$A$が$3 \times 2$行列、$B$、$C$がいずれも$2 \times 2$行列のとき、結合法則(III)の第1式、つまり$A(BC) = (AB)C$が成り立つことを証明せよ。

代数学行列結合法則行列の計算
2025/7/23

1. 問題の内容

AA3×23 \times 2行列、BBCCがいずれも2×22 \times 2行列のとき、結合法則(III)の第1式、つまりA(BC)=(AB)CA(BC) = (AB)Cが成り立つことを証明せよ。

2. 解き方の手順

行列AA, BB, CCをそれぞれ以下のように定義する。
A=(a11a12a21a22a31a32)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{pmatrix}
B=(b11b12b21b22)B = \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22} \end{pmatrix}
C=(c11c12c21c22)C = \begin{pmatrix} c_{11} & c_{12} \\ c_{21} & c_{22} \end{pmatrix}
まず、BCBCを計算する。
BC=(b11b12b21b22)(c11c12c21c22)=(b11c11+b12c21b11c12+b12c22b21c11+b22c21b21c12+b22c22)BC = \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} c_{11} & c_{12} \\ c_{21} & c_{22} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} b_{11}c_{11} + b_{12}c_{21} & b_{11}c_{12} + b_{12}c_{22} \\ b_{21}c_{11} + b_{22}c_{21} & b_{21}c_{12} + b_{22}c_{22} \end{pmatrix}
次に、A(BC)A(BC)を計算する。
A(BC)=(a11a12a21a22a31a32)(b11c11+b12c21b11c12+b12c22b21c11+b22c21b21c12+b22c22)A(BC) = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} b_{11}c_{11} + b_{12}c_{21} & b_{11}c_{12} + b_{12}c_{22} \\ b_{21}c_{11} + b_{22}c_{21} & b_{21}c_{12} + b_{22}c_{22} \end{pmatrix}
=(a11(b11c11+b12c21)+a12(b21c11+b22c21)a11(b11c12+b12c22)+a12(b21c12+b22c22)a21(b11c11+b12c21)+a22(b21c11+b22c21)a21(b11c12+b12c22)+a22(b21c12+b22c22)a31(b11c11+b12c21)+a32(b21c11+b22c21)a31(b11c12+b12c22)+a32(b21c12+b22c22))= \begin{pmatrix} a_{11}(b_{11}c_{11} + b_{12}c_{21}) + a_{12}(b_{21}c_{11} + b_{22}c_{21}) & a_{11}(b_{11}c_{12} + b_{12}c_{22}) + a_{12}(b_{21}c_{12} + b_{22}c_{22}) \\ a_{21}(b_{11}c_{11} + b_{12}c_{21}) + a_{22}(b_{21}c_{11} + b_{22}c_{21}) & a_{21}(b_{11}c_{12} + b_{12}c_{22}) + a_{22}(b_{21}c_{12} + b_{22}c_{22}) \\ a_{31}(b_{11}c_{11} + b_{12}c_{21}) + a_{32}(b_{21}c_{11} + b_{22}c_{21}) & a_{31}(b_{11}c_{12} + b_{12}c_{22}) + a_{32}(b_{21}c_{12} + b_{22}c_{22}) \end{pmatrix}
次に、ABABを計算する。
AB=(a11a12a21a22a31a32)(b11b12b21b22)=(a11b11+a12b21a11b12+a12b22a21b11+a22b21a21b12+a22b22a31b11+a32b21a31b12+a32b22)AB = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a_{11}b_{11} + a_{12}b_{21} & a_{11}b_{12} + a_{12}b_{22} \\ a_{21}b_{11} + a_{22}b_{21} & a_{21}b_{12} + a_{22}b_{22} \\ a_{31}b_{11} + a_{32}b_{21} & a_{31}b_{12} + a_{32}b_{22} \end{pmatrix}
最後に、(AB)C(AB)Cを計算する。
(AB)C=(a11b11+a12b21a11b12+a12b22a21b11+a22b21a21b12+a22b22a31b11+a32b21a31b12+a32b22)(c11c12c21c22)(AB)C = \begin{pmatrix} a_{11}b_{11} + a_{12}b_{21} & a_{11}b_{12} + a_{12}b_{22} \\ a_{21}b_{11} + a_{22}b_{21} & a_{21}b_{12} + a_{22}b_{22} \\ a_{31}b_{11} + a_{32}b_{21} & a_{31}b_{12} + a_{32}b_{22} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} c_{11} & c_{12} \\ c_{21} & c_{22} \end{pmatrix}
=((a11b11+a12b21)c11+(a11b12+a12b22)c21(a11b11+a12b21)c12+(a11b12+a12b22)c22(a21b11+a22b21)c11+(a21b12+a22b22)c21(a21b11+a22b21)c12+(a21b12+a22b22)c22(a31b11+a32b21)c11+(a31b12+a32b22)c21(a31b11+a32b21)c12+(a31b12+a32b22)c22)= \begin{pmatrix} (a_{11}b_{11} + a_{12}b_{21})c_{11} + (a_{11}b_{12} + a_{12}b_{22})c_{21} & (a_{11}b_{11} + a_{12}b_{21})c_{12} + (a_{11}b_{12} + a_{12}b_{22})c_{22} \\ (a_{21}b_{11} + a_{22}b_{21})c_{11} + (a_{21}b_{12} + a_{22}b_{22})c_{21} & (a_{21}b_{11} + a_{22}b_{21})c_{12} + (a_{21}b_{12} + a_{22}b_{22})c_{22} \\ (a_{31}b_{11} + a_{32}b_{21})c_{11} + (a_{31}b_{12} + a_{32}b_{22})c_{21} & (a_{31}b_{11} + a_{32}b_{21})c_{12} + (a_{31}b_{12} + a_{32}b_{22})c_{22} \end{pmatrix}
A(BC)A(BC)の(1,1)成分は a11b11c11+a11b12c21+a12b21c11+a12b22c21a_{11}b_{11}c_{11} + a_{11}b_{12}c_{21} + a_{12}b_{21}c_{11} + a_{12}b_{22}c_{21}
(AB)C(AB)Cの(1,1)成分は a11b11c11+a12b21c11+a11b12c21+a12b22c21a_{11}b_{11}c_{11} + a_{12}b_{21}c_{11} + a_{11}b_{12}c_{21} + a_{12}b_{22}c_{21}
他の成分についても同様である。したがって、A(BC)=(AB)CA(BC)=(AB)Cが成り立つ。

3. 最終的な答え

A(BC)=(AB)CA(BC) = (AB)Cが成り立つ。

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