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Topos Uranos

要約

この課は、コースの四つ目の単元を開く。この単元は行列と代数的構造を扱う。単元を構成する七つの課と、それらを結ぶ糸を紹介する。すなわち、連立一次方程式の係数の表は固有の演算をもつ対象となり、行列式は係数行列が正方行列である連立方程式がいつただ一つの解をもつかを判定し、逆行列はそれを一挙に解き、行列は平面の変換として読まれ、複素数は行列の一族として再び現れ、これらすべての計算に共通するものは、代数的な意味での群・環・体の概念に凝縮される。これらの考えの歴史的背景を『九章算術』からケイリー、ガロア、ネーターまでたどり、それらを生んだ二つの問題、すなわち連立一次方程式の解法と多項式方程式のべき根による解法を正確に定式化し、それらがどこで再び使われるかを示す。このコースでは、とくにコースを締めくくる空間の解析幾何で使われ、サイトのほかのコースで、そして科学と技術でも使われる。

学習目標

  1. 単元の課の順序を述べ、それぞれの課が連立一次方程式、平面の変換、代数的構造の学習に何をもたらすかを説明すること。
  2. 行列、行列式、群の概念をその歴史的文脈に位置づけ、それぞれが解決するために現れた問題を挙げること。
  3. 三つの未知数をもつ古典的な問題を行列方程式として立て、消去法と行列式によって解くこと。
  4. 二次方程式を例にとって、方程式の根の置換の研究がなぜ群の概念に導いたのかを説明し、行列と代数的構造の現在の用途を挙げること。

導入テスト

単元を学び始める前に、出発点を測っておくとよい。最初の九問は七つの内容の課を順にたどり、中心となる二つの課、すなわち行列式の課と逆行列の課には二問ずつを充てる。十問目はモデル化の問題で、具体的な状況を行列の積を用いて定式化することを求める。同じ技能は最後のまとめの課で再び測られる。最後の三問は、単元がコース I と極形式の複素数の単元から既知とみなしていることを確かめる。採点はない。何が身についているか、どこで立ち止まるべきかを知るためのものである。

導入テスト

単元を始める前に、自分の出発点を測りましょう。短い自己評価です。採点はされず、結果はあなたのブラウザーにだけ保存されます。

  1. 問 1A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}、B=(0121)B = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 2 & 1 \end{pmatrix} とする。積 ABAB はどれか。

  2. 問 2連立方程式 x+y+z=1x + y + z = 1、x+2y+3z=2x + 2y + 3z = 2、2x+3y+4z=k2x + 3y + 4z = k を考える。kk がどのような値のとき解をもち、そのとき解はいくつあるか。

  3. 問 3行が (2,1,1)\left( 2, 1, 1 \right)、(1,3,−1)\left( 1, 3, -1 \right)、(0,1,4)\left( 0, 1, 4 \right) である行列の行列式を計算せよ。

  4. 問 4AA を 33 次の行列で det⁡A=2\det A = 2 を満たすものとする。det⁡(3AT)\det\left( 3 A^{\mathsf{T}} \right) はいくらか。

  5. 問 5行列 A=(3512)A = \begin{pmatrix} 3 & 5 \\ 1 & 2 \end{pmatrix} の逆行列はどれか。

  6. 問 6AA、BB、CC を同じ次数の正方行列とし、AA と BB は可逆とする。方程式 AXB=CAXB = C の解はどれか。

  7. 問 7各ベクトルを原点のまわりに反時計回りに 4 分の 1 回転させ、その後、横軸に関して対称移動する平面の変換の行列はどれか。

  8. 問 8M(z)M(z) を複素数 zz による乗法の行列とする。det⁡M(3−4i)\det M(3 - 4i) を計算せよ。

  9. 問 9次の集合のうち、示された演算に関して群であるものはどれか。

  10. 問 10ある都市には中心部に 600600 千人、周辺部に 400400 千人の住民がいる。毎年、中心部の住民の 1010 パーセントが周辺部へ移り、周辺部の住民の 2020 パーセントが中心部へ移る。それ以外に転入も転出もない。この割合が変わらないとき、二年後に中心部の住民は何千人になるか。

  11. 問 11前の単元からクラメルの公式で連立方程式 2x+3y=72x + 3y = 7、x−y=1x - y = 1 を解き、xx の値を答えよ。

  12. 問 12前の単元から44 の逆元(99 を法とする)を求めよ。すなわち、余り xx(00 以上 88 以下)で 4x≡1(mod9)4x \equiv 1 \pmod{9} を満たすものを求めよ。

  13. 問 13前の単元から1+i31 + i\sqrt{3} の極形式はどれか。