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二次形式・最小多項式・ジョルダン-基本演習md eec6df3
exercise/math/linear-algebra/quadratic-forms-minimal-polynomials-and-jordan-form.exercise.n.md

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-基本演習きほんえんしゅう

date2026-06-06document_iddoc_c93a95d880e00a983edaf7a88b281565description二次形式、正定値性、最小多項式、ジョルダン標準形を、対角化できる場合とできない場合の違いから確認する演習である。prerequisites二次形式と正定値行列 / 最小多項式の基本 / ジョルダン標準形の入口type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/quadratic-forms-and-positive-definite-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/minimal-polynomial-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/introduction-to-jordan-canonical-form.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/eigenvalues-diagonalization-and-extensions.exercise.n.md
mathlinear-algebraexercisequadratic-formminimal-polynomialjordan-form
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1演習えんしゅう方針ほうしん

二次形式にじけいしきquadratic formは、方向ほうこうごとの符号ふごう伸縮しんしゅく調しらべる道具どうぐである。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Jordan normal formは、固有値こゆうちeigenvalueだけではえない「対角化たいかくかdiagonalizationできない成分せいぶんcomponent」を記録きろくする。


2問題もんだい 1

q(x,y)=2x2+2xy+2y2

正定値性せいていちせいpositive definiteness判定はんていせよ。

2.1解答例かいとうれい

対応たいおうする対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrix

C=(2112)

である。固有値こゆうちeigenvalue31 で、どちらもせいである。したがって q正定値せいていちpositive definiteである。

2.2解説かいせつ

二次形式にじけいしきquadratic form固有方向こゆうほうこうeigendirection沿ってむと、平方へいほう分解ぶんかいできる。係数けいすうcoefficientである固有値こゆうちeigenvalueがすべてせいなら、れいでない入力にゅうりょくたいしてせいになる。


3問題もんだい 2

q(x,y,z)=2x2+2xy+3y2-z2

対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixあらわし、正定値せいていちpositive definite非負定値ひふていちpositive semidefinite不定ふていindefiniteのどれであるかを判定はんていせよ。

3.1解答例かいとうれい

対応たいおうする対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrix

S=(21013000-1)

である。x=1,y=0,z=0 では q(1,0,0)=2>0 であり、x=0,y=0,z=1 では q(0,0,1)=-1<0 である。したがって q不定ふていindefiniteである。

3.2解説かいせつ

正定値性せいていちせいpositive definitenessすべての非零ひれいベクトルでせいになることを要求ようきゅうする。せいになる方向ほうこうになる方向ほうこう両方りょうほうあれば不定ふていindefiniteである。


4問題もんだい 3

J=(1101)

について、最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial(t-1)2 であることを説明せつめいせよ。

4.1解答例かいとうれい

J-I=(0100)0

だが、

(J-I)2=(0000)

である。したがって J零行列れいぎょうれつzero matrixにする最低次数さいていじすう首一多項式しゅいちたこうしき(t-1)2 である。

4.2解説かいせつ

固有値こゆうちeigenvalueだけなら (t-1)りそうにえる。しかし J-I0 なので、非対角成分ひたいかくせいぶんのこっている。こののこりがジョルダン標準形ひょうじゅんけいJordan normal formあつか情報じょうほうである。


5問題もんだい 4

D=(1001),E=(1002),J=(1101)

最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomialもとめ、特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomialだけでは区別くべつできない情報じょうほう説明せつめいせよ。

5.1解答例かいとうれい

D-I=0 なので

mD(t)=t-1

である。E では (E-I)(E-2I)=0 であり、どちらか 1 つの因子いんしだけでは零行列れいぎょうれつzero matrixにならないので

mE(t)=(t-1)(t-2)

である。J では J-I0 だが (J-I)2=0 なので

mJ(t)=(t-1)2

である。

5.2解説かいせつ

DJ はどちらも特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial(t-1)2 である。しかし D対角行列たいかくぎょうれつdiagonal matrixで、J対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableではない。最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomialは、このちがいを重根じゅうこん有無うむとして記録きろくする。


6問題もんだい 5

N=A-λI が 4 次元じげんdimension空間くうかん冪零べきれいnilpotent作用さようし、

dimkerN=2,dimkerN2=3,dimkerN3=4

であるとする。λたいするジョルダンブロックのおおきさをもとめよ。

6.1解答例かいとうれい

dimkerN はジョルダンブロックの個数こすうあらわすので、ブロックは 2 である。ると、

2,1,1

となる。これは、おおきさ 1 以上いじょうのブロックが 2 おおきさ 2 以上いじょうのブロックが 1 おおきさ 3 以上いじょうのブロックが 1 であることを意味いみする。したがってブロックのおおきさは 3 と 1 である。

6.2解説かいせつ

かくkernel次元じげんdimensionかたは、ジョルダンJordan chainがどこまでつづくかをあらわす。これは、一般化いっぱんか固有こゆうベクトルgeneralized eigenvectorN作用さようさせるたびにを 1 だんずつりるためである。


7問題もんだい 6

A=(210021002)

について、N=A-2I とおく。kerNkerN2kerN3もとめ、一般化いっぱんか固有こゆうベクトルgeneralized eigenvectorジョルダンJordan chainを 1 つつくれ。また、etAもとめよ。

7.1解答例かいとうれい

N=(010001000)

であり、N(x,y,z)T=(y,z,0)T である。したがって

kerN=span(e1),kerN2=span(e1,e2),kerN3=R3

である。また

Ne1=0,Ne2=e1,Ne3=e2

なので、e1,e2,e3ながさ 3 のジョルダンJordan chainつくる。

A=2I+NN3=0 より、

etA=e2t(I+tN+t22N2)=e2t(1tt2201t001)

である。

7.2解説かいせつ

固有こゆうベクトルeigenvectorだけではりない場合ばあい一般化いっぱんか固有こゆうベクトルgeneralized eigenvector不足ふそくする方向ほうこうおぎなう。冪零成分べきれいせいぶんnilpotent partは、etA多項式的たこうしきてき因子いんしむ。


10補強問題ほきょうもんだい正定値性せいていちせいpositive definiteness最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial定理確認ていりかくにん

10.1問題もんだい 7

H=(2113)

正定値性せいていちせいpositive definitenessを、固有値こゆうちeigenvalue首座小行列式しゅざしょうぎょうれつしき平方完成へいほうかんせいの 3 とおりで確認かくにんせよ。

10.2解答例かいとうれい

固有値こゆうちeigenvalue

det(H-λI)=(2-λ)(3-λ)-1=λ2-5λ+5

こんなので、

λ=5±52

であり、どちらもせいである。首座小行列式しゅざしょうぎょうれつしき2>0detH=5>0 である。また、

2x2+2xy+3y2=2(x+y2)2+52y2

なので、(x,y)0 ならせいである。

10.3解説かいせつ

実対称じつたいしょう 2×2 行列ぎょうれつでは、「固有値こゆうちeigenvalueがすべてせい」「首座小行列式しゅざしょうぎょうれつしきせい」「せい平方へいほうなおせる」というみが一致いっちする。

10.4問題もんだい 8

実対称じつたいしょう場合ばあい二次形式にじけいしきquadratic form q(x)=xTAx正定値せいていちpositive definiteであることと、A固有値こゆうちeigenvalueがすべてせいであることが同値どうちequivalentである理由りゆう証明しょうめいせよ。

10.5解答例かいとうれい

スペクトル定理spectral theoremより、直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrix Qもちいて

QTAQ=diag(λ1,,λn)

ける。y=QTx とおくと、Q可逆かぎゃくinvertibleながさをたもつので、x0y0同値どうちequivalentである。このとき

q(x)=xTAx=yTdiag(λ1,,λn)y=iλiyi2

である。すべての λi>0 なら、y0たいしてこのせいである。ぎゃくに、ある λj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0 があれば y=ejることで q(x)=λj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0 となる方向ほうこう存在そんざいし、正定値せいていちpositive definiteではない。

10.6解説かいせつ

スペクトル定理spectral theorem二次形式にじけいしきquadratic form独立どくりつ平方座標へいほうざひょう分解ぶんかいする。正定値性せいていちせいは、その係数けいすうがすべてせいであることにひとしい。

10.7問題もんだい 9

最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial一次式いちじしき分解ぶんかいする複素行列ふくそぎょうれつについて、対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableであることと、最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial重複ちょうふくする一次因子いちじいんしたないことが同値どうちequivalentである理由りゆう説明せつめいせよ。問題もんだい 4 の DJ確認かくにんせよ。

10.8解答例かいとうれい

行列ぎょうれつ対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableなら、対角成分たいかくせいぶんあらわれる相異あいことなる固有値こゆうちeigenvalueλ1,,λs として、

i=1s(t-λi)

対角行列たいかくぎょうれつを 0 にし、したがってもと行列ぎょうれつも 0 にする。重複因子ちょうふくいんし不要ふようである。ぎゃくに、最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial相異あいことなる一次因子いちじいんしせきなら、空間くうかん固有空間こゆうくうかんeigenspace直和ちょくわ分解ぶんかいし、固有こゆうベクトルeigenvector基底きていbasisれる。

D では mD(t)=t-1重複因子ちょうふくいんしがなく、対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableである。J では mJ(t)=(t-1)2重複因子ちょうふくいんしがあり、対角化可能たいかくかかのうdiagonalizableではない。

10.9解説かいせつ

最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial重複因子ちょうふくいんしは、最大さいだいのジョルダンブロックのおおきさをはかる。1 よりおおきいブロックがあるとき、重複因子ちょうふくいんしあらわれる。

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