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(1) 3次実対称行列Aを用いてf(x1, x2, x3) =txAx (x=t(x1, x2, x3))と表せ

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Academic year: 2021

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(1)

2012年度

線型代数学演習B

No. 13 問題 (発展その1)

1 次の実係数二次形式fを考える.

f(x1, x2, x3) = 5x21 + 2x22+ 5x23+ 14x1x2+ 20x1x314x2x3. (1) 3次実対称行列Aを用いてf(x1, x2, x3) =txAx (x=t(x1, x2, x3))と表せ. (2) Aの固有値と, その重複度を求めよ.

(3) 二次形式fの符号数を答えよ.

2 αを実数とし, fを次で与えられる実係数二次形式とする. f(x1, x2) =αx21+ 4x1x2+ 4αx22.

(1) 2次実対称行列Aを用いてf(x1, x2) = txAx (x=t(x1, x2))と表せ. そして,β1, β2A の固有値(これらはいずれも実数である), 2次実直交行列UtUAU =U−1AU =

β1 0 0 β2

となるものとし, U−1x = t(y1, y2)とするとき, y1, y2 を変数とする二次形式 g(y1, y2) = f(x1, x2)β1, β2を用いて表せ. なお,β1, β2の値およびUの具体的な形は求めなくてもよ い. ヒント: U は直交行列であるから, U−1 =tUである.

(2) 二次形式f(x1, x2)が正値 (x1, x2 R,t(x1, x2)= (0,0)ならばf(x1, x2)>0)となるた めのαの必要十分条件を求めよ.

(3) 小問(2)の条件を満たすαについて,D= x1

x2

R2; f(x1, x2)1

の面積をα 用いて表せ. ここで, 長軸の長さ2a, 短軸の長さ2b (a b > 0)なる楕円(a = bのときは 円)およびその内部全体の面積がπabであること,および直交変換R2 xU−1xR2 よりR2内の図形の面積は変わらないことを証明なしで用いてよい.

3 A4を次で与えられる4次実対称行列とする.

A4 =

1 1 1 1

1 2 3 4

1 3 6 10 1 4 10 20

.

(1) A4に対して, 右から基本行列を掛けて列基本変形を施し, さらに左から同じ基本行列 の転置行列を掛けて行基本変形を施す操作を繰り返すことにより,A4 =tP4

1 t0 0 A3

P4 なる4次実正則行列P4および3次実対称行列A3を与えよ.

(2) A4 =tBBとなる4次実正則行列Bを与えよ.

(3) A4が正値行列である, 即ち, 任意のx R4\ {0}についてtxA4x >0が成り立つこと を示せ.

参照

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