筑波大理系2008:第5問


行列 \(A = \left( \begin{array}{cc} 1 & -2 \\ -2 & 1 \end{array} \right)\) について, 次の問いに答えよ.

  1. (1) \(P = \left( \begin{array}{cc} 1 & -a \\ a & 1 \end{array} \right)\) , \(D = \left( \begin{array}{cc} x & 0 \\ 0 & y \end{array} \right)\) とする. \(AP =PD\) が成り立つとき, \(a , x , y\) を求めよ. ただし \(a \gt 0\) とする.

  2. (2) \(\left( A +tE \right)^n =4E\) が成り立つような実数 \(t\) と自然数 \(n\) の組をすべて求めよ. ただし, \(E = \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right)\) とする.


【 解 答 】

(1)

\[\begin{align} AP & = \left( \begin{array}{cc} 1 & -2 \\ -2 & 1 \end{array} \right) \left( \begin{array}{cc} 1 & -a \\ a & 1 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{cc} -2a+1 & -a-2 \\ a-2 & 2a+1 \end{array} \right) , \\ PD & = \left( \begin{array}{cc} 1 & -a \\ a & 1 \end{array} \right) \left( \begin{array}{cc} x & 0 \\ 0 & y \end{array} \right) = \left( \begin{array}{cc} x & -ay \\ ax & y \end{array} \right) \end{align}\] したがって, 条件より \[ \left\{\begin{array}{ll} x = -2a+1 & ... [1] \\ -ay = -a-2 & ... [2] \\ ax = a-2 & ... [3] \\ y = 2a+1 & ... [4] \end{array}\right. \] [1] を [3] に代入すると \[\begin{align} -2a^2 +a & = a-2 \\ a^2 & = 1 \\ \text{∴} \quad a & = 1 \quad ( \ \text{∵} \ a \gt 0 \ ) \end{align}\] これを [1] [4] に代入すると \[ x = -1 , \ y = 3 \] これらは [2] もみたしている.
よって \[ (a,x,y) = \underline{( 1 , -1 , 3 )} \]

(2)

(1) の結果より \[ \det P = 1 \cdot 1 -(-1) \cdot 1 = 2 \] なので, \(P\) は逆行列をもつ.
\(\left( A +tE \right)^n = 4E\) の両辺に右から \(P^n\) を掛けると \[\begin{align} \left( AP +tP \right)^n & = 4P^n \\ \left( PD +tP \right)^n & = 4P^n \\ P^n \left( D +tE \right)^n & = 4P^n \end{align}\] 両辺に左から \(P^{-n}\) を掛ければ \[ \left( D +tE \right)^n = 4E \] ここで \[ \left( D +tE \right)^n = \left( \begin{array}{cc} (t-1)^n & 0 \\ 0 & (t+3)^n \end{array} \right) \] なので \[ \left\{\begin{array}{ll} (t-1)^n = 4 & ... [5] \\ (t+3)^n = 4 & ... [6] \end{array}\right. \] をみたす \(t , n\) を求めればよい.
[5] [6] より \[\begin{align} t = -\sqrt[n]{4} +1 & = \sqrt[n]{4} -3 \\ \text{∴} \quad \sqrt[n]{4} & = 2 \\ \text{∴} \quad n & = 2 \end{align}\] ゆえに, \(t = -1\) .
よって \[ (t, n) = \underline{( -1 , 2 )} \]

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