方針
まずトレース条件から detA=1 を求める。2次行列では (trA)2=tr(A2)+2detA が成り立つので,これで行列式が分かる。さらに2次行列の成分計算で A2+A+E=0 を得る。(2) はこの関係から (A+E)2=A,(A+E)4=A2 と簡約する。
解答
(1) Aのトレースが−1で、A2のトレースも−1である。2次行列を成分で計算すると (トレース A)2=トレース A2+2detA であるから 1=−1+2detA より detA=1 である。したがって成分計算により A2+A+E=0 となる。これにA−Eを掛けると A3=E である。
(2) A2+A+E=0より (A+E)2=A である。したがって (A+E)4=A2 である。方程式はA2(xy)=(b−a)であり、両辺にAを掛けると(xy)=A(b−a)=(0−b2−ac)=(0−1).よって (x,y)=(0,−1) である。 A2+A+E=0 を得た後の流れを補足する。この式から (A+E)2=A2+2A+E=A である。したがって (A+E)4=A2 となる。方程式は A2Cxy=Cb−a である。さらに A3=E なので両辺に左から A を掛ければ Cxy=ACb−a である。成分計算により ACb−a=Cab−ab−b2−ac=C0−(ac+b2). ここで detA=ac+b2=1 だから Cxy=C0−1 となる。
別解
解法2
方針
トレースの一般公式を引用せず、与えられた成分を直接計算してa+cとac+b²を求める。そこからA²+A+E=0を成分ごとに確認し、後半を簡約する。
解答
A のトレースからa+c=−1.(1)またA2=(a2−b2−b(a+c)b(a+c)c2−b2)だから、A2 のトレース条件はa2+c2−2b2=−1.(2)(1)を二乗し、(2)を引くと2ac+2b2=2,ac+b2=1.(3)(1)
A2+A+E の非対角成分は b(a+c+1) とその符号違いなので0である。左上成分はa2−b2+a+1=a2+a+ac=a(a+c+1)=0で、右下も同様に0である。よってA2+A+E=0.両辺に A−E を掛ければ A3=E である。
(2) (A+E)2=A,(A+E)4=A2.したがって与式へ左から A を掛けると(xy)=A(b−a)=(0−(b2+ac)).(3)より(x,y)=(0,−1).
総評
2次行列のトレースと行列式の関係を使う問題である。所要時間は18分程度。A2+A+E=0 が出ると,A3=E だけでなく (A+E)4 も一気に簡約できる。後半では ac+b2=1 を最後の成分計算に使うため,行列式の値を忘れずに保持したい。
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出典: 東北大学 1998年度 前期 理系 第2問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。