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東京大学 工学系研究科 2023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=(012102223)A=\begin{pmatrix}0&1&2\\1&0&2\\2&2&3\end{pmatrix}

について、以下の問いに答えよ。

I. 異なるすべての固有値 λ1<⋯<λr\lambda_1<\cdots<\lambda_r を求めよ。

II. 各固有空間 W(λi)W(\lambda_i) を求めよ。

III. 正規直交基底 b1,b2,b3\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\boldsymbol b_3 を求めよ。ただし各ベクトルは II のいずれかの固有空間に属するものとする。

IV. スペクトル分解 A=∑i=1rλiPiA=\sum_{i=1}^r\lambda_iP_i を求めよ。ただし PiP_i は W(λi)W(\lambda_i) への射影行列とする。

V. 正整数 nn に対し AnA^n を求めよ。

题目描述​

给定实对称矩阵

A=(012102223).A=\begin{pmatrix}0&1&2\\1&0&2\\2&2&3\end{pmatrix}.

I. 求全部不同的特征值 λ1<⋯<λr\lambda_1<\cdots<\lambda_r。

II. 求各特征空间 W(λi)W(\lambda_i)。

III. 求一组标准正交基 b1,b2,b3\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\boldsymbol b_3,各向量均属于 II 中某个特征空间。

IV. 求谱分解 A=∑i=1rλiPiA=\sum_{i=1}^r\lambda_iP_i,其中 PiP_i 为向 W(λi)W(\lambda_i) 的投影矩阵。

V. 对正整数 nn,求 AnA^n。

Kai​

I、II​

det⁡(λI−A)=(λ+1)2(λ−5),\det(\lambda I-A)=(\lambda+1)^2(\lambda-5),

よって

λ1=−1,λ2=5.\boxed{\lambda_1=-1,\qquad\lambda_2=5}.

同次方程式を解くと、

W(−1)={(x,y,z)T:x+y+2z=0},W(5)=span⁡{(1,1,2)T}.\boxed{W(-1)=\{(x,y,z)^T:x+y+2z=0\},\qquad W(5)=\operatorname{span}\{(1,1,2)^T\}}.

III​

例えば次のように取れる。

b1=12(1,−1,0)T,b2=13(1,1,−1)T,b3=16(1,1,2)T.\boxed{\boldsymbol b_1=\frac1{\sqrt2}(1,-1,0)^T,\quad \boldsymbol b_2=\frac1{\sqrt3}(1,1,-1)^T,\quad \boldsymbol b_3=\frac1{\sqrt6}(1,1,2)^T}.

最初の二つは W(−1)W(-1)、最後は W(5)W(5) に属し、互いに直交してノルムはすべて 11 である。

IV、V​

P2=b3b3T=16(112112224),P1=I−P2=16(5−1−2−15−2−2−22).P_2=\boldsymbol b_3\boldsymbol b_3^T=\frac16\begin{pmatrix}1&1&2\\1&1&2\\2&2&4\end{pmatrix},\qquad P_1=I-P_2=\frac16\begin{pmatrix}5&-1&-2\\-1&5&-2\\-2&-2&2\end{pmatrix}.

よって

A=−P1+5P2.\boxed{A=-P_1+5P_2}.

Pi2=PiP_i^2=P_i、P1P2=P2P1=0P_1P_2=P_2P_1=0 より、

An=(−1)n6(5−1−2−15−2−2−22)+5n6(112112224).\boxed{A^n=\frac{(-1)^n}{6}\begin{pmatrix}5&-1&-2\\-1&5&-2\\-2&-2&2\end{pmatrix} +\frac{5^n}{6}\begin{pmatrix}1&1&2\\1&1&2\\2&2&4\end{pmatrix}}.