回転変換行列の累乗公式の証明
定理
全ての自然数に対して$n$が成立する。 $$ \begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta } \end{bmatrix} ^{n} = \begin{bmatrix} { \cos n\theta }&{ -\sin n\theta } \\ { \sin n\theta }&{ \cos n\theta } \end{bmatrix} $$
説明
原点を中心に$\theta$だけ回転する一次変換の行列を$n$乗すると、$n\theta$だけ回転する一次変換になる。
証明
戦略: 常識的にも明らかで、数学的帰納法を使用して簡単に証明できる。
$$ (ㄱ) : \begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta } \end{bmatrix}^{ n }= \begin{bmatrix} { \cos n\theta }&{ -\sin n\theta } \\ { \sin n\theta }&{ \cos n\theta } \end{bmatrix} $$
$n=1$のとき、 $$ \begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta } \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta } \end{bmatrix} $$ したがって、(ㄱ)が成立する。今、$n=k$のとき(ㄱ)が成立すると仮定すると、 $$ \begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta } \end{bmatrix}^{ k }= \begin{bmatrix} { \cos k\theta }&{ -\sin k\theta } \\ { \sin k\theta }&{ \cos k\theta } \end{bmatrix} $$ 両辺に$\begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta }\end{bmatrix}$を掛けると、 $$ \begin{align*} \begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta } \end{bmatrix}^{ k+1 } =& \begin{bmatrix} { \cos k\theta }&{ -\sin k\theta } \\ { \sin k\theta }&{ \cos k\theta } \end{bmatrix} \begin{bmatrix} { \cos \theta }&{ -\sin \theta } \\ { \sin \theta }&{ \cos \theta } \end{bmatrix} \\ =& \begin{bmatrix} { \cos k\theta \cos \theta -\sin k\theta \sin \theta }&{ -(\sin k\theta \cos \theta +\cos k\theta \sin \theta ) } \\ { \sin k\theta \cos \theta +\cos k\theta \sin \theta }&{ \cos k\theta \cos \theta -\sin k\theta \sin \theta } \end{bmatrix} \\ =& \begin{bmatrix} { \cos (k+1)\theta }&{ -\sin (k+1)\theta } \\ { \sin (k+1)\theta }&{ \cos (k+1)\theta } \end{bmatrix} \end{align*} $$ したがって、(ㄱ)が成立する。
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