パウリ行列 $\sigma_x = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix}, \sigma_z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}$ が与えられたとき、以下の問題を解く。 I. 次の行列を求めよ。 (1) $\sigma_+ = \sigma_x + i\sigma_y$, (2) $\sigma_- = \sigma_x - i\sigma_y$, (3) $\sigma_x \sigma_x$, (4) $\sigma_x \sigma_y$, (5) $\sigma_y \sigma_z$, (6) $\sigma_x \sigma_y \sigma_z$, (7) $\sigma_y \sigma_z + \sigma_z \sigma_y$, (8) $\sigma_z \sigma_x + \sigma_x \sigma_z$, (9) $\sigma_x \sigma_y \sigma_x$ II. 次の行列式を求めよ。 (1) $|\sigma_x|$, (2) $|\sigma_y|$, (3) $|\sigma_z|$, (4) $|\sigma_x \sigma_x|$, (5) $|\sigma_y \sigma_z|$, (6) $|\sigma_z \sigma_x|$

代数学行列パウリ行列行列の計算行列式
2025/5/12

1. 問題の内容

パウリ行列 σx=(0110),σy=(0ii0),σz=(1001)\sigma_x = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix}, \sigma_z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} が与えられたとき、以下の問題を解く。
I. 次の行列を求めよ。
(1) σ+=σx+iσy\sigma_+ = \sigma_x + i\sigma_y, (2) σ=σxiσy\sigma_- = \sigma_x - i\sigma_y, (3) σxσx\sigma_x \sigma_x, (4) σxσy\sigma_x \sigma_y, (5) σyσz\sigma_y \sigma_z, (6) σxσyσz\sigma_x \sigma_y \sigma_z, (7) σyσz+σzσy\sigma_y \sigma_z + \sigma_z \sigma_y, (8) σzσx+σxσz\sigma_z \sigma_x + \sigma_x \sigma_z, (9) σxσyσx\sigma_x \sigma_y \sigma_x
II. 次の行列式を求めよ。
(1) σx|\sigma_x|, (2) σy|\sigma_y|, (3) σz|\sigma_z|, (4) σxσx|\sigma_x \sigma_x|, (5) σyσz|\sigma_y \sigma_z|, (6) σzσx|\sigma_z \sigma_x|

2. 解き方の手順

I. 行列の計算
(1) σ+=σx+iσy=(0110)+i(0ii0)=(0110)+(0110)=(0200)\sigma_+ = \sigma_x + i\sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} + i \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 2 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}
(2) σ=σxiσy=(0110)i(0ii0)=(0110)(0110)=(0020)\sigma_- = \sigma_x - i\sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} - i \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 2 & 0 \end{pmatrix}
(3) σxσx=(0110)(0110)=(1001)=I\sigma_x \sigma_x = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = I
(4) σxσy=(0110)(0ii0)=(i00i)\sigma_x \sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} i & 0 \\ 0 & -i \end{pmatrix}
(5) σyσz=(0ii0)(1001)=(0ii0)\sigma_y \sigma_z = \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & i \\ i & 0 \end{pmatrix}
(6) σxσyσz=(σxσy)σz=(i00i)(1001)=(i00i)=iI\sigma_x \sigma_y \sigma_z = (\sigma_x \sigma_y) \sigma_z = \begin{pmatrix} i & 0 \\ 0 & -i \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} i & 0 \\ 0 & i \end{pmatrix} = iI
(7) σyσz+σzσy=(0ii0)+(0ii0)=(0000)=0\sigma_y \sigma_z + \sigma_z \sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & i \\ i & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & -i \\ -i & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} = 0
(8) σzσx+σxσz=(1001)(0110)+(0110)(1001)=(0110)+(0110)=(0000)=0\sigma_z \sigma_x + \sigma_x \sigma_z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} = 0
(9) σxσyσx=(σxσy)σx=(i00i)(0110)=(0ii0)\sigma_x \sigma_y \sigma_x = (\sigma_x \sigma_y) \sigma_x = \begin{pmatrix} i & 0 \\ 0 & -i \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & i \\ -i & 0 \end{pmatrix}
II. 行列式の計算
(1) σx=(0)(0)(1)(1)=1|\sigma_x| = (0)(0) - (1)(1) = -1
(2) σy=(0)(0)(i)(i)=1|\sigma_y| = (0)(0) - (-i)(i) = -1
(3) σz=(1)(1)(0)(0)=1|\sigma_z| = (1)(-1) - (0)(0) = -1
(4) σxσx=I=1|\sigma_x \sigma_x| = |I| = 1
(5) σyσz=(0ii0)=(0)(0)(i)(i)=1|\sigma_y \sigma_z| = |\begin{pmatrix} 0 & i \\ i & 0 \end{pmatrix}| = (0)(0) - (i)(i) = 1
(6) σzσx=(0110)=(0)(0)(1)(1)=1|\sigma_z \sigma_x| = |\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}| = (0)(0) - (1)(-1) = 1

3. 最終的な答え

I.
(1) (0200)\begin{pmatrix} 0 & 2 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}
(2) (0020)\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 2 & 0 \end{pmatrix}
(3) (1001)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
(4) (i00i)\begin{pmatrix} i & 0 \\ 0 & -i \end{pmatrix}
(5) (0ii0)\begin{pmatrix} 0 & i \\ i & 0 \end{pmatrix}
(6) (i00i)\begin{pmatrix} i & 0 \\ 0 & i \end{pmatrix}
(7) (0000)\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}
(8) (0000)\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}
(9) (0ii0)\begin{pmatrix} 0 & i \\ -i & 0 \end{pmatrix}
II.
(1) 1-1
(2) 1-1
(3) 1-1
(4) 11
(5) 11
(6) 11

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