だいぶ考えたんですけど、わからないんで解説付きで教えて下さい。
n次正方行列A,BがAB=BAを満たす時,次の事を証明せよ。
1)Aの固有ベクトルはBの固有ベクトルである。
2)ABとBAの固有値は等しい。
1)はまったくわからないんです。2)はABとBAは同じなんじゃないのかなって思うんですけど、違うんですかね?

A 回答 (2件)

1)は私も分かりません



2)「AとBがA・B=B・Aとは限らないn次正方行列であるときA・Bの固有値とB・Aの固有値は等しい」ことを証明せよ

証明:
・Aが正則であるとき
λを複素数の変数とする
(B・A-λ・E)=A^(-1)・(A・B-λ・E)・Aであるから
|B・A-λ・E|=|A|^(-1)・|A・B-λ・E|・|A|=|A・B-λ・E|
従ってA・Bの固有多項式とB・Aの固有多項式が一致するので明白
・Bが正則であるとき
同様に明白
・Aが正則でなくBが正則でないとき
|A・B-0・E|=|A・B|=0であるからA・Bは固有値0を持つ
|B・A-0・E|=|B・A|=0であるからB・Aは固有値0を持つ
すなわち0はA・Bの固有値であり0はB・Aの固有値である
λ(≠0)をA・Bの固有値としv(≠0)をλに対応する固有ベクトルとする
このとき(A・B)・v=λ・vである
B・v=0とするとv=(A・B)・v/λ=A・(B・v)/λ=0だからB・v≠0
一方(B・A)・(B・v)=B・((A・B)・v)=B・(λ・v)=λ・(B・v)
B・v≠0だからλはB・Aの固有値である
すなわちλがA・Bの固有値ならばλはB・Aの固有値である
同様にしてλがB・Aの固有値ならばλはA・Bの固有値である
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この回答へのお礼

わかりました。つまり、AB=BAでなくてもABとBAの固有値は等しくなるんですね。ありがとうございました。

お礼日時:2002/03/03 11:24

1)について、ものすごく荒っぽい「式いじり」だけしてみました。

議論の詳細は私にはよくわかんないです。ごめんなさい。
もちろん、「自信なし」です。

Aの固有値aに対する固有ベクトルをvとおく。
すなわち、Av=av, v≠0
条件式の右からvをかけて、ABv=BAv=B(av)=aBv
これにより、BvはAの固有値aに対する固有ベクトルであるといえる?
(Bv≠0なら・・・)
すなわちBv=bvといえる?(Aの固有値が重解じゃなければ・・・固有値とその固有ベクトルは1対1対応してるんじゃないかと思うんですが・・・)
すなわちvはBの固有ベクトルでもある。■
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この回答へのお礼

ANo.#1をみると、Bv=0にはならないなので、BvはAの固有値aに対する固有ベクトルであるといえますよね。こういうやり方は思いつきませんでした、ありがとうございました。

お礼日時:2002/03/03 11:36

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Q微分方程式の解法

こんにちは。微分方程式で分からない問題があります。

y=(dx/dy)x+4(dx/dy)^2

という問題がわからなくて困っています。

自分が微分方程式を解くときは完全にパターンで解いているのですがその中で(dx/dy)^2というものは見たことがありません。

右辺の二項目が「d^2y/dx^2」なら二階微分方程式に当てはめれば解けるのですが、「(dx/dy)^2」と「d^2y/dx^2」は違うものですよね?(まず、違うということが正しいのかが微妙です)では、この場合はどうやって解けばいいのでしょうか。

よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

dx/dyがdy/dxの書き間違いだという前提でお答えします。

(dy/dx)^2とは、yをxで微分したものを2乗したものです。
たとえばy=x^2+xとすると
dy/dx=2x+1
(dy/dx)^2=(2x+1)^2=4x^2+4x+1
ということです。

y=(dy/dx)x+4(dy/dx)^2
この微分方程式は両辺をxで微分してみると良いでしょう。

QA・B=B・AならばAの固有ベクトルはBの固有ベクトルである

A,Bをそれぞれn次正方行列とする
命題1:
「A・B=B・AのときAの固有ベクトルはBの固有ベクトルである」
これは反証がすぐに得られるので偽である
命題2:
「A・B=B・AでありAの任意の固有値に対する固有ベクトル空間が1次元のときAの固有ベクトルはBの固有ベクトルである」
kony0氏の証明より
vをAの固有ベクトルとしたときaを適当な複素数としてA・v=a・v
一方A・(B・v)=(A・B)・v=B・(A・v)=B・(a・v)=a・(B・v)
従ってB・vはAの固有値aの1次元固有ベクトル空間に含まれるから
適当な複素数bが存在してB・v=b・v

命題1に代わる真の命題があれば証明付きで教えてください

Aベストアンサー

元の表記は、
「二つのエルミート行列が同一のユニタリー変換によって対角化される
ことの必要十分条件は、それらが可換であることである。」
で、質問に沿うように私が書き換えました。

> 「A、Bがエルミート行列で、A・B=B・A(可換)ならば、Aの
> 固有ベクトルとBの固有ベクトルを共通にとることができる。」
> 意味は
> 「A、Bがエルミート行列で、A・B=B・A(可換)ならば、Aの
> 固有ベクトルであってBの固有ベクトルであるものが存在する」
> ですか?

このあたり、誤解を招く言い方ですみません。
固有ベクトルは対角化したときのユニタリー行列の列ベクトルに
なっているのですから、同一のユニタリー変換で対角化されると
いうことは、同じ固有ベクトルの(こういう言い方がいいのかどうか)
セットが存在します。こういう意味なのですが、わかりますでしょうか。

> 「Aの固有値の数とAの固有ベクトル空間の次元」と
> 「Bの固有値の数とBの固有ベクトル空間の次元」に対する関わりは
> ないのですか?

A、Bとも、固有値の数はn、固有ベクトル空間の次元もnです。
固有値の数は、縮退(重根がある場合)していても数えています。

> もっと一般的に
> 「A・B=B・AならばλをAの任意の固有値としたときλを
> 固有値とするAの固有ベクトルであってBの固有ベクトルである
> ベクトルが存在する」
> は正しくないですか?

んー、そこは私にはわかりません。

昔、量子力学を勉強したのを復習しつつ書いていますので、
間違いがあるかもしれません。
一応「自身なし」としておきます。

元の表記は、
「二つのエルミート行列が同一のユニタリー変換によって対角化される
ことの必要十分条件は、それらが可換であることである。」
で、質問に沿うように私が書き換えました。

> 「A、Bがエルミート行列で、A・B=B・A(可換)ならば、Aの
> 固有ベクトルとBの固有ベクトルを共通にとることができる。」
> 意味は
> 「A、Bがエルミート行列で、A・B=B・A(可換)ならば、Aの
> 固有ベクトルであってBの固有ベクトルであるものが存在する」
> ですか?

このあたり、...続きを読む

Q固有値と固有ベクトル・重解を解に持つ場合の解法

以前質問させていただいたのですが、教科書に固有値が重解の場合の固有ベクトルを求める解法が省かれていて理解できませんでした。
問題はこんな感じです。
2×2行列式A
A=
|1 -1|
|4 -3|
の固有値と固有ベクトルを求めよ。
(自分の解法)
まず
与式=
|1-t -1|
|4 -3-t|
サラスの方法で展開し、
(1-t)(-3-t) - (-1)・4
=t^2 + 2t 1
=(t+1)^2
となるので固有値をλ1,λ2として、
λ1=-1,λ2=-1
(ここまではできたのですが、解が重解になってしまいました。固有ベクトルを求める方法ができなくてこまってます。)

固有値λ1=λ2=-1より、求めるベクトルをx=t[x1,x2]とすると
A=
|1-(-1) -1 |
|4 -3-(-1)|
=
|2 -1|
|4 -2|
よって
2x1-x2 = 0
4x1-2x2 = 0
この二つは同一方程式より、x1 = 2x2
任意の定数αをもちいてx1 = αとすれば、
x = αt[1,2]

しかし、答えには、
x1 = αt[1,2]
x2 = βt[1,2] + αt[0,-1]

とありました。なぜなでしょう?
参考にしたページなんかを載せてくれるとありがたいです。

ちなみにこんな問題もありました。
A=
|0 0 1|
|0 1 0|
|-1 3 2|

これは固有値がすべて1になる場合です。
これも解法がのってませんでした。

以前質問させていただいたのですが、教科書に固有値が重解の場合の固有ベクトルを求める解法が省かれていて理解できませんでした。
問題はこんな感じです。
2×2行列式A
A=
|1 -1|
|4 -3|
の固有値と固有ベクトルを求めよ。
(自分の解法)
まず
与式=
|1-t -1|
|4 -3-t|
サラスの方法で展開し、
(1-t)(-3-t) - (-1)・4
=t^2 + 2t 1
=(t+1)^2
となるので固有値をλ1,λ2として、
λ1=-1,λ2=-1
(ここまではできたのですが、解が重解になってしまいました。固有ベクトルを求める方法ができなくて...続きを読む

Aベストアンサー

重解であろうがどうであろうが,求める方法は同じだから
わざわざ取り上げることはないという話でしょう.

No.1さんと同様,記号の混乱があるので
「参考書」やらが間違ってるのか,質問者の転記ミスなどかは
分かりませんが,
>とありました。なぜなでしょう?
答えを確かめましたか?
本当にその「解答」があってますか?
大学の数学の本なんて結構間違い多いですよ.

ちなみに・・・λが固有値のとき
(A-λI)x = 0 の解空間が固有空間です.
これは線型写像 A-λI のカーネル Ker(A-λI) だから
n次の正方行列を相手にしてる場合は
n=dim(Im(A-λI))+dim(Ker(A-λI))
=rank(A-λI) + dim(Ker(A-λI))
だから
固有空間の次元
= dim(Ker(A-λI))
= n - rank(A-λI)

したがって,
A=
|1 -1|
|4 -3|
のとき,λ=-1とすれば
A-λI= <<<--- 質問者はここを書き間違えている
|1-(-1) -1 |
|4 -3-(-1)|
=
|2 -1|
|4 -2|
だから,rank(A-λI)=1
よって,固有空間は1次元
だから,本質的に(1,2)以外に固有ベクトルはないのです.
(0,-1)が固有ベクトルではないことは容易に確認できます.

A=
|0 0 1|
|0 1 0|
|-1 3 2|
の場合も同様.A-λIのランクを計算すれば2だから
固有空間の次元は1で,計算すれば(1,0,1)を固有ベクトルと
すればよいことが分かります.

重解であろうがどうであろうが,求める方法は同じだから
わざわざ取り上げることはないという話でしょう.

No.1さんと同様,記号の混乱があるので
「参考書」やらが間違ってるのか,質問者の転記ミスなどかは
分かりませんが,
>とありました。なぜなでしょう?
答えを確かめましたか?
本当にその「解答」があってますか?
大学の数学の本なんて結構間違い多いですよ.

ちなみに・・・λが固有値のとき
(A-λI)x = 0 の解空間が固有空間です.
これは線型写像 A-λI のカーネル Ker(A-λI) だから
n...続きを読む

Q正定値行列は正則行列

らしいのですが、証明法が思いつきません。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

NO.1です。
>行列式がその固有値の積となる
がわかりませんでした。
とのことですが、
行列Aは適当な行列Pを取るとP^{-1}APがジョルダン標準形に変形することが出来ます。Det(P^{-1}AP)=DetAであり、Det{P^{-1}AP)は対角成分をかけたものであり、対角成分はAの固有値と一致します。

Qジョルダン標準形ってなんのため?

線形代数の本を読んでいると、後ろのほうにジョルダン標準形がでてきます。
書いてあることをなぞることはなんとかできるのですが、固有値の次にいきなり前触れもなく現れるので、これが
・どういう(歴史的)要請・経由で
・何のために
現れたのかがわかりません。

ジョルダン標準形の本質は何でしょうか?

Aベストアンサー

ジョルダンは線形代数の最終関門でこの証明を一度は理解していたほうがいいでしょう
証明は灯台出版から単行本が出ていて何種類か乗っています
私は単因子(あるいは行列子因子)による方法を一度は理解しましたが忘れました
でも必要があれば読み返せばすぐに思い出せるようにはなっています
定理は簡単なのですが重要です
制御理論で使います
ジョルダンの標準形は正則行列で対角化できない行列を準対角行列に分解するものです
x(t)を要素がtの関数の列ベクトルとし
Aを要素が定数の正方行列とし
v(t)を要素がtの関数の列ベクトルとし
x’(t)=A・x(t)+v(t)としたときに
正則行列PによってP^(-1)・A・Pが対角行列になるならば
x(t)を簡単に求めることができます
しかし正則行列PによってP^(-1)・A・Pが対角行列にならなくても
正則行列PによってP^(-1)・A・Pがジョルダンの標準形になれば
少し複雑になりますが簡単にx(t)を求めることができます
本質が何打という質問は何回で答えることができる人はいないのでは?

ジョルダンは線形代数の最終関門でこの証明を一度は理解していたほうがいいでしょう
証明は灯台出版から単行本が出ていて何種類か乗っています
私は単因子(あるいは行列子因子)による方法を一度は理解しましたが忘れました
でも必要があれば読み返せばすぐに思い出せるようにはなっています
定理は簡単なのですが重要です
制御理論で使います
ジョルダンの標準形は正則行列で対角化できない行列を準対角行列に分解するものです
x(t)を要素がtの関数の列ベクトルとし
Aを要素が定数の正方行列とし
...続きを読む

Q行列の正定・半正定・負定

行列の正定・半正定・負定について自分なりに調べてみたのですが、
イマイチ良くわかりません。。。
どなたか上手く説明していただけないでしょうか?
過去の質問の回答に

>cを列ベクトル、Aを行列とする。
>(cの転置)Ac>0
>となればAは正定値といいます。
>Aの固有値が全て正であることとも同値です。

とあったのですが、このcの列ベクトルというのは
任意なのでしょうか?
また、半正定は固有値に+と-が交じっていて、
負定は固有値が-のみなのですか?

どなたかお願いしますorz

Aベストアンサー

まず、行列の正定・半正定・負定値性を考えるときは、
行列は対称行列であることを仮定しています。
なので、正確な定義は、

定義 n次正方 "対称" 行列 A が正定値行列であるとは、
『ゼロベクトルではない任意の』n次元(列)ベクトル c に対して、
(cの転置)Ac>0
となることである。

です。

対称行列Aが正定値なら、その固有値はすべて正です。
(cとして固有ベクトルをとってみればよいでしょう。)
逆に、対称行列Aの固有値がすべて正なら、Aは正定値行列です。

ただし、対称行列ではないAの固有値がすべて正だからといって、
(cの転置)Ac>0とは限りません。
例えば、
A =
[ 1 4 ]
[ 0 1 ]
とすると、Aは対称行列ではなく、固有値は1です。
しかし、
(cの転置) = [ 1, -2]
とすると、
(cの転置)Ac = -3 < 0
となってしまいます。(実際に計算して確かめてください。)
なので、行列Aが対称行列であるという条件はとても重要です。

また、半正定値の定義は、上の定義で
『ゼロベクトルではない任意の』 --> 『任意の』
と書き直したものです。
このとき、半正定値行列の固有値はすべて0以上です。(つまり0も許します。)
逆に、対称行列の固有値がすべて0以上なら、その行列は半正定値です。

さらに、負定値の定義は、『ゼロではない任意の』ベクトルcに対して
(cの転置)Ac<0
となることです。
固有値についてはもうわかりますね。

まず、行列の正定・半正定・負定値性を考えるときは、
行列は対称行列であることを仮定しています。
なので、正確な定義は、

定義 n次正方 "対称" 行列 A が正定値行列であるとは、
『ゼロベクトルではない任意の』n次元(列)ベクトル c に対して、
(cの転置)Ac>0
となることである。

です。

対称行列Aが正定値なら、その固有値はすべて正です。
(cとして固有ベクトルをとってみればよいでしょう。)
逆に、対称行列Aの固有値がすべて正なら、Aは正定値行列です。

ただし、対称行列...続きを読む

Q積分で1/x^2 はどうなるのでしょうか?

Sは積分の前につけるものです
S dx =x
S x dx=1/2x^2
S 1/x dx=loglxl
まではわかったのですが
S 1/x^2 dx
は一体どうなるのでしょうか??

Aベストアンサー

まず、全部 積分定数Cが抜けています。また、積分の前につけるものは “インテグラル”と呼び、そう書いて変換すれば出ます ∫

積分の定義というか微分の定義というかに戻って欲しいんですが
∫f(x)dx=F(x)の時、
(d/dx)F(x)=f(x)です。

また、微分で
(d/dx)x^a=a*x^(a-1)になります …高校数学の数3で習うかと
よって、
∫x^(a-1)dx=(1/a)*x^a+C
→∫x^adx={1/(a+1)}*x^(a+1)+C
となります。

つまり、
∫1/x^2 dx=∫x^(-2)dx
={1/(-2+1)}*x^(-2+1)+C
=-x^(-1)+C
=-1/x+C

です。

Qエルミート行列の固有値

エルミート行列の固有値は必ず実数になることはどうやって示せますか。

Aベストアンサー

どこの教科書にも載ってるような話だけど、
本で調べなかったの?

行列 A の転置共役を A* と書くことにする。
行列 H がエルミートであるとは、H* = H のこと。

H の固有値 λ に属する固有ベクトルを x と置く。
(x*)Hx = (x*)(Hx) = (x*)λx = λ(x*)x.
また、
(x*)Hx = (x*)(H*)x = ((Hx)*)x = ((λx)*)x = (λ*)(x*)x.
固有ベクトル x は零ベクトルではないから、
λ(x*)x = (λ*)(x*)x の両辺を (x*)x で割って、
λ = λ*. これは、λ の共役が λ と等しいこと、
つまり、λ が実数であることを示している。

Q大学院の面接(口述)試験について

2週間後に大学院の試験を受けます。
そこで、2つ質問があるのでご教授ください。

ちなみに、大学→他大学院(専攻も変わります)です。

まず、どのような質問がされるか教えてください。
過去ログを見て

・志望理由
・なぜ、専攻を変えたか
・なぜ、この大学か

などが聞かれると書いてありました。
他にはどのようなことが聞かれるのでしょうか?
時間は、大体20分あるのでたくさん質問されると思うのですが・・・。


次に、自己PRや志望理由等で一言一句暗記してそのまま言うのは印象が悪いとあったのですが、これはどうなのでしょうか。
たしかに、自分が面接官で暗記したのを言われたらあまりよい印象はもてないと思います。
しかし、自己PRや志望理由は暗記しかないと思うのです。

以上、2つお願いします

Aベストアンサー

大学院で専攻が変わりましたので、参考にして下さい。
時間は20分、面接官は3~4人でした。

まず聞かれたのが志望理由ですが、願書と一緒に小論文として志望理由を書いていましたので、その内容を話しました。
もちろん、一言一句暗記ではありませんが、内容(というか、あらすじ)は小論文と同じです。
先生方は小論文を読みながら聞いていました。
多分、書いてある内容と言っている内容が違った場合はここで突っ込まれるのだと思いました。
丸暗記でない点は、詳しく書かなかった部分を補足して説明したり、書いてあるとおりの内容は割愛して説明した点です。

・志望理由
・なぜ、専攻を変えたか
・なぜ、この大学か
以外で聞かれたことですが、卒業研究の内容と、これからやりたい分野の知識を聞かれました。

卒業研究の内容はこれからの分野とはあまり関係がない分野でしたが、「ちゃんと理解してやっているか」を見られたのだと思います。
自分が分かっていなければ、分野の違う先生方に説明することはできませんので。
これについては、「卒業研究の先生の前で後輩に説明する」という場面を想像して練習しました。
(専門家にも分野の違う人にも分かってもらうため)

これからやりたい分野の知識は、小論文の中で分かりにくい点があったため、突っ込まれました。
そのように書いた根拠(ある文献の名前)を出したので、結果としては「それだけ勉強している」と取られたようです。

大学院で専攻が変わりましたので、参考にして下さい。
時間は20分、面接官は3~4人でした。

まず聞かれたのが志望理由ですが、願書と一緒に小論文として志望理由を書いていましたので、その内容を話しました。
もちろん、一言一句暗記ではありませんが、内容(というか、あらすじ)は小論文と同じです。
先生方は小論文を読みながら聞いていました。
多分、書いてある内容と言っている内容が違った場合はここで突っ込まれるのだと思いました。
丸暗記でない点は、詳しく書かなかった部分を補足して説...続きを読む

Q2階微分d^2y/dx^2を詳しく教えてください

微分=傾き=tanθ=dy/dxと言うのは入門書でなんとかわかったのですが
2階微分=傾きの変化率(傾きの傾き)=d^2y/dx^2
のこのd^2y/dx^2がなぜこうなるのかぜんぜんわかりません。
dy/dxがどう変化してd^2y/dx^2となるのか教えてください。
いろいろ本やネットで調べましたが傾き=tanθ=dy/dxまでは入門書でも
詳しく書かれているのですがd^2y/dx^2へはどの解説でもいきなり飛んでいってしまいます。

Aベストアンサー

表記の仕方ですか?
dy/dxは 
yをxで微分するということです
2階微分はdy/dxをさらにxで微分するということです
dy/dxのyのところをdy/dxにおきかえれば
d(dy/dx)/dx=d^2y/dx^2
見た目ではdが2回掛かっているからd^2
dxの部分も2回掛かっているのでdx^2なんですが
dを1つの変数とみたり、dxを1つの変数と見てたりして分かりにくいかもしれません
これはそう決めたからなんです
ある程度覚えるしかないです


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