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線型作用素方程式-基本演習md ced3289
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線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきlinear operator equation-基本演習きほんえんしゅう

date2026-06-30document_iddoc_655ed36a77190ed0151a558b5cbda570description線型作用素方程式 Lx=y を、核・像・一般解・多項式作用素から確認する基本演習である。prerequisites線型作用素方程式の基本 / 線型写像 / 基底と次元type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-operator/polynomial-operators-and-eigenvalue-problems.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/sequence/shift-operators-and-recurrences.lecture.n.md
mathlinear-operatorexercisekernelimage
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1演習えんしゅう方針ほうしん

Lx=y では、計算けいさんはじめるまえに「yImLるか」「kerLなにか」を確認かくにんする。かいが 1 つつかったら、一般解いっぱんかいxp+kerL である。


2問題もんだい 1:ぞうimageによる可解性かかいせい

L:R2R2

L(x,y)=(x+y,2x+2y)

定義ていぎする。L(x,y)=(1,2)L(x,y)=(1,1) がそれぞれかいつか判定はんていせよ。

2.1解答例かいとうれい

L(x,y)=(s,2s)、ただし s=x+yける。したがって

ImL={(s,2s)sR}

である。

(1,2)s=1 としてこのぞうるので、L(x,y)=(1,2)かいつ。実際じっさいx+y=1たす任意にんい(x,y)かいである。

一方いっぽう(1,1)(s,2s)かたちではない。したがって (1,1)ImL であり、L(x,y)=(1,1)かいたない。

2.2解説かいせつ

右辺うへん到達可能とうたつかのうかどうかはぞうimageまる。しきはじめるまえに、右辺うへんぞうなかにあるかを確認かくにんするのが第一だいいち判定はんていである。


3問題もんだい 2:特殊解とくしゅかいparticular solution + かくkernel

問題もんだい 1 の L について、L(x,y)=(1,2)一般解いっぱんかいもとめよ。

3.1解答例かいとうれい

L(x,y)=(1,2)

x+y=1

同値どうちである。特殊解とくしゅかいとして xp=(1,0)る。

かく

kerL={(x,y)x+y=0}={(t,-t)tR}

である。したがって一般解いっぱんかい

(x,y)=(1,0)+(t,-t)=(1+t,-t),tR

である。

3.2解説かいせつ

同次どうじかい集合しゅうごうベクトル空間くうかんvector spaceではなく、かく平行移動へいこういどうしたアフィン空間くうかんaffine spaceである。


4問題もんだい 3:階数退化次数定理かいすうたいかじすうていりrank-nullity theorem

T:R3R2

T(x,y,z)=(x+z,y-z)

定義ていぎする。kerTImTrankTnullityTもとめ、階数かいすう退化たいか次数じすう定理ていり確認かくにんせよ。

4.1解答例かいとうれい

T(x,y,z)=0

x+z=0,y-z=0

である。z=tくと x=-ty=t だから

kerT={(-t,t,t)tR}

である。したがって nullityT=1 である。

ぞうについて、任意にんい(u,v)R2たいして z=0x=uy=v とすれば

T(u,v,0)=(u,v)

である。したがって ImT=R2 であり、rankT=2 である。

よって

dimR3=3=1+2=nullityT+rankT

であり、階数かいすう退化たいか次数じすう定理ていり確認かくにんできる。

4.2解説かいせつ

入力にゅうりょく 3 次元じげんのうち 1 次元じげんかくとしてつぶれ、のこり 2 次元じげん出力しゅつりょくとしてぞうのこっている。


5問題もんだい 4:多項式作用素たこうしきさようそpolynomial operator

T:R2R2T(x,y)=(2x,3y) とする。p(t)=t-2 とおく。p(T)(x,y)kerp(T)Imp(T)もとめよ。

5.1解答例かいとうれい

p(T)=T-2I である。したがって

p(T)(x,y)=T(x,y)-2(x,y)=(2x,3y)-(2x,2y)=(0,y)

である。

よって

kerp(T)={(x,y)(0,y)=(0,0)}={(x,0)xR}

であり、

Imp(T)={(0,y)yR}

である。

5.2解説かいせつ

T固有値こゆうち 2 に対応たいおうする固有こゆう方向ほうこうker(T-2I) としてあらわれている。固有値問題こゆうちもんだいも、かく調しらべる問題もんだいである。


6問題もんだい 5:シフト作用素さようそshift operator

れつ空間上くうかんじょうE(Ea)n=an+1 とする。P(E)=E-2Iく。方程式ほうていしき

(E-2I)a=0

解釈かいしゃくし、an=C2nかいであることをしめせ。

6.1解答例かいとうれい

方程式ほうていしき (E-2I)a=0

an+1-2an=0

すなわち

an+1=2an

意味いみする。an=C2n とすると

an+1=C2n+1=2C2n=2an

なのでかいである。

6.2解説かいせつ

2n はシフト作用素さようそ E固有こゆうれつであり、E(2n)=2·2nたす。したがって E-2Iかくる。


7関連講義かんれんこうぎ

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