行列 $A = \begin{pmatrix} 1 & 4 \\ 2 & -1 \end{pmatrix}$ を対角化行列 $P = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}$ で対角化した時、どのような対角行列になるか。最も適切なものを以下の選択肢から選びなさい。
$\begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 0 & -3 \end{pmatrix}$
$\begin{pmatrix} -3 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}$
$\begin{pmatrix} 9 & 0 \\ 0 & -9 \end{pmatrix}$
$\begin{pmatrix} -9 & 0 \\ 0 & 9 \end{pmatrix}$
$P = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}$ より
$P^{-1} = \dfrac{1}{3} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 2 \end{pmatrix}$
である。よって $P$ で対角化すると
$\begin{eqnarray*} P^{-1}AP & = & \dfrac{1}{3} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 4 \\ 2 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} \\[1em] & = &\dfrac{1}{3} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 6 & 3 \\ 3 & -3 \end{pmatrix} \\[1em] & = & \dfrac{1}{3}\begin{pmatrix} 9 & 0 \\ 0 & -9 \end{pmatrix}\\[1em] & = & \begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 0 & -3 \end{pmatrix} \end{eqnarray*}$
となる。