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対称行列 $A = \begin{pmatrix} -8 & -6 \\ -6 & 1 \end{pmatrix}$ を直交行列 $T$ を使って対角化すると

${}^t TAT = \begin{pmatrix} -11 & 0 \\ 0 & 4 \end{pmatrix}$

となった。この時, $T$ として最も適切なものを以下の選択肢から選びなさい。

$\dfrac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & -2 \end{pmatrix}$

$\begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & -2 \end{pmatrix}$

$\dfrac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -2 & 1 \end{pmatrix}$

$\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -2 & 1 \end{pmatrix}$

仮定から $\lambda = -11, 4$ は $A$ の固有値である。

$\lambda = -11$ の時

$\begin{pmatrix} -8 + 11 & -6 \\ -6 & 1 + 11 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \overrightarrow{0}$

とすると

$\begin{pmatrix} 3 & -6 \\ -6 & 12 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3x - 6y \\ -6x + 12y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}$

$x = 2y$ より, 固有ベクトルは $\overrightarrow{v_1} = c_1\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \end{pmatrix}$ $(c_1\not=0)$ である。

また, $\lambda = 4$ の時

$\begin{pmatrix} -8 - 4 & -6 \\ -6 & 1 -4 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \overrightarrow{0}$

とすると

$\begin{pmatrix} -12 & -6 \\ -6 & -3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -12x - 6y \\ -6x - 3y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}$

$y = -2x$ より, 固有ベクトルは $\overrightarrow{v_2} = c_2\begin{pmatrix} 1 \\ -2 \end{pmatrix}$ $(c_2\not=0)$ である。

$T$ は直交行列なので $|\overrightarrow{v_1}| = |\overrightarrow{v_2}| = 1$ とすると $c_1 = c_2 = \pm \dfrac{1}{\sqrt{5}}$ である。

よって $T = \dfrac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & -2 \end{pmatrix}$ である。