[math]平成23年度京都大学大学院理学研究科(数学・数理解析学専攻) 数学系入試試験問題 基礎数学第1問

問題

\(x\)を複素数とする。\(4\)次複素正則行列$$\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
x & 1 & -1 & 1 \\
1 & x & 1 & -1 \\
-1 & 1 & x & 1 \\
1 & -1 & 1 & x
\end{array}\right)
\end{equation}$$の階数を求めよ。

方針

基本変形を繰り返す。

解答

第\(1\)行と第\(4\)行、第\(2\)行と第\(3\)行を交換する。

$$\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
1 & -1 & 1 & x \\
-1 & 1 & x & 1 \\
1 & x & 1 & -1 \\
x & 1 & -1 & 1
\end{array}\right)
\end{equation}$$

第\(2\)行に第 \(1\)行を加え、第 \(3\)行から第 \(1\)行を引き、第 \(4\)行から第 \(1\)行 \(\times x\)を引く。

$$\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
1 & -1 & 1 & x \\
0 & 0 & x+1 & x+1 \\
0 & x+1 & 0 & -1-x \\
0 & 1+x & -1-x & 1-x^2
\end{array}\right)
\end{equation}$$

\((1)\) \(x=-1\)の時、上記の行列は

$$\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
1 & -1 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0
\end{array}\right)
\end{equation}$$

となり、階数は\(1\)となる。

\((2)\) \(x\ne -1\)の時、\(2, 3, 4\)行目を\(x+1\)で割って、

\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
1 & -1 & 1 & x \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 0 & -1 \\
0 & 1 & -1 & 1-x
\end{array}\right)
\end{equation}

第\(2, 3\)行を入れ替え、

\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
1 & -1 & 1 & x \\
0 & 1 & 0 & -1 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
0 & 1 & -1 & 1-x
\end{array}\right)
\end{equation}

となる。第\(4\)行から第\(2\)行を引くと、

\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
1 & -1 & 1 & x \\
0 & 1 & 0 & -1 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
0 & 0 & -1 & 2-x
\end{array}\right)
\end{equation}

となる。第\(4\)行に第\(3\)行を足すと、

\begin{equation}
\left(\begin{array}{cccc}
1 & -1 & 1 & x \\
0 & 1 & 0 & -1 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
0 & 0 & 0 & 3-x
\end{array}\right)
\end{equation}

となる。以上から、

\(x=-1\)の時階数は\(1\)、\(x = 3\)の時階数は\(3\)、それ以外の時は階数は\(4\)

となる。

解説

与えられた行列の行列式は\((x+1)^3 (x-3)\)となる。したがって、\(x\ne -1, 3\)の時は階数は\(4\)になることは分かる。

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