行列・関数・多項式に共通する有名な性質

更新日時 2021/03/07

このページでは，

X=X+Y2+X−Y2X=\dfrac{X+Y}{2}+\dfrac{X-Y}{2}

という等式を使ったおもしろい性質を3つ紹介します。

この恒等式は「対称的なものと交代的（反対称的）なものに分解するための恒等式」としていろいろな場面で登場します。この恒等式を背景とした入試問題もたまに出題されるので，覚えておくとよいでしょう。

目次

  • 行列：対称行列と交代行列の和に分解する

  • 関数：奇関数と偶関数の和に分解する

  • 2変数多項式：対称式と交代式の和に分解する

行列：対称行列と交代行列の和に分解する

任意の行列は対称行列と交代行列の和に分解できる

与えられた行列を，対称行列と交代行列の和で表すことができます。この事実は覚えておきましょう。

証明

A=A+AT2+A−AT2A=\dfrac{A+A^T}{2}+\dfrac{A-A^T}{2}

と分解できるが，A+AT2\dfrac{A+A^T}{2} は対称行列，A−AT2\dfrac{A-A^T}{2} は交代行列であることがそれぞれの転置を取ることで確認できる。

関数：奇関数と偶関数の和に分解する

任意の関数は偶関数と奇関数の和に分解できる

この性質を背景とする入試問題もたまに出題されます。覚えておくとよいでしょう。

証明

f(x)=f(x)+f(−x)2+f(x)−f(−x)2f(x)=\dfrac{f(x)+f(-x)}{2}+\dfrac{f(x)-f(-x)}{2}

と分解できるが，g(x)=f(x)+f(−x)2g(x)=\dfrac{f(x)+f(-x)}{2} は g(−x)=g(x)g(-x)=g(x) より偶関数，h(x)=f(x)−f(−x)2h(x)=\dfrac{f(x)-f(-x)}{2} は h(x)=−h(−x)h(x)=-h(-x) より奇関数である。

例

多項式 x3+2x2+x−1=(2x2−1)+(x3+x)x^3+2x^2+x-1=(2x^2-1)+(x^3+x)

ちなみに，このように多項式を偶数次の項と奇数次の項に分解する処理は，定積分の計算で使ったりします。

例

指数関数 exe^x

指数関数でさえも，偶関数と奇関数の和で表せてしまいます。

ex=ex+e−x2+ex−e−x2e^x=\dfrac{e^x+e^{-x}}{2}+\dfrac{e^x-e^{-x}}{2}

実は，右辺の偶関数部分はカテナリー（懸垂線）と呼ばれる有名な曲線です。偶関数の部分は cosh⁡x\cosh x 奇関数の部分は sinh⁡x\sinh x とも表され，双曲線関数とも呼ばれます。

2変数多項式：対称式と交代式の和に分解する

任意の2変数関数は対称式と交代式（反対称式）の和に分解できる

証明

f(x,y)=f(x,y)+f(y,x)2+f(x,y)−f(y,x)2f(x,y)=\dfrac{f(x,y)+f(y,x)}{2}+\dfrac{f(x,y)-f(y,x)}{2}

と分解できるが，第一項は xx と yy に関して対称であり，第二項は xx と yy に関して反対称である。

例

x2y=x2y+xy22+x2y−xy22x^2y=\dfrac{x^2y+xy^2}{2}+\dfrac{x^2y-xy^2}{2}

複数の分野において，似たような性質が成り立つことが分かりました。このように，複数の分野に共通する性質を抜き出すことを 抽象化と言ったりします。

複数の分野に共通する性質を知っていると

  1. 様々な分野を統一的に議論できる
  2. 他にもこの共通する性質を持つものが存在するのではないか？という視点を持ち，理論を拡張することができる

といった嬉しい事があります。

大学の数学は共通する性質を探っていく抽象化がどんどん行われていきます。共通する性質を追求すればするほど，具体的な議論から抽象的な話になっていくので難しく感じますが， 抽象的な議論をする際も常に具体例をイメージしておくことが重要です。

抽象的な数学は難しいですが，理解できればいろいろな分野を統一的に扱えて楽しいです。

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この記事の編集者
マスオ

高校数学の美しい物語の管理人。「わかりやすいこと」と「ごまかさないこと」の両立を意識している。著書に『高校数学の美しい物語』『超ディープな算数の教科書』。記事の誤植やわかりにくい等のご指摘はお気軽にメールください！