与えられた3つの4x4行列の行列式を計算する問題です。特に、行列の構造を観察し、工夫して計算量を減らすことが求められています。

代数学行列行列式線形代数余因子展開行基本変形
2025/7/30

1. 問題の内容

与えられた3つの4x4行列の行列式を計算する問題です。特に、行列の構造を観察し、工夫して計算量を減らすことが求められています。

2. 解き方の手順

(i) の行列:
与えられた行列は下三角行列なので、行列式は対角成分の積で求められます。
1020021300340004=12(3)4 \begin{vmatrix} 1 & 0 & 2 & 0 \\ 0 & 2 & -1 & 3 \\ 0 & 0 & -3 & 4 \\ 0 & 0 & 0 & 4 \end{vmatrix} = 1 \cdot 2 \cdot (-3) \cdot 4
(ii) の行列:
与えられた行列の行列式を計算します。行列式を計算する効率的な方法は、行または列に関する展開を使うことです。ここでは、行基本変形を利用して行列を簡単にすることを試みます。
1234243131424321 \begin{vmatrix} 1 & 2 & -3 & 4 \\ 2 & -4 & 3 & 1 \\ -3 & 1 & 4 & -2 \\ -4 & 3 & 2 & -1 \end{vmatrix}
1行目を-2倍して2行目に足し、1行目を3倍して3行目に足し、1行目を4倍して4行目に足します。
12340897075100111015 \begin{vmatrix} 1 & 2 & -3 & 4 \\ 0 & -8 & 9 & -7 \\ 0 & 7 & -5 & 10 \\ 0 & 11 & -10 & 15 \end{vmatrix}
次に、1列目で余因子展開します。
18977510111015 1 \cdot \begin{vmatrix} -8 & 9 & -7 \\ 7 & -5 & 10 \\ 11 & -10 & 15 \end{vmatrix}
この3x3行列の行列式を計算します。
8(515(10)10)9(7151110)7(7(10)(5)11) -8(-5 \cdot 15 - (-10) \cdot 10) - 9(7 \cdot 15 - 11 \cdot 10) - 7(7 \cdot (-10) - (-5) \cdot 11)
=8(75+100)9(105110)7(70+55) = -8(-75+100) - 9(105-110) - 7(-70+55)
=8(25)9(5)7(15) = -8(25) - 9(-5) - 7(-15)
=200+45+105 = -200 + 45 + 105
=50 = -50
(iii) の行列:
与えられた行列の行列式を計算します。
2134314213424231 \begin{vmatrix} 2 & 1 & -3 & -4 \\ 3 & -1 & 4 & -2 \\ -1 & 3 & -4 & 2 \\ -4 & 2 & -3 & 1 \end{vmatrix}
行を操作して簡略化することを試みます。
1行目に2行目を足します。
5016314213424231 \begin{vmatrix} 5 & 0 & 1 & -6 \\ 3 & -1 & 4 & -2 \\ -1 & 3 & -4 & 2 \\ -4 & 2 & -3 & 1 \end{vmatrix}
2列目で余因子展開すると計算が少し楽になります。
(1)1+2(0)342142431+(1)2+2(1)516142431+(1)3+2(3)516342431+(1)4+2(2)516342142 (-1)^{1+2}(0)\begin{vmatrix} 3&4&-2 \\ -1&-4&2 \\ -4&-3&1 \end{vmatrix} + (-1)^{2+2}(-1)\begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ -1&-4&2 \\ -4&-3&1 \end{vmatrix} + (-1)^{3+2}(3)\begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ 3&4&-2 \\ -4&-3&1 \end{vmatrix} + (-1)^{4+2}(2)\begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ 3&4&-2 \\ -1&-4&2 \end{vmatrix}
=15161424313516342431+2516342142 = -1 \cdot \begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ -1&-4&2 \\ -4&-3&1 \end{vmatrix} - 3 \cdot \begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ 3&4&-2 \\ -4&-3&1 \end{vmatrix} + 2 \cdot \begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ 3&4&-2 \\ -1&-4&2 \end{vmatrix}
それぞれの3x3行列の行列式を計算します。
516142431=5(4+6)1(1+8)6(316)=107+78=81\begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ -1&-4&2 \\ -4&-3&1 \end{vmatrix} = 5(-4+6) - 1(-1+8) - 6(3-16) = 10 - 7 + 78 = 81
516342431=5(46)1(38)6(9+16)=10+542=47\begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ 3&4&-2 \\ -4&-3&1 \end{vmatrix} = 5(4-6) - 1(3-8) - 6(-9+16) = -10 + 5 - 42 = -47
516342142=5(88)1(62)6(12+4)=04+48=44\begin{vmatrix} 5&1&-6 \\ 3&4&-2 \\ -1&-4&2 \end{vmatrix} = 5(8-8) - 1(6-2) - 6(-12+4) = 0 - 4 + 48 = 44
したがって、答えは
813(47)+2(44)=81+141+88=148 -81 - 3(-47) + 2(44) = -81 + 141 + 88 = 148

3. 最終的な答え

(i) -24
(ii) -50
(iii) 148

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