2次正方行列 $A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{pmatrix}$ に対して、$tr(A) = a_{11} + a_{22}$, $det(A) = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}$ と定義する。2次正方行列A, Bとスカラーcについて、以下の等式の真偽を判定し、根拠を述べる。 1. $tr(cA) = c \cdot tr(A)$

代数学行列線形代数トレース行列式
2025/4/30
はい、承知いたしました。以下に問題の解答を示します。

1. 問題の内容

2次正方行列 A=(a11a12a21a22)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{pmatrix} に対して、tr(A)=a11+a22tr(A) = a_{11} + a_{22}, det(A)=a11a22a12a21det(A) = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21} と定義する。2次正方行列A, Bとスカラーcについて、以下の等式の真偽を判定し、根拠を述べる。

1. $tr(cA) = c \cdot tr(A)$

2. $tr(A+B) = tr(A) + tr(B)$

3. $tr(AB) = tr(A) \cdot tr(B)$

4. $tr(AB) = tr(BA)$

5. $det(cA) = c \cdot det(A)$

6. $det(A+B) = det(A) + det(B)$

7. $det(AB) = det(A) \cdot det(B)$

8. $det(AB) = det(BA)$

2. 解き方の手順

以下、各等式の真偽を判定する。

1. $tr(cA) = c \cdot tr(A)$

cA=(ca11ca12ca21ca22)cA = \begin{pmatrix} ca_{11} & ca_{12} \\ ca_{21} & ca_{22} \end{pmatrix}
tr(cA)=ca11+ca22=c(a11+a22)=ctr(A)tr(cA) = ca_{11} + ca_{22} = c(a_{11} + a_{22}) = c \cdot tr(A)
よって真。

2. $tr(A+B) = tr(A) + tr(B)$

A=(a11a12a21a22)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{pmatrix}, B=(b11b12b21b22)B = \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22} \end{pmatrix}
A+B=(a11+b11a12+b12a21+b21a22+b22)A+B = \begin{pmatrix} a_{11}+b_{11} & a_{12}+b_{12} \\ a_{21}+b_{21} & a_{22}+b_{22} \end{pmatrix}
tr(A+B)=a11+b11+a22+b22=(a11+a22)+(b11+b22)=tr(A)+tr(B)tr(A+B) = a_{11}+b_{11} + a_{22}+b_{22} = (a_{11}+a_{22}) + (b_{11}+b_{22}) = tr(A) + tr(B)
よって真。

3. $tr(AB) = tr(A) \cdot tr(B)$

AB=(a11b11+a12b21a11b12+a12b22a21b11+a22b21a21b12+a22b22)AB = \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} \end{pmatrix}
tr(AB)=a11b11+a12b21+a21b12+a22b22tr(AB) = a_{11}b_{11} + a_{12}b_{21} + a_{21}b_{12} + a_{22}b_{22}
tr(A)tr(B)=(a11+a22)(b11+b22)=a11b11+a11b22+a22b11+a22b22tr(A) \cdot tr(B) = (a_{11}+a_{22})(b_{11}+b_{22}) = a_{11}b_{11}+a_{11}b_{22}+a_{22}b_{11}+a_{22}b_{22}
一般には tr(AB)tr(A)tr(B)tr(AB) \ne tr(A) \cdot tr(B). 例えば A=(1000)A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, B=(0001)B = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}とすると、tr(AB)=0tr(AB) = 0, tr(A)tr(B)=11=1tr(A)tr(B) = 1 \cdot 1 = 1.
よって偽。

4. $tr(AB) = tr(BA)$

BA=(b11a11+b12a21b11a12+b12a22b21a11+b22a21b21a12+b22a22)BA = \begin{pmatrix} b_{11}a_{11}+b_{12}a_{21} & b_{11}a_{12}+b_{12}a_{22} \\ b_{21}a_{11}+b_{22}a_{21} & b_{21}a_{12}+b_{22}a_{22} \end{pmatrix}
tr(BA)=b11a11+b12a21+b21a12+b22a22=a11b11+a12b21+a21b12+a22b22=tr(AB)tr(BA) = b_{11}a_{11} + b_{12}a_{21} + b_{21}a_{12} + b_{22}a_{22} = a_{11}b_{11} + a_{12}b_{21} + a_{21}b_{12} + a_{22}b_{22} = tr(AB)
よって真。

5. $det(cA) = c \cdot det(A)$

cA=(ca11ca12ca21ca22)cA = \begin{pmatrix} ca_{11} & ca_{12} \\ ca_{21} & ca_{22} \end{pmatrix}
det(cA)=(ca11)(ca22)(ca12)(ca21)=c2(a11a22a12a21)=c2det(A)det(cA) = (ca_{11})(ca_{22}) - (ca_{12})(ca_{21}) = c^2(a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}) = c^2 det(A)
よってdet(cA)=c2det(A)det(cA) = c^2det(A)なので、一般には偽。

6. $det(A+B) = det(A) + det(B)$

例えばA=(1001)A= \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, B=(1001)B=\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}のときdet(A)=1,det(B)=1,A+B=(2002),det(A+B)=4det(A)=1, det(B)=1, A+B=\begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}, det(A+B)=4なので、det(A+B)det(A)+det(B)det(A+B) \ne det(A)+det(B).
よって偽。

7. $det(AB) = det(A) \cdot det(B)$

det(AB)=(a11b11+a12b21)(a21b12+a22b22)(a11b12+a12b22)(a21b11+a22b21)det(AB) = (a_{11}b_{11}+a_{12}b_{21})(a_{21}b_{12}+a_{22}b_{22}) - (a_{11}b_{12}+a_{12}b_{22})(a_{21}b_{11}+a_{22}b_{21})
=a11b11a21b12+a11b11a22b22+a12b21a21b12+a12b21a22b22a11b12a21b11a11b12a22b21a12b22a21b11a12b22a22b21= a_{11}b_{11}a_{21}b_{12} + a_{11}b_{11}a_{22}b_{22} + a_{12}b_{21}a_{21}b_{12} + a_{12}b_{21}a_{22}b_{22} - a_{11}b_{12}a_{21}b_{11} - a_{11}b_{12}a_{22}b_{21} - a_{12}b_{22}a_{21}b_{11} - a_{12}b_{22}a_{22}b_{21}
det(A)det(B)=(a11a22a12a21)(b11b22b12b21)=a11a22b11b22a11a22b12b21a12a21b11b22+a12a21b12b21det(A)det(B) = (a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21})(b_{11}b_{22} - b_{12}b_{21}) = a_{11}a_{22}b_{11}b_{22} - a_{11}a_{22}b_{12}b_{21} - a_{12}a_{21}b_{11}b_{22} + a_{12}a_{21}b_{12}b_{21}
上式と下式を比較すると一致する。
よって真。

8. $det(AB) = det(BA)$

det(BA)=det(B)det(A)=det(A)det(B)det(BA) = det(B)det(A) = det(A)det(B) なので、7より det(AB)=det(BA)det(AB) = det(BA)
よって真。

3. 最終的な答え

1. 真

2. 真

3. 偽

4. 真

5. 偽

6. 偽

7. 真

8. 真

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