与えられた3つの行列 $A_1$, $A_2$, $A_3$ の階段行列を求める。

代数学行列階段行列線形代数
2025/5/28

1. 問題の内容

与えられた3つの行列 A1A_1, A2A_2, A3A_3 の階段行列を求める。

2. 解き方の手順

(1) 行列 A1A_1 の階段行列を求める。
A1=[331731220420331531333903]A_1 = \begin{bmatrix} -3 & 3 & -1 & -7 & -3 & -1 \\ 2 & -2 & 0 & 4 & -2 & 0 \\ 3 & -3 & -1 & 5 & -3 & -1 \\ -3 & 3 & -3 & -9 & 0 & -3 \end{bmatrix}
まず、1行目を 1/3-1/3 倍する。
[111/37/311/3220420331531333903]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 1/3 & 7/3 & 1 & 1/3 \\ 2 & -2 & 0 & 4 & -2 & 0 \\ 3 & -3 & -1 & 5 & -3 & -1 \\ -3 & 3 & -3 & -9 & 0 & -3 \end{bmatrix}
次に、2行目から1行目の2倍を引く、3行目から1行目の3倍を引く、4行目に1行目の3倍を足す。
[111/37/311/3002/32/342/3002262002232]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 1/3 & 7/3 & 1 & 1/3 \\ 0 & 0 & -2/3 & -2/3 & -4 & -2/3 \\ 0 & 0 & -2 & -2 & -6 & -2 \\ 0 & 0 & -2 & -2 & 3 & -2 \end{bmatrix}
次に、2行目を 3/2-3/2 倍する。
[111/37/311/3001161002262002232]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 1/3 & 7/3 & 1 & 1/3 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 6 & 1 \\ 0 & 0 & -2 & -2 & -6 & -2 \\ 0 & 0 & -2 & -2 & 3 & -2 \end{bmatrix}
次に、3行目に2行目の2倍を足す、4行目に2行目の2倍を足す。
[111/37/311/30011610000600000150]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 1/3 & 7/3 & 1 & 1/3 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 6 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 6 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 15 & 0 \end{bmatrix}
次に、3行目を 1/61/6 倍する。
[111/37/311/30011610000100000150]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 1/3 & 7/3 & 1 & 1/3 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 6 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 15 & 0 \end{bmatrix}
次に、4行目から3行目の15倍を引く。
[111/37/311/3001161000010000000]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 1/3 & 7/3 & 1 & 1/3 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 6 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}
(2) 行列 A2A_2 の階段行列を求める。
A2=[242320121213242313363110]A_2 = \begin{bmatrix} -2 & 4 & 2 & 3 & 2 & 0 \\ -1 & 2 & 1 & -2 & -1 & 3 \\ -2 & 4 & 2 & -3 & -1 & -3 \\ 3 & -6 & -3 & -1 & -1 & 0 \end{bmatrix}
まず、1行目を 1/2-1/2 倍する。
[1213/210121213242313363110]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ -1 & 2 & 1 & -2 & -1 & 3 \\ -2 & 4 & 2 & -3 & -1 & -3 \\ 3 & -6 & -3 & -1 & -1 & 0 \end{bmatrix}
次に、2行目に1行目を足す、3行目に1行目の2倍を足す、4行目から1行目の3倍を引く。
[1213/2100007/2230006330007/220]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -7/2 & -2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & -6 & -3 & -3 \\ 0 & 0 & 0 & 7/2 & 2 & 0 \end{bmatrix}
次に、2行目を 2/7-2/7 倍する。
[1213/21000014/76/70006330007/220]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 4/7 & -6/7 \\ 0 & 0 & 0 & -6 & -3 & -3 \\ 0 & 0 & 0 & 7/2 & 2 & 0 \end{bmatrix}
次に、3行目に2行目の6倍を足す、4行目から2行目の7/2倍を引く。
[1213/21000014/76/700003/763/700002/73]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 4/7 & -6/7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 3/7 & -63/7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & -2/7 & -3 \end{bmatrix}
次に、3行目を 7/37/3 倍する。
[1213/21000014/76/700001700002/73]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 4/7 & -6/7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & -2/7 & -3 \end{bmatrix}
次に、4行目に3行目の2/7倍を足す。
[1213/21000014/76/7000017000005]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 4/7 & -6/7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -5 \end{bmatrix}
次に、4行目を 1/5-1/5 倍する。
[1213/21000014/76/7000017000001]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 4/7 & -6/7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}
(3) 行列 A3A_3 の階段行列を求める。
A3=[322972306396012312036936]A_3 = \begin{bmatrix} 3 & -2 & -2 & 9 & -7 & -2 \\ 3 & 0 & -6 & 3 & -9 & -6 \\ 0 & 1 & -2 & -3 & -1 & -2 \\ 0 & 3 & -6 & -9 & -3 & -6 \end{bmatrix}
まず、1行目を 1/31/3 倍する。
[12/32/337/32/3306396012312036936]\begin{bmatrix} 1 & -2/3 & -2/3 & 3 & -7/3 & -2/3 \\ 3 & 0 & -6 & 3 & -9 & -6 \\ 0 & 1 & -2 & -3 & -1 & -2 \\ 0 & 3 & -6 & -9 & -3 & -6 \end{bmatrix}
次に、2行目から1行目の3倍を引く。
[12/32/337/32/3024624012312036936]\begin{bmatrix} 1 & -2/3 & -2/3 & 3 & -7/3 & -2/3 \\ 0 & 2 & -4 & -6 & -2 & -4 \\ 0 & 1 & -2 & -3 & -1 & -2 \\ 0 & 3 & -6 & -9 & -3 & -6 \end{bmatrix}
次に、2行目を 1/21/2 倍する。
[12/32/337/32/3012312012312036936]\begin{bmatrix} 1 & -2/3 & -2/3 & 3 & -7/3 & -2/3 \\ 0 & 1 & -2 & -3 & -1 & -2 \\ 0 & 1 & -2 & -3 & -1 & -2 \\ 0 & 3 & -6 & -9 & -3 & -6 \end{bmatrix}
次に、3行目から2行目を引く、4行目から2行目の3倍を引く。
[12/32/337/32/3012312000000000000]\begin{bmatrix} 1 & -2/3 & -2/3 & 3 & -7/3 & -2/3 \\ 0 & 1 & -2 & -3 & -1 & -2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

3. 最終的な答え

A1A_1 の階段行列: [111/37/311/3001161000010000000]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 1/3 & 7/3 & 1 & 1/3 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 6 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}
A2A_2 の階段行列: [1213/21000014/76/7000017000001]\begin{bmatrix} 1 & -2 & -1 & -3/2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 4/7 & -6/7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & -7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}
A3A_3 の階段行列: [12/32/337/32/3012312000000000000]\begin{bmatrix} 1 & -2/3 & -2/3 & 3 & -7/3 & -2/3 \\ 0 & 1 & -2 & -3 & -1 & -2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

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