線形代数入門 解答下書き
\[ A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} \] とする。
\begin{eqnarray*} & & A^3 \\
& = & A^2 A \\
& = & \begin{pmatrix} a^2+bc & ab+bd \\ ac + cd & bc + d^2\end{pmatrix} A \\
& = & \begin{pmatrix} a^3 + 2abc + bcd & a^2 b + b^2 c + abd + bd^2 \\ a^2c + acd + bc^2 + cd^2 & abc + 2bcd+ d^3\end{pmatrix} \end{eqnarray*}
なので \( A^3 = 0 \) のとき、
\begin{cases} a^3 + 2abc + bcd = 0 &(1)\\
a^2b + b^2 c + abd + bd^2 = 0 & (2)\\
a^2c + acd +bc^2 + cd^2 = 0 & (3)\\
abc + 2bcd + d^3 = 0 &(4) . \end{cases}
(2) より
\begin{eqnarray*} a^2 b + b^2 c + abd + bd^2 & = & 0 \\
b ( a^2 + bc + ad + d^2) & = & 0 \end{eqnarray*}
##### \( a^2 + bc + ad + d^2 = 0 \) のとき
\( bc = - (a^2 + ad + d^2) \) となるので、 (3) は成立する。
(1) を計算すると、
\begin{eqnarray*} a^3 + ( 2a + d ) \{ - ( a^2 +ad + d^2 ) \} & = & 0 \\
- a^3 - 3 a^2 d -3 a d^2 - d^3 & = & 0 \\
(a^3+d^3) + 3ad(a + d) & = & 0 \\
(a+d) ( a^2 +2ad+d^2) & = & 0 \\
(a + d)^3 & = & 0 \end{eqnarray*}
となることから、 \( a = - d \) 。
\( a^2 + bc + ad + d^2 = 0 \) と \( a = -d \) から、 \( a^2+bc = d^2 + bc = 0 \) 。
以上より、
\begin{eqnarray*} A^2 & = & \begin{pmatrix} a^2+bc & ab+bd \\ ac + cd & bc + d^2 \end{pmatrix} \\
& = & \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \end{eqnarray*}
#### \( b = 0 \) のとき
(1) に \( b = 0 \) を代入して \( a^3 = 0 \) を得る。 すなわち \( a = 0 \) 。
(4) に \( b = 0 \) を代入して \( d^3 = 0 \) を得る。 すなわち \( d = 0 \) 。
以上より
\begin{eqnarray*} A^2 & = & \begin{pmatrix} a^2+bc & ab+bd \\ ac + cd & bc + d^2 \end{pmatrix} \\
& = & \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \end{eqnarray*}