京大理系数学'03年前期[5]
a,b,c,dを実数とする。2次の正方行列と2次の単位行列Eに対して、集合を
とする。このとき次の条件(*)が成立するための、a,b,c,dについての必要十分条件を求めよ。
(*) の要素Bは零行列でなければ逆行列をもつ
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解答 論理構造が複雑で、試験場では、答案をまとめるのに苦労するだろうと思います。
(i) のとき ・ならば、の要素はAにかかわらず無条件に零行列になります。 が零行列となるのは、のとき ・・・@
@以外のときで、が逆行列をもつのは、のとき ・・・A
・のときにはBは成立しないので、は零行列に成り得ません。 このとき、は、Aにかかわらず無条件に逆行列をもちます。
・のときには、Bが成立するのは、 かつのとき、 ・・・C となれば、は零行列になります。
となれば、は、逆行列をもちます。 Cが成立しないときには、は零行列にはなり得ません。このとき、が逆行列をもつのは、 のときです。
両辺をで割り、とおくと、 これが成立するのは、tの2次方程式:が実数解をもたないときで、
判別式:のとき ・・・D (2次方程式の一般論を参照)
ここで、@はCに含まれます。
D ⇔ より、AはDに含まれます。
従って、(*) ⇒ CまたはD
逆に、Cが成立するとき、の要素はであって、なら零行列になりますが、なら逆行列をもつので、(*)は成立します。
Cが成立せずDが成立するとき、の要素は、なら零行列になりますが、それ以外には零行列になる場合はなく、tの2次方程式:は、判別式より実数解をもたず、より、は逆行列をもつので、(*)は成立します。
以上より、求める必要十分条件は、CまたはDで、
“かつ” または、 ......[答]
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