3．正方行列（単位行列、逆行列、対称行列、 交代行列） 1 正方行列 （定義）：正方行列 行と列の数が等しい行列、すなわち n ´ n 行列、 (n , n ) n 次の正方行列という。 例 型の行列のことを [3 ] ：１次の正方行列 é- 1 2 ù ê ú ：２次の正方行列 ê 2 4ú êë úû é2 3 1ù ê ú ê ú 1 1 8 ê ú ：３次の正方行列 ê ú ê2 - 2 3ú êë ú û 2 正方行列のイメージ 一般の行列 m´ n 長方形 正方行列 n´ n 正方形 3 単位行列 定義：単位行列 正方行列にしか、単位行列 は定義されないので注意すること。 n 次の任意の正方行列 A に対して、次式を満たす n 次正方行列を単位行列といい、 I あるいは E で表す。 AI = IA = A なお、次数を明記する場合 In や E n と書く。 4 単位行列の成分表示 性質：単位行列の成分表示 対角成分が１で、それ以外の成分は0である正方行列は 単位行列である。 é1 ê ê0 ê ê E = ê0 ê êM ê ê êêë0 0 0 1 0 0 O L 1 L 0 0ù ú Mú ú ú ú ú 0ú ú ú 1ú ú û é1 ê ê0 ê ê I = ê0 ê や êM ê ê êêë0 0 0 1 0 0 O L 1 L 0 0ù ú Mú ú ú ú ú 0ú ú ú 1ú ú û で表す。特に、次数にも注意するきには、 En In と書いて、n 次のn ´ n の単位行列を表す。 5 例 é1 0ù ú E 2 = I 2 = êê ú 0 1 êë ú û é1 ê ê0 ê E4 = I 4 = ê ê0 ê ê0 êë 0 0 0ù ú 1 0 0ú ú ú 0 1 0ú ú 0 0 1ú ú û é1 0 0ù ê ú ê ú E 3 = I 3 = ê0 1 0ú ê ú ê0 0 1ú êë ú û é1 ê ê0 ê ê E = I = ê0 ê ê0 ê ê0 êë 0 0 0 0ù ú 1 0 0 0ú ú ú 0 1 0 0ú ú 0 0 1 0ú ú 0 0 0 1ú ú û 6 例題 é2 - 1ù ú A = êê ú êë3 1 ú û é1 0ù ú I = êê ú 0 1 êë ú û é2 - 1ùé1 0ù é2 ´ 1 + (- 1) ´ 0 2 ´ 0 + (- 1) ´ 1ù ú= úê ú= ê A I = êê úê0 1ú ê 3 ´ 1 + 1 ´ 0 3 ´ 0 + 1´ 1 ú ê ú êë3 1 úê ú ûë û ë û é1 0ùé2 - 1ù úê ú= IA = êê úê3 1 ú êë0 1úê ú ûë û é1 ´ 2 + 0 ´ 3 1 ´ (- 1) + 0 ´ ê ê0 ´ 2 + 1 ´ 3 0 ´ (- 1) + 1 ´ êë 1ù ú= 1ú ú û é2 - 1ù ê ú ê3 1 ú êë ú û é2 - 1ù ê ú ê3 1 ú êë ú û 7 練習 éa b c ù ê ú ê ú A = êd e f ú ê ú êg h i ú êë ú û é1 0 0ù ê ú ê ú I 3 = ê0 1 0ú ê ú ê0 0 1 ú úû ëê とする。このとき、次の式が成り立つことを確かめよ。 AI3 = I 3 A = A 8 単位行列の性質 性質：単位行列の積 を任意の n m 行列とする。 このとき、次式が成り立つ。 A （1） In A A （2） AI m A 9 練習 éa ù a a 11 12 13 ú A = êê ú a a a êë 21 22 23 ú û é1 0ù ú I 2 = êê ú êë0 1 úû é1 0 0ù ê ú ê ú I 3 = ê0 1 0ú ê ú ê0 0 1 ú êë úû とする。このとき、次の式が成り立つことを確かめよ。 （1） （2） I2 A A AI3 A 10 （正方行列の）トレース （定義）：トレース（固有和） A = [aij ] に対して、対角成分の総和を トレースといい、 t rA と表す。すなわち、 n t rA º å aii = a11 + a22 + L + ann i= 1 éa11 a12 L ê êa 21 a 22 A = êê O êM êa L êë n 1 a1n ù ú ú ú Mú ú ann ú ú û 11 例題 次の行列のトレースをそれぞれ求めよ。 é3 8ù ú A = êê -ê 3 - 2ú ú ë û é- 2 2 7 ù ê ú ê ú B = ê3 1 - 3ú ê ú ê2 0 4 ú ú ëê û é- 3 ê ê0 ê C = ê ê2 ê ê2 ëê 3 0 ù ú 5 2 - 1ú ú ú 3 4 0 ú ú - 1 1 - 2ú ú û 3 解） tr (A ) = 3 - 2 = 1 tr (B ) = - 2 + 1 + 4 = 3 tr (C ) = - 3 + 5 + 4 - 2 = 4 12 練習 次の行列のトレースをそれぞれ求めよ。 é- 2 8ù ú A = êê ú 4 1 êë ú û é- 4 ê ê1 ê C = ê ê- 1 ê ê8 êë - 2 3 - 1ù ú 6 0 1 úú ú 3 7 2 ú ú 2 1 - 1úú û é0 2 6 ù ú ê ú ê B = ê1 2 - 3ú ú ê ê2 0 - 5ú ú êë û é9 ê ê- 2 ê ê D = ê- 3 ê ê6 ê ê0 êë - 2 4 1 ù ú - 1 0 2 3 ú ú ú 5 3 4 5 ú ú 6 0 2 3 ú ú 7 1 2 - 5ú ú û 4 13 トレースの性質 （性質）：トレースの性質 A = [aij ], B = [bij ] を n´ n 行列とし、 k をスカ ラーとする。このとき、以下の式が成り立つ。 （１）t r( A ± B ) = t r A ± t r B （２） t r (kA ) = k (t r A ) （３） t r(A B ) = t r( B A ) t （４） tr ( A ) = tr A 積のチェックに使える。 14 証明 （１） t r( A ± B ) = t r A ± t r B 左辺 = t r (A ± B ) = t r([aij ] ± [bij ]) n = å ([aii ] ± [bii ]) i= 1 æn ö÷ ç = çå [aii ]÷ ± ÷ çè i = 1 ø æn ö ççå [b ]÷ ÷ çè i = 1 ii ø÷ = 右辺 15 （２） t r (kA ) = k (t r A ) 左辺 = t r (kA ) = t r( k [aij ]) n = å (k [aii ]) i= 1 æn ö ç = k çå [aii ]÷ ÷ ÷ çè i = 1 ø = 右辺 16 （３） t r(A B ) = t r( B A ) とする。 C = A B = [cij ] D = B A = [dij ] 左辺 = t r (A B ) 右辺 = t r (B A ) = t r([cij ]) = t r([dij ]) n = å ([cii ]) n = i= 1 æn ö ç = å çå aikbki ÷ ÷ ÷ ç ø i= 1 èk= 1 = jj j= 1 n n å ([d ]) æn ö÷ = å ççå bjlalj ÷ ç ø÷ j = 1 è l= 1 n n å å (aikbki ) i= 1 k= 1 よって、左辺＝右辺 n = n å å (a b ) lj jl j = 1 l= 1 17 （３）のイメージ t r(A B ) a11b11 a12b21 L a 21b12 a 22b22 a1 jbj 1 L M O M M ai 1b1i L aijbji a inbni M an 1b1n t r(B A ) a1nbn 1 d11 L anjbjn d jj O M L annbnn c11 cii cnn d nn 18 t tr ( A ) = tr A （４） 左辺 = t r (t A ) = t r( t [aij ]) n = t ( å [aii ]) i= 1 n = å ([aii ]) i= 1 = 右辺 QED 19 例題 1 2 B 3 0 1 1 A 0 2 AB BA 解 1 AB 0 1 BA 3 および とする。このとき、 tr AB tr BA を確かめよ。 1 1 2 4 2 3 0 6 2 1 1 1 0 0 2 3 2 0 5 3 よって、 AB BA tr ( AB) 4 0 4 tr ( BA) 1 3 4 よって、 tr AB tr BA 20 1 2 0 3 1 0 B A 0 1 0 とする。このとき、 1 1 1 1 0 2 練習 0 1 2 AB BA および tr AB tr BA を確かめよ。 21 行列のべき乗 正方行列に対しては、行列のべき乗が定義できる。 （定義）：（正方行列の)べき乗 n 次の正方行列 A に対して、 Ak º A A42L444 A3 144 k と定義する。また、 A 0 º In と定義する。 n´ n n´ n n´ n n 次の正方行列同士を 乗じると、 また n 次の正方行列になる。 22 べき等行列 （定義）：べき等行列 A A = A となる行列をべき等行列という。 べき等行列は、 Ak = A (k ³ 1) も成り立つ。 23 例 （１） é- 2 - 6ù ê ú ê1 ú 3 êë úû é- 2 - 6ùé- 2 - 6ù ê úê ú= ê1 úê ú 3 1 3 êë úê ú ûë û （２） é 4 - 6 12 - 18ù ê ú ê- 2 + 3 - 6 + 9 ú= êë ú û é- 2 - 6ù ê ú ê1 ú 3 êë ú û é- 4 10ù ê ú ê- 2 5 ú êë úû é- 4 10ùé- 4 10ù é16 - 20 - 40 + 50ù é- 4 10ù ê úê ú ê ú ê ú ê- 2 5 úê- 2 5 ú= ê8 - 10 - 20 + 25ú= ê- 2 5 ú êë úê ú ú ú ûë û êë û êë û 24 べき零行列 （定義）：べき零行列 Ak = O となる自然数 k が存在するような行列。 べき零行列は、 Ak' = O (k ' ³ k ) も成り立つ。 25 例 １． ２． é1 - 1ù ú A = êê ú 1 1 êë úû é2 ê ê B = ê1 ê ê3 êë é2 ê ê B 2 = ê1 ê ê3 ëê é1 - 1ùé1 - 1ù úê ú= A = êê úê ú 1 1 1 1 êë úê ú ûë û 2 4 - 3ù ú ú 3 - 2ú ú 7 - 5ú ú û ù 4 - 3ùé 2 4 3 úê ú úê ú 3 - 2úê1 3 - 2ú= úê ú ú 7 - 5úê úê3 7 - 5ú ûë û é0 0ù ê ú ê0 0ú= O ú ëê û é- 1 - 1 1ù ê ú ê ú 1 1 1 ê ú ê ú ê- 2 - 2 2ú ú ëê û é- 1 - 1 1ùé2 4 - 3ù ê úê ú ê úê ú B 3 = ê- 1 - 1 1úê1 3 - 2ú= ê úê ú ê- 2 - 2 2úê3 7 - 5ú úê ú ëê ûë û é0 0 0ù ê ú ê ú 0 0 0 ê ú= O ê ú ê0 0 0ú ú ëê û 26 例２ 次の一連の行列はべき零行列である。 é0 1ù é0 1ùé0 2 ú (J ) = ê úê J 2 = êê 2 ú ê0 0úê0 0 0 êë ú êë úê û ûë é0 1 0ù é0 1 0ùé0 ê ú ê úê ê ú ê 3 J 3 = ê0 0 1ú (J 3 ) = ê0 0 1úê úê0 ê úê ê ú ê 0 0 0úê 0 ê0 0 0ú ê úê ë ûë êë ú û é0 1 0 0ù ê ú ê0 0 1 0ú ê ú J4 = ê ú 4 0 0 0 1 (J 4 ) = ê ú ê ú ê0 0 0 0ú êë úû 1ù ú= 0ú ú û é0 0ù ê ú ê0 0ú êë ú û ù 1 0ùé 0 1 0 úê ú úê ú 0 1úê0 0 1ú= úê ú úê 0 0úê0 0 0ú ú ûë û é0 0 1ùé0 1 0ù ê úê ú ê úê ú 0 0 0 0 0 1 ê úê ú ê úê ú ê0 0 0úê0 0 0ú êë úê ú ûë û O 27 対称行列 （定義）：対称行列 A = A なる n 次の正方行列を （ n 次の）対称行列という。すなわち、 t A = [aij ]が対称行列 Û aij = a ji = a ji a ij n´ n 鏡 28 対称行列の例 é 2 - 2 2ù ê ú ê ú ê- 2 - 4 3ú ê ú ê2 ú 3 6 êë ú û é1 2 ù ê ú ê2 3 ú êë úû é- 2 1 - 3 ê ê1 1 4 ê ê ê- 3 4 3 ê ê1 0 7 êë 1ù ú 0úú ú 7ú ú 6 úú û éx ê êa ê ê êb ê êc êë a b cù ú y d e úú ú d z fú ú e f w úú û 29 練習 以下の行列はすべて対称行列である。 このとき、x , y , z を求めよ。 （１） éê0 x ùú ê6 - 3 ú êë ú û é6 ê （３） êê4 ê êy ê ê5 êë 4 - 3 5ù ú 3 x 0úú ú 4 - 1 2ú ú 0 z 5úú û 8 ùú （２） éê7 y ê ú 9 2 1 ê ú ê ú ê8 x 3 úú êë û （4） é2 ê êy ê ê ê1 ê êz êë 2 ù ú 1 0 - 1úú ú 0 3 2 ú ú - 1 2 6 úú û 1 x 30 交代行列 （定義）：交代行列 A = - A なる n 次の正方行列を （ n 次の）交代行列（歪対称行列）という。 すなわち、 t A = [aij ]が交代行列 a12 L a1n ù é0 ê ú ê- a12 0 a 2n úú ê ê ú O Mú ê M ê ú ê- a1n - a 2n L 0 ú êë úû Û aij = - a ji 対角成分は すべて０ = a ij - a ji n´ n 31 交代行列の例 é0 - 2 ê ê2 0 êë ù ú ú ú û é 0 - 2 5 - 3ù ê ú ê2 ú 0 3 6 ê ú ê ú -ê 5 3 0 1ú ê ú ê3 - 6 - 1 0 ú êë úû é 0 - 3 4ù ê ú ê ú 3 0 2 ê ú ê ú ê- 4 - 2 0ú êë ú û é0 - 1 - 2 2 ù ê ú ê1 ú 0 5 3 ê ú ê ú 2 5 0 4 ê ú ê ú ê- 2 - 3 4 0 úú êë û 32 練習 以下の行列はすべて交代行列である。 このとき、x , y , z を求めよ。 （１） （３） é0 x ù ê ú ê3 0 ú êë ú û é0 ê êx ê ê ê- 5 ê ê2 êë 2 5 - 2ù ú 0 4 - 6úú ú y 0 z ú ú 6 7 0 úú û （２） é0 2 4 ù ê ú ê ú -ê 2 x - 1ú ê ú êy z 0 ú êë ú û （4） é0 - 1 ê êx 0 ê ê ê- 3 - 5 ê ê- 1 y êë 1ù ú 5 3 úú ú 0 - 4ú ú z 0 úú û 3 33 対称行列と交代行列の性質１ （性質）：対称行列と交代行列の性質 任意のn ´ n 行列 A に対して、 A + t A は対称行列であり、 A - tA は交代行列である。 証明 t t (A t t t (t A ) = t t t t (t A ) = t + A )= A + (A - A )= A - A+A A - A = - (A - t A ) QED 34 対称行列と交代行列の性質２ （性質）：行列の対称行列と交代行列への分解 任意の正方行列 A は、対称行列と交代行列の 和で表現できる。 証明 A + t A は対称行列であり、 A - t A は交代行列である。 よって、 A = 1 1 t A + A + ( ) (A - t A ) 2 2 QED 35 例 é0 4 - 1ù ê ú ê ú A = ê- 2 - 3 - 4ú ê ú ê5 ú 0 2 êë ú û é0 4 ê ê A + t A = ê- 2 - 3 ê ê5 0 êë é0 4 ê ê A - t A = ê- 2 - 3 ê ê5 0 êë é - 1ù ú ê0 ú ê - 4ú+ ê 4 ú ê ê- 1 2ú ú û êë é - 1ù ú ê0 ú ê - 4ú- ê 4 ú ê ê- 1 2ú ú û êë - 2 5ù ú ú - 3 0ú= ú - 4 2ú ú û - 2 5ù ú ú - 3 0ú= ú - 4 2ú ú û é0 2 4ù ê ú ê ú ê2 - 6 - 4ú ê ú ê4 - 4 4 ú êë ú û é 0 6 - 6ù ê ú ê ú -ê 6 0 - 4ú ê ú ê6 4 0 ú êë ú û é0 1 ù é 0 3 - 3ù 2 ê ú ê ú 1 1 ê ú ê ú t t A + A + A A = 1 3 2 + 3 0 2 ( ) ( ) ê ú ê ú= 2 2 ê ú ê ú ê2 - 2 2 ú ê 3 2 0 ú êë ú ú û êë û é0 ù 4 1 ê ú ê ú -ê 2 - 3 - 4ú= A ê ú ê5 0 2ú êë ú û 36 練習 次の行列を対称行列と交代行列の和で表せ。 （１） é- 2 5ù ú A = êê ú êë 3 4ú û é1 ù 0 0 ê ú ê ú B = 2 5 2 ê ú （２） ê ú ê3 0 0ú êë ú û 37 正則行列（重要） （定義）：正則行列 n ´ n 行列 A に対して、 AX = XA = I を満たす正方行列 X があるとき、 A を正則行列という。また、このとき、 X を A の逆行列といい、 A 1 と書く。 逆行列が存在する行列が正則行列である。 正則行列の逆行列もまた正則行列である。 38 正則行列の性質１ （性質）：逆行列の一意性 正則な行列 A の逆行列は唯一つ存在する。 証明） 背理法による。 ２つの逆行列X 1, X 2 (¹ X 1 ) が存在すると仮定する。 （背理法の仮定） 定義より、 A X 1 = X 1A = I A X 2 = X 2A = I L (1) L (2) が成り立つ。ここで、（１）の両辺に X 2 を左から乗じる。 AX1 = I \ X 2 (A X 1 ) = X 2I \ (X 2A )X 1 = X 2 \ IX 1 = X 2 \ X1 = X2 これは矛盾である。 QED 39 正則行列の性質２ （性質）：正則行列と演算 A , B を n ´ n の正則行列とする。 このとき、次式が成り立つ。 （１） A - 1 （２） A B （３） A t も正則行列であり、 (A - 1 - 1 ) = A 。 - 1 - 1 - 1 A B = B A ( ) ( )( )。 も正則行列であり、 t - 1 も正則行列であり、( A ) = t (A - 1 )。 40 証明 （１） (A - 1 - 1 ) = A C º A - 1 とおく。 C A = A - 1A = I AC = AA- 1 = I よって、定義より A は C の逆行列。 \ A =C - 1 = (A - 1 - 1 ) 41 - 1 - 1 - 1 A B = B A ( ) ( )( ) （２） C º AB とおく。 C (B - 1A - 1 ) = (A B )(B - 1A - 1 ) = A (B B - 1 )A - 1 = A IA - 1 = A A - 1 = I (B - 1A - 1 )C = (B - 1A - 1 )(A B ) = B - 1 (A - 1A )B = B IB - 1 = B B - 1 = I よって、定義より(B - 1A - 1 ) は C - 1 - 1 (B )(A ) = C の逆行列。 - 1 - 1 = (A B ) 42 （３） - 1 t (A) = C º A t - 1 (A ) とおく。 - 1 (A ) = t - 1 (A )C t C t t t = よって、定義より t A t - 1 t t t (A ) = (A - 1A ) = - 1 (A ) A t - 1 = (A A - 1 ) = t I = I t I = I - 1 A ( ) は C の逆行列。 (A ) = C - 1 = t - 1 (A) QED 43 練習 次式を証明せよ。 - 1 （１） (A B C D ) （２） t （３） = D - 1C - 1B - 1A - 1 (A B C D ) = ( - 1 P AP k ) t D tC t B t A = P - 1A k P 44 ２次の逆行列（復習） a b A c d とする。 A の求め方 乗算する符号が正 a b c d A ad bc 乗算して符号が負 A1 の求め方 A 0 を確認して、 a b c d 交換 乗算して符号が負 1 A 1 A A 1 倍 d b c a 45 例題 é7 5ù ê ú A = ê ú êë- 3 - 2ú û é1 0 ù ú B = êê ú êë2 - 1ú û に対して、次式が成り立つことを確かめよ。 （１） (A 解） （１） - 1 - 1 ) = A - 1 （２） (A B ) = (B - 1 - 1 )(A ) t - 1 （３）( A ) = t A = 7 ´ (- 2) - 5 ´ (- 3) = 1 é- 2 - 5ù - 1 ú \ A = êê ú 3 7 êë ú û - 1 A = 1 é7 5ù - 1 - 1 ú \ (A ) = êê ú 3 2 êë ú û é7 5 ùé- 2 - 5ù ê úê ú= ê- 3 - 2úê 3 7ú êë úê ú ûë û é1 0ù ê ú ê0 1ú êë ú û é- 2 - 5ùé 7 5ù ê úê ú= ê3 7 úê - 3 - 2ú êë úê ú ûë û é1 0ù ê ú ê0 1ú êë ú û 46 (A - 1 ) - 1 - 1 - 1 A B = B A ( ) ( )( ) （２） é7 5ù ê ú A = ê ú êë- 3 - 2ú û B = 1 ´ (- 1) - 0 = - 1 é1 0 ù ú B = êê ú 2 1 êë ú û é7 5 ùé1 0 ù úê ú= A B = êê úê -ê 3 - 2úê2 - 1ú ú ë ûë û é17 - 5ù ê ú ê- 7 2 ú êë ú û A B = 17 ´ 2 - (- 5)(- 7) = - 1 1 éê2 5 ù ú= \ (A B ) = - 1 êêë7 17ú ú û - 1 \ B - 1 B A - 1 - 1 1 éê- 1 0ù ú= = - 1 êêë- 2 1ú ú û é1 0 ùé- 2 - 5ù úê ú= = êê úê 3 7ú êë2 - 1úê ú ûë û é1 0 ù ê ú ê2 - 1ú êë ú û é- 2 - 5 ù ê ú ê- 7 - 17ú êë ú û é- 2 - 5 ù ê ú ê- 7 - 17ú êë ú û 47 t - 1 （３）( A ) = t (A - 1 ) é7 5ù ê ú A = ê ú êë- 3 - 2ú û t t A - 1 é- 2 - 5ù ú = êê 7ú êë 3 ú û é7 - 3ù ú A = êê ú 5 2 êë ú û A = 7 ´ (- 2) - (- 3) ´ 5 = 1 \ t - 1 (A) é- 2 3ù ú = êê ú êë- 5 7ú û \ t é- 2 3ù (A ) = êê- 5 7úú êë ú û - 1 48 n 次の逆行列について n 一般の 次の逆行列は、 ２次の逆行列を求めるときのうように、 簡単に求めることはできない。 ２次 公式 a b A c d 1 A A 1 d b c a n次 A A' 行列の行基本変形 A '' A 1 49
© Copyright 2024 ExpyDoc
