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行列の三角化・対角化 演習問題2

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Academic year: 2024

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(1)

熊本大学 数理科学総合教育センター

行列の三角化・対角化 演習問題2

問題 1. 行列*1

A =

3 1 2 0 2 2 0 0 1

について,以下の問に答えよ.

(i) Aの固有値をすべて求め,各固有空間の基底をそれぞれ1組求めよ.

(ii) Aは対角化可能である.その理由を答えよ.

(iii) Aを対角化する行列P,すなわちP1AP が対角行列となるような正則行列P を求め,A を対角化せよ.

(iv) kを自然数とするとき,Ak を求めよ.

解答. (i) 固有多項式は

|A−λI|=

3−λ 1 2

0 2−λ 2

0 0 1−λ

=(λ−3)(λ−2)(λ+ 1)

となり,固有値は固有方程式|A−λI| = 0の解であったからA の固有値はλ = 3,2,−1

(すべて重複度1).

固有値λに対するAの固有空間をWλ とおく.Wλ

Wλ ={xR3|Ax=λx}={xR3|(A−λI)x=o} であるから,同次連立1次方程式(A−λI)x=oの解空間と等しい.また,

A−3λ =

0 1 2 0 1 2 0 0 4

→ · · · →

0 1 0 0 0 1 0 0 0

と変形されるから(A−3I)x=oの解は

x=c

1 0 0

 (cは任意定数)

とわかる.よって

W3 =



c

1 0 0

c∈R



=

*

1 0 0

 +

.

さらに容易にc



 1 0 0



=o ⇒c= 0とわかるので,









 1 0 0









は1次独立とわかる.以上より









 1 0 0









W3 の1組の基底である.

*1行列の三角化・対角化 演習問題1(1)の行列と同じである.

1

(2)

熊本大学 数理科学総合教育センター 同様にしてW2, W1 の1組の基底はそれぞれ



 1

1 0



,



 1 2

3



 とわかる(詳細はW3の議論を参考に解いてみよ).

(ii) Aは3次正方行列で,3つの相異なる固有値をもつのでAは対角化可能である.

(iii) Aの各固有空間の基底をなす固有ベクトルを列に並べてできる行列

P =

1 1 1 0 1 2 0 0 3

を考えると,これは正則行列となり

P1AP =

3 0 0 0 2 0 0 0 1

.

(iv)

P1AP =

3 0 0 0 2 0 0 0 1

であって,

(P1AP)k= (P1AP)(P1AP)· · ·(P1AP)

| {z }

k

=P1A(P P1)A(P P1)· · ·A(P P1)

| {z }

k−1

AP

=P1AkP.

であり, 

3 0 0 0 2 0 0 0 1

k

=

3k 0 0 0 2k 0 0 0 (1)k

D= [dij], D = [dij]をn次の対角行列とするとき,=j ⇒dij =dij = 0であるから

(DDの(i, j)成分) = Xn =1

dikdkj = (

diidii (i =j) 0 (i ̸=j) とわかる.すなわちDD も対角行列で

DD =





d11d11 0 · · · 0 0 d22d22 · · · 0 ... ... . .. ... 0 0 · · · dnndnn





となることからわかる)となるので

P1AkP =

3k 0 0 0 2k 0 0 0 (1)k

, すなわち Ak =P

3k 0 0 0 2k 0 0 0 (1)k

P1 2

(3)

熊本大学 数理科学総合教育センター を得る.

P1 = 1 3

3 3 3 0 3 2 0 0 1

とわかるから

Ak =P

3k 0 0 0 2k 0 0 0 (1)k

P1 =

1 1 1 0 1 2 0 0 3

3k 0 0 0 2k 0 0 0 (1)k

1 3

3 3 3 0 3 2 0 0 1

= 1 3

3k+1 3k+13·2k 3k+1 2k+1+ (1)k+1 0 3·2k 2k+1+ 2(1)k+1

0 0 3(1)k+1

.

補足 An 次正方行列とし,λ1, λ2,· · ·, λrA の相異なる固有値でそれぞれ重複度が n1, n2,· · · , nr とする(r ≤n, n1 +n2+· · ·+nr =nであることに注意せよ).このときすべて の1≤i≤rについて

1dimWλi ≤ni

が成り立つ.Aが対角化可能となることの必要十分条件はすべての1≤i≤rについて dimWλi =ni

が成り立つことである.とくにもしAが相異なるn個の固有値をもつならば,r =n,n1 =n2 =

· · ·=nr = 1の場合であるから,各1≤i≤nについて

1dimWλi ≤ni = 1, すなわち dimWλi =ni = 1 が成り立つので,Aは対角化可能である.

3

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