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東京大学 数理科学研究科 数理科学専攻 2022年度 専門科目 A 第1問

Author

Miyake

Description

\(x\) を変数とする次数 \(2\) 以下の実係数多項式全体のなす実線型空間を \(V\) とする。\(a,b\) を実数とし、線型写像 \(S,T: V \rightarrow V\)

\[ S(f(x)) = \frac{d}{dx} ((ax+2)f(x)), \ T(f(x))=(bx+3) \frac{d}{dx} f(x) \ \ \ (f(x) \in V) \]

と定める。

(1) \(S\) を対角化する \(V\) の基底が存在するための \(a\) に対する必要十分条件を求めよ。

(2) \(S,T\) 同時に対角化する \(V\) の基底が存在するための \(a,b\) に対する必要十分条件を求めよ。

Kai

(1)

\(V\) は3次元であり、 \(1, x, x^2\) はその基底である。

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} S(1) & S(x) & S(x^2) \end{pmatrix} &= \begin{pmatrix} a & 2ax+2 & 3ax^2+4x \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 1 & x & x^2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a & 2 & 0 \\ 0 & 2a & 4 \\ 0 & 0 & 3a \end{pmatrix} \end{aligned} \]

なので、 \(V\) の基底 \(1,x,x^2\) に関する \(S\) の表現行列は

\[ \begin{aligned} \tilde{S} &= \begin{pmatrix} a & 2 & 0 \\ 0 & 2a & 4 \\ 0 & 0 & 3a \end{pmatrix} \end{aligned} \]

である。 よって、 \(S\) の固有値を \(s\) とすると、

\[ \begin{aligned} 0 &= \det \begin{pmatrix} a-s & 2 & 0 \\ 0 & 2a-s & 4 \\ 0 & 0 & 3a-s \end{pmatrix} \\ &= (a-s)(2a-s)(3a-s) \end{aligned} \]

である。

(i) \(a \ne 0\) のときは、 \(S\) には相異なる3つの固有値 \(a,2a,3a\) があるので、 \(S\) は対角化可能である。

(ii) \(a=0\) のときは、 \(S\) の固有値は \(0\) のみである。 \(S\) の固有値 \(0\) に属する固有空間を求めるため

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 2 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} u \\ v \\ w \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

とおくと、 \(u=v=0\) を得るので、固有空間は1次元であることがわかる。 よって、この場合は \(S\) は対角化可能でない。

(i), (ii) より、求める必要十分条件は \(a \ne 0\) である。

(2)

(1) と同様に考えると、 \(V\) の基底 \(1,x,x^2\) に関する \(T\) の表現行列は

\[ \begin{aligned} \tilde{T} &= \begin{pmatrix} 0 & 3 & 0 \\ 0 & b & 6 \\ 0 & 0 & 2b \end{pmatrix} \end{aligned} \]

であることがわかり、 \(T\) の固有値を \(t\) として

\[ \begin{aligned} 0 &= \det \begin{pmatrix} -t & 3 & 0 \\ 0 & b-t & 6 \\ 0 & 0 & 2b-t \end{pmatrix} \\ &= -t(b-t)(2b-t) \end{aligned} \]

であることがわかり、 \(T\) が対角化可能であるための必要十分条件は \(b \ne 0\) であることがわかる。

\(S,T\) が同時対角化可能であるためには、 \(S,T\) のそれぞれが対角化可能である必要があり、 \(a \ne 0\) かつ \(b \ne 0\) でなければならない。

さらに、

\[ \begin{aligned} \tilde{S} \tilde{T} &= \begin{pmatrix} 0 & 6a & 12 \\ 0 & 2ab & 18a+4b \\ 0 & 0 & 6ab \end{pmatrix} , \\ \tilde{T} \tilde{S} &= \begin{pmatrix} 0 & 3a+2b & 12 \\ 0 & 2ab & 12a+8b \\ 0 & 0 & 6ab \end{pmatrix} \end{aligned} \]

なので、

\(\tilde{S} \tilde{T} = \tilde{T} \tilde{S}\) となるのは \(3a=2b\) のときである。

以上より、求める必要十分条件は、 \(a \ne 0\) かつ \(3a=2b\) である。