3次正方行列 $A$ に対して、$\det(A - xI_3) = -x^3 + \operatorname{tr}(A)x^2 - \operatorname{tr}(\tilde{A})x + \det(A)$ が成り立つことを証明せよ。ここで、$\tilde{A}$ は $A$ の余因子行列を表し、$I_3$ は3次の単位行列、$tr$はトレースを表す。

代数学線形代数行列式固有値トレース余因子行列
2025/6/12

1. 問題の内容

3次正方行列 AA に対して、det(AxI3)=x3+tr(A)x2tr(A~)x+det(A)\det(A - xI_3) = -x^3 + \operatorname{tr}(A)x^2 - \operatorname{tr}(\tilde{A})x + \det(A) が成り立つことを証明せよ。ここで、A~\tilde{A}AA の余因子行列を表し、I3I_3 は3次の単位行列、trtrはトレースを表す。

2. 解き方の手順

A=(aij)A = (a_{ij}) を3次正方行列とする。
AxI3=(a11xa12a13a21a22xa23a31a32a33x)A - xI_3 = \begin{pmatrix} a_{11}-x & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22}-x & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33}-x \end{pmatrix}
とおくと、
det(AxI3)\det(A - xI_3)xx の3次多項式として表される。
det(AxI3)=(a11x)((a22x)(a33x)a23a32)a12(a21(a33x)a23a31)+a13(a21a32(a22x)a31)\det(A - xI_3) = (a_{11}-x)((a_{22}-x)(a_{33}-x) - a_{23}a_{32}) - a_{12}(a_{21}(a_{33}-x) - a_{23}a_{31}) + a_{13}(a_{21}a_{32} - (a_{22}-x)a_{31})
=(a11x)(a22a33a22xa33x+x2a23a32)a12(a21a33a21xa23a31)+a13(a21a32a22a31+a31x)= (a_{11}-x)(a_{22}a_{33} - a_{22}x - a_{33}x + x^2 - a_{23}a_{32}) - a_{12}(a_{21}a_{33} - a_{21}x - a_{23}a_{31}) + a_{13}(a_{21}a_{32} - a_{22}a_{31} + a_{31}x)
=a11a22a33a11a22xa11a33x+a11x2a11a23a32a22a33x+a22x2+a33x2x3+a23a32xa12a21a33+a12a21x+a12a23a31+a13a21a32a13a22a31+a13a31x= a_{11}a_{22}a_{33} - a_{11}a_{22}x - a_{11}a_{33}x + a_{11}x^2 - a_{11}a_{23}a_{32} - a_{22}a_{33}x + a_{22}x^2 + a_{33}x^2 - x^3 + a_{23}a_{32}x - a_{12}a_{21}a_{33} + a_{12}a_{21}x + a_{12}a_{23}a_{31} + a_{13}a_{21}a_{32} - a_{13}a_{22}a_{31} + a_{13}a_{31}x
=x3+(a11+a22+a33)x2+(a11a22a11a33a22a33+a23a32+a12a21+a13a31)x+(a11a22a33a11a23a32a12a21a33+a12a23a31+a13a21a32a13a22a31)= -x^3 + (a_{11} + a_{22} + a_{33})x^2 + (-a_{11}a_{22} - a_{11}a_{33} - a_{22}a_{33} + a_{23}a_{32} + a_{12}a_{21} + a_{13}a_{31})x + (a_{11}a_{22}a_{33} - a_{11}a_{23}a_{32} - a_{12}a_{21}a_{33} + a_{12}a_{23}a_{31} + a_{13}a_{21}a_{32} - a_{13}a_{22}a_{31})
ここで、tr(A)=a11+a22+a33\operatorname{tr}(A) = a_{11} + a_{22} + a_{33}.
det(A)=a11a22a33a11a23a32+a12a23a31a12a21a33+a13a21a32a13a22a31\det(A) = a_{11}a_{22}a_{33} - a_{11}a_{23}a_{32} + a_{12}a_{23}a_{31} - a_{12}a_{21}a_{33} + a_{13}a_{21}a_{32} - a_{13}a_{22}a_{31}.
余因子行列 A~\tilde{A} の対角成分は、
a~11=a22a33a23a32\tilde{a}_{11} = a_{22}a_{33} - a_{23}a_{32}
a~22=a11a33a13a31\tilde{a}_{22} = a_{11}a_{33} - a_{13}a_{31}
a~33=a11a22a12a21\tilde{a}_{33} = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}
したがって、
tr(A~)=a~11+a~22+a~33=a22a33a23a32+a11a33a13a31+a11a22a12a21\operatorname{tr}(\tilde{A}) = \tilde{a}_{11} + \tilde{a}_{22} + \tilde{a}_{33} = a_{22}a_{33} - a_{23}a_{32} + a_{11}a_{33} - a_{13}a_{31} + a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}
よって、
det(AxI3)=x3+tr(A)x2tr(A~)x+det(A)\det(A - xI_3) = -x^3 + \operatorname{tr}(A)x^2 - \operatorname{tr}(\tilde{A})x + \det(A).

3. 最終的な答え

det(AxI3)=x3+tr(A)x2tr(A~)x+det(A)\det(A - xI_3) = -x^3 + \operatorname{tr}(A)x^2 - \operatorname{tr}(\tilde{A})x + \det(A)

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