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京都大学 理学研究科 数学・数理解析専攻 2024年度 基礎科目 [1] ~[3]

Author

Miyake

Description

[2]

\(a\) を実数とし, 実 \(2 \times 4\) 行列 \(A, B\)

\[ A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & a & a+1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \end{pmatrix}, \ \ \ B = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 & 1 \\ -1 & 3 & 3-a & 0 \end{pmatrix} \]

と定める. これらを用いて, 線形写像 \(f: \mathbb{R}^4 \rightarrow \mathbb{R}^2\), \(g: \mathbb{R}^4 \rightarrow \mathbb{R}^2\)\(f(x) = Ax\), \(g(x) = Bx \ \ (x \in \mathbb{R}^4 )\) と定義する. このとき,

\[ \text{dim}(\text{Ker}(f) \cap \text{Ker}(g)),\ \text{dim}(\text{Ker}(f) + \text{Ker}(g)) \]

を求めよ.

Kai

[2]

\(\mathrm{Ker}(f)\) を求めるため

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} 1 & 0 & a & a+1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \alpha \\ \beta \\ \gamma \\ \delta \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

とおくと、

\[ \begin{aligned} \alpha &= -a \gamma - (a+1) \delta , \\ \beta &= - \gamma - \delta \end{aligned} \]

となるので、

\[ \begin{aligned} u_1 = \begin{pmatrix} -a \\ -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} , \ \ u_2 = \begin{pmatrix} -(a+1) \\ -1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

\(\mathrm{Ker}(f)\) の基底であることがわかる。

また、 \(\mathrm{Ker}(g)\) を求めるため

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 & 1 \\ -1 & 3 & 3-a & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \alpha \\ \beta \\ \gamma \\ \delta \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

とおくと、

\[ \begin{aligned} \delta &= - \gamma , \\ \alpha &= 3 \beta + (3-a) \gamma \end{aligned} \]

となるので、

\[ \begin{aligned} v_1 = \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} , \ \ v_2 = \begin{pmatrix} 3-a \\ 0 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

\(\mathrm{Ker}(g)\) の基底であることがわかる。

そこで、実数 \(r,s,t\) について \(r u_1 = s v_1 + t v_2\) が成り立つとすると \(r=s=t=0\) を得るので、 \(u_1 \notin \mathrm{Ker}(g)\) がわかる。

同様に、 \(r u_2 = s v_1 + t v_2\) が成り立つとすると \(r=s=t=0\) を得るので、 \(u_2 \notin \mathrm{Ker}(g)\) もわかる。

よって、

\[ \begin{aligned} \mathrm{dim} \left( \mathrm{Ker}(f) \cap \mathrm{Ker}(g) \right) &= 0 , \\ \mathrm{dim} \left( \mathrm{Ker}(f) + \mathrm{Ker}(g) \right) &= 4 \end{aligned} \]

がわかる。