(1)
∣S0−λE∣=cosθ−λ0sinθ0−λ0sinθ0−cosθ−λ=λ(cosθ−λ)(cosθ+λ)+λsin2θ
=λcos2θ−λ3+λsin2θ=−λ3+λ=−λ(λ2−1)=0
λ=0,±1
λ=−1のとき
cosθ+10sinθ010sinθ0−cosθ+1→cos2θ−10sin2θ010sinθ(cosθ−1)0−sinθ(cosθ−1)→−sin2θ0sin2θ010sinθ(cosθ−1)0−sinθ(cosθ−1)
→−sin2θ00010sinθ(cosθ−1)00→100010−sinθcosθ−100
p1=C1sinθcosθ−101→cosθ−10sinθ→−2sin22θ0sinθ→−sin2θ02sin2θcos2θ→−sin2θ02sin2θcos2θ
λ=0 のとき
cosθ0sinθ000sinθ0−cosθ→cosθsinθcosθsinθ0000sin2θ−cos2θ0→cosθsinθ00000sin2θ−10→100000cosθsinθ10→100000010
p2=C2010
λ=1 のとき
cosθ−10sinθ010sinθ0−cosθ−1→cos2θ−10sin2θ010sinθ(cosθ+1)0−sinθ(cosθ+1)→−sin2θ0sin2θ010sinθ(cosθ+1)0−sinθ(cosθ+1)
→−sin2θ00010sinθ(cosθ+1)00→100010−sinθcosθ+100
p1=C1sinθcosθ+101→cosθ+10sinθ→2cos22θ0sinθ→cos2θ02sin2θcos2θ→cos2θ02sin2θcos2θ→cos2θ0sin2θ
(2)
P=cos2θ0sin2θ−sin2θ0cos2θ010
とするとこれは直交行列であるので tP=P−1
v=Pv′ となるような v′ を考えると tPv=v′
v′=cos2θ−sin2θ0001sin2θcos2θ0xyz=x⋅cos2θ+z⋅sin2θ−x⋅sin2θ+z⋅cos2θy
tSθv=tv′tSθPv′=tv′1000−10000v′=x⋅cos2θ+z⋅sin2θ−x⋅sin2θ+z⋅cos2θyt1000−10000x⋅cos2θ+z⋅sin2θ−x⋅sin2θ+z⋅cos2θy
=(x⋅cos2θ+z⋅sin2θx⋅sin2θ−z⋅cos2θ0)x⋅cos2θ+z⋅sin2θ−x⋅sin2θ+z⋅cos2θy
=(x⋅cos2θ+z⋅sin2θ)2−(x⋅sin2θ−z⋅cos2θ)2=x2(cos22θ−sin22θ)+4xzsin2θcos2θ+z2(sin22θ−cos22θ)
=x2⋅cosθ+2xz⋅sinθ−z2⋅cosθ=c
問題集 p.180 のように v′=(x′y′z′) と考えると上式は
x′2−y′2=c
これは双曲柱面を表す。
(2) と同様に考えると、問題集 p.181 より v=Pv′=Px′y′z′ とおくと
v′=P−1v=310−6231216131−2161xyz=31(x+y+z)21(y+z)61(−2x+y+z)
S=vPAPv′+2=v−200010001v′+2=−2x′2+y′2+z′2+2=0
v=p1 とすると、v に直交する平面は問題集 p.66 の平面の方程式から考えて、法線ベクトルが p1 となるので
31x+31y+31z+d=0
31x+31y+31z=d
x′=d となり、これを S の式に代入すると
y′2+z′2=2a2−2 の円となる