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固有値・対角化・発展-基本演習md 5fab2bd
exercise/math/linear-algebra/eigenvalues-diagonalization-and-extensions.exercise.n.md

固有値こゆうちeigenvalue対角化たいかくかdiagonalization発展はってん-基本演習きほんえんしゅう

date2026-06-30document_iddoc_cd9a14df5bab52da06eb8035766d446cdescription固有値問題、固有ベクトル、対角化、直交対角化、同伴行列の基本を、線型変換の固有方向として確認する入口演習である。prerequisites固有値と固有ベクトル / 固有値問題 / 対角化の基本 / 対称行列と直交対角化type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalue-problem-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/diagonalization-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/symmetric-matrices-and-orthogonal-diagonalization.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/companion-matrix-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/quadratic-forms-minimal-polynomials-and-jordan-form.exercise.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/svd-and-pseudoinverses.exercise.n.md
mathlinear-algebraexerciseeigenvaluediagonalization
data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalue-problem-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/diagonalization-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/symmetric-matrices-and-orthogonal-diagonalization.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/companion-matrix-basics.lecture.n.md

1演習えんしゅう方針ほうしん

固有こゆうベクトルeigenvectorは、線型変換せんけいへんかんlinear transformationきがわらない方向ほうこうである。対角化たいかくかdiagonalizationは、空間くうかんをその方向ほうこうごとに分解ぶんかいし、線型変換せんけいへんかんlinear transformation倍率ばいりつだけに単純化たんじゅんかする。

二次形式にじけいしきquadratic form最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial、ジョルダン標準形ひょうじゅんけい、SVD、擬似逆行列ぎじぎゃくぎょうれつpseudoinverse matrix関連演習かんれんえんしゅう分割ぶんかつしている。

固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problemでは、さきdet(A-λI)=0固有値こゆうちeigenvalueもとめ、つぎker(A-λI)固有こゆうベクトルeigenvectorもとめる。同伴行列どうはんぎょうれつでは、多項式たこうしきこん固有値こゆうちeigenvalueになることを確認かくにんする。


2問題もんだい 1

A=(2003)

固有値こゆうちeigenvalue固有こゆうベクトルeigenvectorもとめ、幾何的きかてき意味いみべよ。

2.1解答例かいとうれい

固有値こゆうちeigenvalue23 である。λ=2たいする固有こゆうベクトルeigenvectore1非零ひれいばいλ=3たいする固有こゆうベクトルeigenvectore2非零ひれいばいである。

2.2解説かいせつ

Ax 軸方向じくほうこうを 2 ばいy 軸方向じくほうこうを 3 ばいばす。じくきはわらないので、標準基底ひょうじゅんきていstandard basisがそのまま固有こゆうベクトルeigenvectorになる。れいベクトルzero vector方向ほうこうあらわさないため、固有こゆうベクトルeigenvectorにはふくめない。


3問題もんだい 2

B=(1101)

対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableかを判定はんていせよ。

3.1解答例かいとうれい

固有値こゆうちeigenvalueλ=1 だけである。

B-I=(0100)

なので、固有空間こゆうくうかんeigenspacey=0、つまり e1る 1 次元じげんdimension空間くうかんである。2×2 行列ぎょうれつmatrix対角化たいかくかdiagonalizationするには一次独立いちじどくりつlinear independence固有こゆうベクトルeigenvectorが 2 ほん必要ひつようなので、B対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableではない。

3.2解説かいせつ

固有値こゆうちeigenvalueもとめるだけでは不十分ふじゅうぶんである。対角化たいかくかdiagonalizationには、空間全体くうかんぜんたい固有こゆうベクトルeigenvector基底きていbasisめる必要ひつようがある。


4問題もんだい 3

C=(2112)

直交対角化ちょっこうたいかくかorthogonal diagonalizationせよ。

4.1解答例かいとうれい

固有値こゆうちeigenvalue31 である。対応たいおうする単位たんい固有こゆうベクトルeigenvectorとして

q1=12(11),q2=12(1-1)

れる。したがって、

Q=12(111-1),D=(3001)

とすると、

QTCQ=D

である。

4.2解説かいせつ

C対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixなので、ことなる固有値こゆうちeigenvalueぞくする固有こゆうベクトルeigenvector直交ちょっこうorthogonalえらべる。直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrixによる基底変換きていへんかんchange of basisながさと角度かくど保存ほぞんする。


5問題もんだい 4

A=(2103)

対角化たいかくかdiagonalizationし、Anもとめよ。

5.1解答例かいとうれい

λ=2たいする固有こゆうベクトルeigenvector(1,0)Tλ=3たいする固有こゆうベクトルeigenvector(1,1)Tれる。したがって

P=(1101),D=(2003)

とすると A=PDP-1 である。よって

An=PDnP-1=(2n3n-2n03n)

である。

5.2解説かいせつ

対角化たいかくかdiagonalizationは、累乗るいじょう固有方向こゆうほうこうeigendirectionごとの倍率ばいりつ累乗るいじょう分解ぶんかいする道具どうぐである。


6問題もんだい 5

x(t)=(100-2)x(t),x(0)=(34)

け。

6.1解答例かいとうれい

だい 1 成分せいぶんcomponentx1(t)=x1(t)だい 2 成分せいぶんcomponentx2(t)=-2x2(t)たす。したがって

x(t)=(3et4e-2t)

である。

6.2解説かいせつ

固有値こゆうちeigenvalue時間発展じかんはってんかためる。このれいでは、だい 1 方向ほうこうet増加ぞうかし、だい 2 方向ほうこうe-2t減衰げんすいする。


7補強問題ほきょうもんだいスペクトル定理spectral theorem射影分解しゃえいぶんかい

7.1問題もんだい 6

A実対称行列じつたいしょうぎょうれつreal symmetric matrixとする。ことなる固有値こゆうちeigenvalue対応たいおうする固有こゆうベクトルeigenvector直交ちょっこうorthogonalすることを証明しょうめいせよ。

7.2解答例かいとうれい

Av=λvAw=μwλμ とする。AT=A なので、

λv,w=Av,w=v,Aw=μv,w

である。したがって (λ-μ)v,w=0 である。λμ より、v,w=0 となる。

7.3解説かいせつ

これはスペクトル定理spectral theorem背後はいごにある基本きほん直交性ちょっこうせいである。対称性たいしょうせいにより、行列ぎょうれつ内積ないせきinner product片側かたがわから反対側はんたいがわうつせる。

7.4問題もんだい 7

スペクトル定理spectral theorem使つかって、

C=(2112)

を「固有値こゆうちeigenvalue × 直交射影ちょっこうしゃえいorthogonal projection」のとしてけ。

7.5解答例かいとうれい

問題もんだい 3 より、

q1=12(11),q2=12(1-1)

れ、対応たいおうする固有値こゆうちeigenvalue31 である。したがって

C=3q1q1T+1q2q2T

である。実際じっさい

q1q1T=12(1111),q2q2T=12(1-1-11)

なので、

3q1q1T+q2q2T=(2112)=C

となる。

7.6解説かいせつ

スペクトル定理spectral theoremは、行列ぎょうれつ直交射影ちょっこうしゃえいorthogonal projectionとして定理ていりでもある。qi 方向ほうこう射影しゃえいし、その方向ほうこうλi ばいしてもどしている。

7.7問題もんだい 8

A=(4001),x0=(12)

について、Anx0もとめ、正規化せいきかした方向ほうこう長期的ちょうきてきにどうなるかを説明せつめいせよ。

7.8解答例かいとうれい

A対角行列たいかくぎょうれつなので、

Anx0=(4n001)(12)=(4n2)

である。nおおきくなるとだい 1 成分せいぶん支配的しはいてきになる。したがって正規化せいきかした方向ほうこうe1ちかづく。

7.9解説かいせつ

対角化可能たいかくかかのうdiagonalizable行列ぎょうれつ累乗るいじょうでは、初期しょきベクトルが最大さいだい固有値こゆうちeigenvalue方向ほうこう成分せいぶんつなら、その方向ほうこう長期的ちょうきてき支配しはいする。


8関連演習かんれんえんしゅう

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10証明しょうめい演習えんしゅう固有値こゆうち対角化たいかくか基本定理きほんていり

10.1問題もんだい

ことなる固有値こゆうち対応たいおうする固有ベクトルeigenvector線型独立せんけいどくりつであることを証明しょうめいせよ。また、対角化たいかくかできることと固有ベクトルeigenvector基底きていつことが同値どうちである理由りゆう説明せつめいせよ。

10.2解答かいとう

aivi=0 とし、両辺りょうへんA作用さようさせる。さらに最初さいしょしきひとつの固有値こゆうちけたしきくと、よりすくない固有ベクトルeigenvector線型関係せんけいかんけいになる。帰納法きのうほうにより、すべての係数けいすうは 0 である。

A=PDP-1 なら、AP=PD である。Pれつくらべると、それぞれが固有ベクトルeigenvectorである。ぎゃく固有ベクトルeigenvector基底きていれつならべて Pつくると、AP=PD となり A=PDP-1 である。

10.3解説かいせつ

対角化たいかくかは、基底きてい固有ベクトルeigenvectorえることに対応たいおうする。


11関連講義かんれんこうぎ

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12補強問題ほきょうもんだいスペクトル定理spectral theorem射影分解しゃえいぶんかい

12.1問題もんだい 6

A実対称行列じつたいしょうぎょうれつreal symmetric matrixとする。ことなる固有値こゆうちeigenvalue対応たいおうする固有こゆうベクトルeigenvector直交ちょっこうorthogonalすることを証明しょうめいせよ。

12.2解答例かいとうれい

Av=λvAw=μwλμ とする。AT=A なので、

λv,w=Av,w=v,Aw=μv,w

である。したがって (λ-μ)v,w=0 である。λμ より、v,w=0 となる。

12.3解説かいせつ

これはスペクトル定理spectral theorem背後はいごにある基本きほん直交性ちょっこうせいである。対称性たいしょうせいにより、行列ぎょうれつ内積ないせきinner product片側かたがわから反対側はんたいがわうつせる。

12.4問題もんだい 7

スペクトル定理spectral theorem使つかって、

C=(2112)

を「固有値こゆうちeigenvalue × 直交射影ちょっこうしゃえいorthogonal projection」のとしてけ。

12.5解答例かいとうれい

問題もんだい 3 より、

q1=12(11),q2=12(1-1)

れ、対応たいおうする固有値こゆうちeigenvalue31 である。したがって

C=3q1q1T+1q2q2T

である。実際じっさい

q1q1T=12(1111),q2q2T=12(1-1-11)

なので、

3q1q1T+q2q2T=(2112)=C

となる。

12.6解説かいせつ

スペクトル定理spectral theoremは、行列ぎょうれつ直交射影ちょっこうしゃえいorthogonal projectionとして定理ていりでもある。qi 方向ほうこう射影しゃえいし、その方向ほうこうλi ばいしてもどしている。

12.7問題もんだい 8

A=(4001),x0=(12)

について、Anx0もとめ、正規化せいきかした方向ほうこう長期的ちょうきてきにどうなるかを説明せつめいせよ。

12.8解答例かいとうれい

A対角行列たいかくぎょうれつなので、

Anx0=(4n001)(12)=(4n2)

である。nおおきくなるとだい 1 成分せいぶん支配的しはいてきになる。したがって正規化せいきかした方向ほうこうe1ちかづく。

12.9解説かいせつ

対角化可能たいかくかかのうdiagonalizable行列ぎょうれつ累乗るいじょうでは、初期しょきベクトルが最大さいだい固有値こゆうちeigenvalue方向ほうこう成分せいぶんつなら、その方向ほうこう長期的ちょうきてき支配しはいする。

12.10問題もんだい 9

A=(01-23)

について、固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problemけ。すなわち、固有値こゆうちeigenvalueかく固有空間こゆうくうかんeigenspaceもとめよ。

12.11解答例かいとうれい

まず

det(A-λI)=det(-λ1-23-λ)=λ2-3λ+2=(λ-1)(λ-2)

である。したがって固有値こゆうちeigenvalue1,2 である。

λ=1 では

A-I=(-11-22)

なので -x+y=0、したがって

E1=span{(11)}

である。λ=2 では

A-2I=(-21-21)

なので -2x+y=0、したがって

E2=span{(12)}

である。

12.12解説かいせつ

この問題もんだいは、固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problemを「固有値こゆうちさきめ、つぎかくkernelもとめる」という手順てじゅん確認かくにんする問題もんだいである。λもとめるまえ固有こゆうベクトルeigenvectorさがそうとすると、未知数みちすうえて方針ほうしん不明確ふめいかくになる。

12.13問題もんだい 10

p(t)=t3-6t2+11t-6

同伴行列どうはんぎょうれつcompanion matrixつくり、λ=2対応たいおうする固有こゆうベクトルeigenvectorを 1 つしめせ。

12.14解答例かいとうれい

p(t)=t3+c2t2+c1t+c0ると、c2=-6,c1=11,c0=-6 である。したがって

Cp=(0100016-116)

である。p(2)=0 なので、

v(2)=(124)

固有値こゆうちeigenvalue 2対応たいおうする固有こゆうベクトルeigenvectorである。実際じっさい

Cpv(2)=(248)=2v(2)

である。

12.15解説かいせつ

同伴行列どうはんぎょうれつcompanion matrixでは、多項式たこうしき係数けいすう最後さいごぎょうはいる。符号ふごう反転はんてんして -c0,-c1,,-cn-1ならべるてん典型的てんけいてきあやま箇所かしょである。

13証明しょうめい演習えんしゅう固有値こゆうち対角化たいかくか基本定理きほんていり

13.1問題もんだい

ことなる固有値こゆうち対応たいおうする固有ベクトルeigenvector線型独立せんけいどくりつであることを証明しょうめいせよ。また、対角化たいかくかできることと固有ベクトルeigenvector基底きていつことが同値どうちである理由りゆう説明せつめいせよ。

13.2解答かいとう

aivi=0 とし、両辺りょうへんA作用さようさせる。さらに最初さいしょしきひとつの固有値こゆうちけたしきくと、よりすくない固有ベクトルeigenvector線型関係せんけいかんけいになる。帰納法きのうほうにより、すべての係数けいすうは 0 である。

A=PDP-1 なら、AP=PD である。Pれつくらべると、それぞれが固有ベクトルeigenvectorである。ぎゃく固有ベクトルeigenvector基底きていれつならべて Pつくると、AP=PD となり A=PDP-1 である。

13.3解説かいせつ

対角化たいかくかは、基底きてい固有ベクトルeigenvectorえることに対応たいおうする。


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