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九州大学 工学府 量子物理工学専攻 2022年度 数学 問題1

Author

Miyake

Description

Kai

[1]

(1) (2)

\[ \begin{aligned} A = \frac{1}{3} B , \ \ B = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 2 \\ -1 & 3 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

である。

\(B\) の固有値を \(b\) とすると

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

である。

\(B\) の固有値 \(b=-1\) に属する固有ベクトルを求めるため

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

とおくと、 \(x=2y,x+z=0\) となる。

\(B\) の固有値 \(b=2\) に属する固有ベクトルを求めるため

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

とおくと、 \(x=2z,y=z\) となる。

\(B\) の固有値 \(b=3\) に属する固有ベクトルを求めるため

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} -2 & 0 & 2 \\ -1 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & -3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

とおくと、 \(x=z=0\) となる。

そこで、

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

とおくと、

\[ \begin{aligned} \det P &= -6 \\ P^{-1} &= - \frac{1}{6} \begin{pmatrix} -1 & 0 & 2 \\ -2 & 0 & -2 \\ 3 & -6 & 0 \end{pmatrix} \\ &= \frac{1}{6} \begin{pmatrix} 1 & 0 & -2 \\ 2 & 0 & 2 \\ -3 & 6 & 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

であり、

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

が成り立つ。

(3)

\[ \begin{aligned} \lim_{n \to \infty} A^n &= \lim_{n \to \infty} P \left( P^{-1} A P \right)^n P^{-1} \\ &= \lim_{n \to \infty} P \begin{pmatrix} \left( - \frac{1}{3} \right)^n & 0 & 0 \\ 0 & \left( \frac{2}{3} \right)^n & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} P^{-1} \\ &= P \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} P^{-1} \\ &= \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ - \frac{1}{2} & 1 & 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

[2]

(1)

\[ \begin{aligned} \iint_R \left( 1 - x^2 - y^2 \right) dx dy &= \int_0^{2 \pi} d \theta \int_0^1 dr \ r \left( 1 - r^2 \right) \ \ \ \ \ \ \ \ ( x = r \cos \theta, y = r \sin \theta ) \\ &= 2 \pi \left[ \frac{r^2}{2} - \frac{r^4}{4} \right]_0^1 \\ &= \frac{\pi}{2} \end{aligned} \]

(2)

\(0 \leq t \leq a\) として、 3点 \((t,0,0),(0,t,0),(0,0,t)\) を頂点とする正三角形を考えると、 この三角形上の点 \((x,y,z)\) について \(x+y+z=t\) であり、 この三角形の面積は

\[ \begin{aligned} S(t) = \frac{\sqrt{3}}{2} t^2 \end{aligned} \]

である。 よって、

\[ \begin{aligned} \iiint_R \left( x+y+z \right) dx dy dz &= \int_0^a t S(t) dt \\ &= \frac{\sqrt{3}}{2} \int_0^a t^3 dt \\ &= \frac{\sqrt{3}}{2} \left[ \frac{t^4}{4} \right]_0^a \\ &= \frac{\sqrt{3}}{8} a^4 \end{aligned} \]

である。

[3]