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行列の n 乗の計算問題|対角化とケイリー・ハミルトン

と書けたら、 乗すると間の が次々に消えます[1]

は対角行列なので、 は成分を 乗するだけ。 乗でも手で書けます。

対角化できないときは、 と分けて二項定理を使うか、ケイリー・ハミルトンで次数を下げます。

以下 12 問。対角行列から始めて、対角化、べき零、ジョルダン細胞、周期を持つ行列まで扱います。

問題 1

対角行列なので、成分をそのまま 乗します。

です。

問題 2

と分けます。 成分だけが で、

は可換なので二項定理が使え、 以降が消えます。

右上が ずつ増えるだけ。 の右上は です。

問題 3

上三角なので固有値は 。相異なるので対角化できます。

の固有ベクトルは です。

なので、公式に入れると 自身になります。

を入れると 成分が で、 に戻ります。

問題 4

対称行列です。固有値は 、固有ベクトルは

対称なので固有ベクトルが直交します。正規化して を作れば、 で済みます。

で確かめます。。直接 を計算しても同じです。

問題 5

固有多項式は 。ケイリー・ハミルトンより です[2]

。係数がフィボナッチ数になります。

なら と一致します。

固有値が無理数でも、次数下げなら整数の計算だけで進みます。

問題 6

成分だけが になります。

ではすべて零行列。べき零行列は、有限回で消えます。

が右上へ動いていき、外へ出たところで終わり。細胞のサイズが、消えるまでの回数にあたります。

問題 7

と分けます。 は可換で、

二項定理を当てると、 の項が消えます[3]

乗に加えて、 という項が右上に出ます。

問題 8

次のジョルダン細胞 について を求めてください。

なので、二項定理の項は つだけ残ります。

は対角の つ右、 つ右に を置く行列です。だから右上の段ごとに、係数が変わります。

問題 9

度回転です。 になります。

回で単位行列に戻るので、 で割った余りだけで決まります。

なら なので です。

固有値が で絶対値が なので、いくら掛けても大きくなりません。

問題 10

を満たす行列について、 を求めてください。

を繰り返し使うと、

すべての です。射影は、何度当てても結果が変わりません。

固有値が しかないことからも分かります。 で、対角成分が動きません。

問題 11

の形です。 なので、問題 2 と同じ理屈が通ります。

の右上は 乗にはなりません。

問題 12

固有値は の重解で、対角化できません。 と分けます。

で確かめます。。直接 を計算しても同じです。

対角化できる

で終わる。固有値の 乗を並べるだけ

対角化できない

に分けて二項定理。 のような項が余分に出る

固有値を出す

重解がなければ対角化

あれば に分けるか次数を下げる

発展

が大きいときの振る舞いは、固有値の絶対値で決まります。すべて 未満なら に落ちる。

を超えるものが つでもあれば発散します。ちょうど のときは、細胞のサイズによって の多項式ぶんだけ伸びる。

確率行列は固有値の絶対値が 以下で、 が必ず入ります。 が定常分布へ近づく仕組みが、この形から読めます。

が固有値の 次のジョルダン細胞について、 成分はどれですか。

__RESULT__

を二項展開すると です。 で、それ以降の項が消えます。 成分だけが なので、そこに が入ります。

対角化できる場合も確かめます。

のとき、 を求める式はどれですか。

__RESULT__

で、間の が単位行列になって消えます。残るのは 自身は 乗されません。

対角化できるなら 、できないなら に分ける。どちらでも、 の式として書き下せます。 乗を直接掛ける必要はありません。

参考文献

Sergei Treil. *Linear Algebra Done Wrong*, Chapter 4. Brown University.
Keith Conrad. *The Minimal Polynomial and Some Applications*. University of Connecticut.
David Dummit. *Applications of the Jordan Canonical Form*. Math 4571, Northeastern University.
$A = PDP^{-1}$ なら、$n$ 乗したとき間の $P^{-1}P$ が次々に消えて $PD^nP^{-1}$ が残ります。$D$ は成分を $n$ 乗するだけなので、$100$ 乗でも手で書ける。対角化できないときは $\lambda I + N$ に分けて二項定理を使うと、$N^2 = O$ から $n\lambda^{n-1}$ の項までで止まります。12 問で、対角行列、対称行列、ジョルダン細胞、べき零、$4$ 回で単位行列に戻る回転行列、$P^n = P$ になる射影を扱いました。$(1,1;1,0)$ の $n$ 乗にフィボナッチ数が並ぶ話、ケイリー・ハミルトンで次数を下げる手順も入れています。