行列 $A = \begin{pmatrix} 0 & -1 & -2 \\ -2 & -1 & 2 \\ -2 & 1 & 0 \end{pmatrix}$ の $2$ つの固有値をそれぞれ $\lambda_1$, $\lambda_2$ $(\lambda_1 \lt \lambda_2)$ とする。
この時, $\lambda_1$ に対応する固有ベクトルとして最も適切なものを以下の選択肢から選びなさい。
$c_1\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} + c_2\begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}$
$c_1\begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} + c_2\begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}$
$c_1\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} + c_2\begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}$
$c_1\begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} + c_2\begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}$
$|A - \lambda E| = \overrightarrow{0}$ とすると
$\begin{eqnarray*} |A - \lambda E| & = & \begin{vmatrix} - \lambda & -1 & -2 \\ -2 & -1 -\lambda & 2 \\ -2 & 1 & - \lambda \end{vmatrix} \\[1em] & = & \lambda^2(-1 - \lambda) + 4 + 4 + 2\lambda + 2\lambda- 4(-1 - \lambda) \\[1em] & = & -\lambda^3 - \lambda^2 + 8\lambda + 12 \\[1em] & = & -(\lambda + 2)(\lambda^2 - \lambda - 6)\\[1em] & = & -(\lambda + 2)^2(\lambda -3)= 0 \end{eqnarray*}$
$\lambda_1 \lt \lambda_2$ より $\lambda_1 = -2$ である。
$\lambda = -2$ に対応する固有ベクトルを $\overrightarrow{v} = \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix}$ とすると
$\begin{eqnarray*} (A + 2E)\overrightarrow{v} & = & \begin{pmatrix} 2 & -1 & -2 \\ -2 & 1 & 2 \\ -2 & 1 & 2 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} \\[1em] & = & \begin{pmatrix} 2x - y - 2z \\ -2x + y + 2z \\ -2x + y + 2z \end{pmatrix} = \overrightarrow{0} \end{eqnarray*}$
よって $y = 2x - 2z$ となるので, 固有ベクトルに代入すると
$\overrightarrow{v} = \begin{pmatrix} x \\ 2x - 2z \\ z \end{pmatrix} = x\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} + z\begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}$
よって固有ベクトルは $\overrightarrow{v} = c_1\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix} + c_2\begin{pmatrix} 0 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}$ $( c_1\not=$ または $c_2\not=0 )$ である。