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第7回 行列の応用 相異なる

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Academic year: 2021

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(1)

第7回 行列の応用

相異なる

n + 1

の数

x

0

, x

1

, . . . , x

n に対して

(n + 1)

個の点

(x

0

, y

0

), (x

1

, y

1

), . . . , (x

n

, y

n

)

を通るたかだか

n

次の関数を

y = a

n

x

n

+ a

n−1

x

n−1

+ · · · + a

1

x + a

0

とすると連立方程式

a

0

+ a

1

x

0

+ a

2

x

20

+ · · · + a

n

x

n0

= y

0

a

0

+ a

1

x

1

+ a

2

x

21

+ · · · + a

n

x

n1

= y

1

· · ·

a

0

+ a

1

x

n

+ a

2

x

2n

+ · · · + a

n

x

nn

= y

n

により

n

次多項式を決定することができる. この係数行列

 

 

1 1 · · · 1 x

0

x

1

· · · x

n

... ... ... ...

x

n0

x

n1

· · · x

nn

 

 

Vandermond

の行列として可逆であることが知られている.

練習問題

(1) p(x)

をたかだか

5

次の多項式とし,

y = p(x)

のグラフが次の

6

(1, 2), (2, 3), (3, 6), (4, 7), (5, 9), (6, 11)

を通るとする. このとき

p(x)

および

p(30)

を求めよ.

(2) p(x)

をたかだか

8

次の多項式とし,

y = p(x)

のグラフが次の

9

(−8, 12), (−6, 23), (−4, 16), (−2, 23), (1, 0), (2, 23), (4, 16), (6, 23), (8, 12)

を通るとする. このとき

p(x)

および

p(7)

を求めよ.

(2)

(3) p(x)

をたかだか

17

次の多項式とし,

y = p(x)

のグラフが次の

18

(0, 85), (1, 55), (2, 37), (3, 35), (4, 45), (5, 50) (6, 59), (7, 56), (8, 49), (9, 53), (10, 57), (11, 59) (12, 55), (13, 51), (14, 44), (15, 54), (16, 61), (17, 63)

を通るとする. このとき

p(x)

および

p(25)

を求めよ.

一次独立なベクトル

x

1

= (1, 1, 0), x

2

= (1, −2, 1), x

3

= (0, 0, 1)

に対して

y

1

= 1

kx

1

k x

1

= 1

1

2

+ 1

2

+ 0

2

x

1

= ( 1

2 , 1

2 , 0)

z

2

= x

2

(x

2

, y

1

)y

1

= x

2

+ 1

2 y

1

= ( 3 2 , 3

2 , 1) y

2

= z

2

kz

2

k = 1

22 (3, −3, 2)

z

3

= x

3

(x

3

, y

1

)y

1

(x

3

, y

2

)y

2

= x

3

2

22 y

2

= ( −3 11 , 3

11 , 9 11 ) y

3

= z

3

kz

3

k = 1

11 (−1, 1, 3)

という操作によって、互いに直交する長さ1のベクトル

y

1

, y

2

, y

3 が作れます。上の 変形は一般的に

n

個の一次独立なベクトル

x

1

, x

2

, . . . , x

nに対して

y

k

= x

k

P

k−1

i=1

(x

k

, y

i

)y

i

kx

k

P

k−1

i=1

(x

k

, y

i

)y

i

k k = 1, 2, . . . n

によって互いに直交する長さ1のベクトルを作ることができます。この構成方法を グラム=シュミットの直交化法といいます。

ここで必要な計算はベクトルの和、スカラー倍、ベクトルの内積

(inner product)

とベクトルの長さ

(norm)

です。

Maple

には、

innerprod, norm

という命令があり

(3)

ますが、線形代数のパッケージのなかに

GramSchmidt

という命令があるので内積 の計算などは省略できます。

n

次元数ベクトルの

n

の互いに直交する長さ1のベクトル達を縦または横に積み 上げた行列を直交行列といいます。つまり

t

AA = I

n

= A

t

A

という関係を満たす行列のことです。特徴は、逆行列が転置行列で求められるとい うところです。

対称行列

( A =

t

A )

の固有ベクトルを

eigenvectors

で求めると、行列のサイズ 分の一次独立な固有ベクトルを見つけることができます。これは、一般的に保証さ れている定理です。また対称行列においては異なる固有値の固有ベクトルは直交す るということも知られていますのでグラム=シュミットの直交化法と組み合わせる と対称行列は直交行列で対角化できるということになります。

練習次の行列を直交行列で対角化せよ。

 

2 −1 1

−1 2 1

1 1 1

  ,

 

0 1 −1 1 0 1

−1 1 0

  ,

 

a 1 a a

a a 1 a

a a a 1

 

a

0

= 0, a

1

= −2, a

n+2

3a

n+1

+ 2a

n

= 0

という数列

{a

n

}

を考える。

a

0

, a

1 から

a

2 が定まり、

a

1

, a

2 から

a

3 と順に定まることがわかります。この一般項を求めるこ とを考えます。

x

0

= Ã

a

0

a

1

! , x

1

=

à a

1

a

2

!

, · · · x

n

= Ã

a

n

a

n+1

!

と置くと関係式

a

n+2

3a

n+1

+ 2a

n

= 0

から

A =

à 0 1

−2 3

!

, Ax

n

= x

n+1

という関係が得られます。従って

x

n

= A

n

x

0

= A

n

Ã

a

0

a

1

!

= Ã

a

n

a

n+1

!

.

(4)

となりますので

A

n を求めることによって数列の一般項が求められることになりま す。

練習次の数列の一般項を求めよ。

(1) x

n+2

5y

n+1

+ 6y

n

= 0, x

0

= 2, x

1

= −5

(2) x

n+3

4x

n+2

+ x

n+1

+ 6x

n

= 0, x

0

= −1, x

1

= 1, x

2

= 3

参照

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