ベクトル $\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix}$ と $\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{bmatrix}$ で生成される $K^3$ の部分空間を $W$ とする。$K^3$ から $W$ への正射影作用素を、$K^3$ の1次変換 $p_W: K^3 \rightarrow K^3$ とみなすとき、その標準基底に関する表現行列を求めよ。

代数学線形代数ベクトル空間正射影表現行列
2025/7/15

1. 問題の内容

ベクトル [110]\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix}[011]\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{bmatrix} で生成される K3K^3 の部分空間を WW とする。K3K^3 から WW への正射影作用素を、K3K^3 の1次変換 pW:K3K3p_W: K^3 \rightarrow K^3 とみなすとき、その標準基底に関する表現行列を求めよ。

2. 解き方の手順

まず、WW の基底を v1=[110]\mathbf{v}_1 = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix}v2=[011]\mathbf{v}_2 = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{bmatrix} とする。
WW の直交補空間 WW^\perp を求める。WW^\perp のベクトル u=[xyz]\mathbf{u} = \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \end{bmatrix} は、v1\mathbf{v}_1v2\mathbf{v}_2 の両方と直交するため、以下の連立方程式を満たす。
$ \begin{cases}
\mathbf{v}_1 \cdot \mathbf{u} = x + y = 0 \\
\mathbf{v}_2 \cdot \mathbf{u} = y + z = 0
\end{cases} $
x=yx = -y かつ z=yz = -y なので、WW^\perp のベクトルは [yyy]=y[111]\begin{bmatrix} -y \\ y \\ -y \end{bmatrix} = y\begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} の形になる。
したがって、v3=[111]\mathbf{v}_3 = \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}WW^\perp の基底ベクトルである。
次に、K3K^3 の標準基底 e1=[100]\mathbf{e}_1 = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}, e2=[010]\mathbf{e}_2 = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix}, e3=[001]\mathbf{e}_3 = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}WW への正射影を計算する。
pW(x)=xxv3v3v3v3p_W(\mathbf{x}) = \mathbf{x} - \frac{\mathbf{x} \cdot \mathbf{v}_3}{\mathbf{v}_3 \cdot \mathbf{v}_3} \mathbf{v}_3
を使って各正射影を計算する。
pW(e1)=[100][100][111][111][111][111]=[100]13[111]=[100]+[1/31/31/3]=[2/31/31/3]p_W(\mathbf{e}_1) = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} - \frac{\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}}{\begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}} \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} - \frac{-1}{3} \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} -1/3 \\ 1/3 \\ -1/3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2/3 \\ 1/3 \\ -1/3 \end{bmatrix}
pW(e2)=[010][010][111][111][111][111]=[010]13[111]=[010]+[1/31/31/3]=[1/32/31/3]p_W(\mathbf{e}_2) = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} - \frac{\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}}{\begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}} \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} - \frac{1}{3} \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 1/3 \\ -1/3 \\ 1/3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1/3 \\ 2/3 \\ 1/3 \end{bmatrix}
pW(e3)=[001][001][111][111][111][111]=[001]13[111]=[001]+[1/31/31/3]=[1/31/32/3]p_W(\mathbf{e}_3) = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} - \frac{\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}}{\begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}} \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} - \frac{-1}{3} \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} -1/3 \\ 1/3 \\ -1/3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -1/3 \\ 1/3 \\ 2/3 \end{bmatrix}
したがって、求める表現行列は、
[2/31/31/31/32/31/31/31/32/3]\begin{bmatrix} 2/3 & 1/3 & -1/3 \\ 1/3 & 2/3 & 1/3 \\ -1/3 & 1/3 & 2/3 \end{bmatrix}

3. 最終的な答え

[2/31/31/31/32/31/31/31/32/3]\begin{bmatrix} 2/3 & 1/3 & -1/3 \\ 1/3 & 2/3 & 1/3 \\ -1/3 & 1/3 & 2/3 \end{bmatrix}

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