次の行列 $A$ に対し, $A^{n}$ の $(1,1)$ 成分として最も適切なものを以下の選択肢から選びなさい。
$A = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{pmatrix}$
$2^{n-1}$
$2^{n}-1$
$1$
$\dfrac{1 + (-1)^n}{2}$
$A^n = \begin{pmatrix} a_n & b_n \\ c_n & d_n \end{pmatrix}$
とすると
$A = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{pmatrix}$
より
$a_1 = d_1 = 1,~~b_1=c_1 = -1$
であり, また
$\begin{eqnarray*} A^{n+1} & = & A^nA\\[1em] & = & \begin{pmatrix} a_n & b_n \\ c_n & d_n \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 1 \end{pmatrix}\\[1em] & = & \begin{pmatrix} a_n - b_n & -a_n + b_n \\ c_n - d_n & -c_n + d_n \end{pmatrix} \end{eqnarray*}$
よって
$\begin{pmatrix} a_{n+1} & b_{n+1} \\ c_{n+1} & d_{n+1} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a_n - b_n & -a_n + b_n \\ c_n - d_n & -c_n + d_n \end{pmatrix}$
が成り立つ。すると
$a_{n+1} + b_{n+1} = 0$
かつ $a_1 + b_1 = 0$ であるから
$a_{n} + b_{n} = 0~~~\cdots (1)$
であり, また
$a_{n+1} - b_{n+1} = 2(a_n - b_n)$
かつ $a_1 - b_1 = 2$ であるから
$a_n - b_n = 2^n~~~\cdots (2)$
が成り立つ。$(1)$ と $(2)$ を加えると
$2a_n = 2^n$
よって
$a_n = 2^{n-1}$
より $A^n$ の $(1,1)$ 成分は $2^{n-1}$ である。