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電気通信大学 情報理工学研究科 情報・ネットワーク工学専攻 2022年8月実施 必須問題 線形代数 [1]

Author

Miyake

Description

Kai

(1)

\(A\) の固有値を \(\lambda\) とすると、

\[ \begin{aligned} 0 &= \det \begin{pmatrix} -1-\lambda & 1+a & -2 \\ 0 & 1-\lambda & 0 \\ 4 & 1-a & 5-\lambda \end{pmatrix} \\ &= (1-\lambda) \det \begin{pmatrix} -1-\lambda & -2 \\ 4 & 5-\lambda \end{pmatrix} \\ &= (1-\lambda) (\lambda^2 - 4 \lambda + 3) \\ &= -(\lambda-1)^2 (\lambda-3) \\ \therefore \ \ \lambda &= 1, 3 \end{aligned} \]

を得る。

(2)

\(A\) の最大の固有値 \(\lambda_1 = 3\) に対する固有ベクトルを求めるため、

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} -4 & 1+a & -2 \\ 0 & -2 & 0 \\ 4 & 1-a & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

とおくと、 \(y=0, 2x+z=0\) を得る。 したがって、 \(\lambda_1=3\) に対する \(A\) の固有空間は1次元であり、その基底は、例えば、

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -2 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

である。

(3)

\(\lambda_2 = 1\) であり、

\[ \begin{aligned} (\lambda_2 E - A)^2 &= 4 \begin{pmatrix} -1 & -1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 2 & 2 & 2 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

である。 この行列のランクは \(1\) なので、 \(f\) の核の次元は \(2\) であり、 \(f\) の像の次元は \(1\) であることがわかる。

(4)

\(A\) が対角化可能であるための条件は、固有値 \(\lambda_2=1\) の固有空間が2次元であることである。 固有値 \(\lambda_2 = 1\) に対する固有ベクトルを求めるため、

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} -2 & 1+a & -2 \\ 0 & 0 & 0 \\ 4 & 1-a & 4 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

とおくと、

\[ \begin{align} -2x+(1+a)y-2z = 0 \tag{a} \label{a} \\ 4x+(1-a)y+4z = 0 \tag{b} \label{b} \end{align} \]

を得る。 (\(\ref{a}\)) \(\times 2\) と (\(\ref{b}\)) の両辺を足すと、

\[ \begin{align} (a+3)y = 0 \tag{c} \label{c} \end{align} \]

を得る。

(i) \(a \ne -3\) のとき、 (\(\ref{a}\)), (\(\ref{b}\)), (\(\ref{c}\)) より \(y=0, x+z=0\) となるので、 固有値 \(\lambda_2=1\) に対する固有空間は1次元であり、 \(A\) は対角化可能でない。

(ii) \(a = -3\) のとき、 (\(\ref{a}\)), (\(\ref{b}\)), (\(\ref{c}\)) より \(x+y+z=0\) となるので、 固有値 \(\lambda_2=1\) に対する固有空間は2次元であり、 \(A\) は対角化可能である。

(i), (ii) より、 \(A\) が対角化可能であるための条件は \(a=-3\) である。

(5)

\(a=-3\) のとき、

\[ \begin{aligned} P &= \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ -1 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & -2 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

とおくと、

\[ \begin{aligned} P^{-1} &= \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0 \\ 2 & 2 & 1 \\ -1 & -1 & -1 \end{pmatrix} \\ P^{-1} A P &= \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

であり、

\[ \begin{aligned} A^n &= P \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}^n P^{-1} \\ &= P \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 3^n \end{pmatrix} P^{-1} \\ &= \begin{pmatrix} 2-3^n & 1-3^n & 1-3^n \\ 0 & 1 & 0 \\ 2 \cdot 3^n - 2 & 2 \cdot 3^n - 2 & 2 \cdot 3^n - 1 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

を得る。