 3 \boldsymbol{y}_1 \end{aligned}$$

が成り立つ。

さらに、 $\boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{y}_1$ に直交する規格化されたベクトルとして、

$$\begin{aligned} \boldsymbol{z} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

を考えると、

$$\begin{aligned} A \boldsymbol{z} = 6 \boldsymbol{z} , \ \ B \boldsymbol{z} = 6 \boldsymbol{z} \end{aligned}$$

が成り立つ。 つまり、6つのベクトル $\pm \boldsymbol{x}_1, \pm \boldsymbol{y}_1, \pm \boldsymbol{z}$は、規格化された同時固有ベクトルである。（これら以外にはないことは次のようにしてわかる。 $\alpha \ne 0, \beta \neq 0, \gamma \neq 0$ として、 $\alpha \boldsymbol{x}_1 + \beta \boldsymbol{y}_1$ は $A,B$ どちらの固有ベクトルでもなく、 $\alpha \boldsymbol{x}_1 + \gamma \boldsymbol{z}$ は $B$ の固有ベクトルだが $A$ の固有ベクトルではなく、 $\beta \boldsymbol{y}_1 + \gamma \boldsymbol{z}$ は $A$ の固有ベクトルだが $B$ の固有ベクトルではなく、 $\alpha \boldsymbol{x}_1 + \beta \boldsymbol{y}_1 + \gamma \boldsymbol{z}$ は $A,B$ どちらの固有ベクトルでもない。）

以上より、

$$\begin{aligned} \left( \boldsymbol{v}, a, b \right) = &\left( \frac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}, 12, 6 \right) , \ \ \left( -\frac{1}{\sqrt{6}} \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}, 12, 6 \right) , \\ &\left( \frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}, 6, 3 \right) , \ \ \left( -\frac{1}{\sqrt{3}} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}, 6, 3 \right) , \\ &\left( \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix}, 6, 6 \right) , \ \ \left( -\frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix}, 6, 6 \right) \end{aligned}$$

を得る。

II.

1.

$$\begin{aligned} A = \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 2 \\ 0 & 2 & 2 \end{pmatrix} , \ \ \boldsymbol{b} = \frac{1}{2 \sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

2.

$A$ の固有値を $\lambda$ とすると、

$$\begin{aligned} 0 &= \det \begin{pmatrix} 2-\lambda & 0 & 0 \\ 0 & 2-\lambda & 2 \\ 0 & 2 & 2-\lambda \end{pmatrix} \\ &= - \lambda(\lambda-2)(\lambda-4) \end{aligned}$$

となるので、

$$\begin{aligned} d_1 = 4, d_2 = 2, d_3 = 0 \end{aligned}$$

つまり、

$$\begin{aligned} D = \begin{pmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

である。

固有値 $d_1, d_2, d_3$ に属する規格化された固有ベクトルは、それぞれ、

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

なので、

$$\begin{aligned} P^T = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 & \sqrt{2} & 0 \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & -1 \end{pmatrix} , \ \ P = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ \sqrt{2} & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 \end{pmatrix} \end{aligned}$$

とすると、 $A = P^T DP$ となる。

3.

$$\begin{aligned} f(x,y,z) &= \begin{pmatrix} x & y & z \end{pmatrix} A \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} + 2 \boldsymbol{b}^T \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} x & y & z \end{pmatrix} P^T P A P^T P \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} + 2 \boldsymbol{b}^T P^T P \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} X & Y & Z \end{pmatrix} D \begin{pmatrix} X \\ Y \\ Z \end{pmatrix} + 2 \boldsymbol{b}^T P^T \begin{pmatrix} X \\ Y \\ Z \end{pmatrix} \\ &= 4X^2+2Y^2-Z \end{aligned}$$

4.

平面 $y-z-\sqrt{2}=0$ は次のように書き直せる：

$$\begin{aligned} \begin{pmatrix} 0 & 1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} &= \sqrt{2} \\ \begin{pmatrix} 0 & 1 & -1 \end{pmatrix} P^T \begin{pmatrix} X \\ Y \\ Z \end{pmatrix} &= \sqrt{2} \end{aligned}$$

これを整理して $Z=1$ を得る。

また、 3. で得た

$$\begin{aligned} 4X^2 + 2Y^2 - Z = 0 \end{aligned}$$

は、 $Z (\gt 0)$ を固定すると、 $X,Y$ に関する楕円の方程式であり、その面積 $S(Z)$ は、

$$\begin{aligned} S(Z) = \pi \sqrt{\frac{Z}{4}} \sqrt{\frac{Z}{2}} = \frac{\pi}{2 \sqrt{2}} Z \end{aligned}$$

である。

よって、求める体積は、

$$\begin{aligned} \int_0^1 S(Z) dZ = \frac{\pi}{2 \sqrt{2}} \int_0^1 Z dZ = \frac{\pi}{4 \sqrt{2}} \end{aligned}$$

である。