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基底変換と相似-基本演習md 0a121dd
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基底変換きていへんかんchange of basisと相似そうじsimilarity-基本演習きほんえんしゅう

date2026-06-06document_iddoc_468d9c3a02850d00241f2dabfc143d41description基底変換・座標変換・相似変換を、線型写像そのものと座標表示の区別から確認する基本演習である。prerequisites線型性の基本 / 線型写像と行列 / 行列計算と線型変換 / 基底変換と相似type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linearity-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/matrix-computation-and-linear-transformations.exercise.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/complex-inner-products-and-unitary-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/change-of-basis-and-similarity.lecture.n.md
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Change of basis基底変換きていへんかん and similarity相似そうじ - Basic Exercises

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1演習えんしゅう方針ほうしん

基底変換きていへんかんchange of basisで変かわるのは、ベクトルvectorそのものや線型写像せんけいしゃぞうlinear mapそのものではなく、座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationである。この演習えんしゅうでは、古ふるい基底きていbasisでの座標ざひょうcoordinate、新あたらしい基底きていbasisでの座標ざひょうcoordinate、表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixを区別くべつして計算けいさんする。

この演習えんしゅうでは、P は新あたらしい基底きていbasisの座標ざひょうcoordinateを古ふるい基底きていbasisの座標ざひょうcoordinateへ送おくる、つまり [x]old=P[x]new という規約きやくで固定こていする。このため表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixは P-1AoldP と変かわる。規約きやくを逆ぎゃくにすると公式こうしきも逆ぎゃくになるので、積せきの順序じゅんじょを見みた目めだけで入いれ替かえてはいけない。

長方行列ちょうほうぎょうれつrectangular matrixの線型写像せんけいしゃぞうlinear mapでは、定義域ていぎいきdomainと終域しゅういきcodomainで別々べつべつの基底変換きていへんかんchange of basisを使つかうため、Q-1AP の形かたちになる。どの座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrixについても、まず可逆かぎゃくinvertibleであることを確認かくにんする。P が特異とくいsingularなら、その列れつcolumnは基底きていbasisではなく、座標ざひょうの付つけ替かえではなく情報じょうほうを潰つぶす操作そうさになっている。

この演習えんしゅうの行列式ぎょうれつしきdeterminantと固有値こゆうちeigenvalueは、後続こうぞく演習えんしゅうへの先取さきどり確認かくにんである。本流ほんりゅうの基底変換きていへんかんの計算けいさんでは、列れつが一次独立いちじどくりつlinearly independentであること、または明示めいじした逆行列ぎゃくぎょうれつで元もとに戻もどせることを可逆性かぎゃくせいの確認かくにんに使つかう。


1Exercise plan

A change of basis基底変換きていへんかん changes the coordinate representation座標表示ざひょうひょうじ, not the vectorベクトル itself or the linear map線型写像せんけいしゃぞう itself. Distinguish old-basis coordinates, new-basis coordinates, and representation matrices表現行列ひょうげんぎょうれつ.


Keep the convention fixed throughout: in these problems, P sends new-basis coordinates to old-basis coordinates, so [x]old=P[x]new. This is why a representation matrix changes as P-1AoldP. Reversing the convention reverses the formula, so the order cannot be treated as cosmetic.

For rectangular maps, use separate basis changes on the domain and codomain and expect Q-1AP. For every proposed change-of-basis matrix, first check invertibility; if P is singular, the columns do not form a basis and the operation collapses information instead of merely relabeling coordinates.

Determinants and eigenvalues in this exercise are previews for later exercise sets. The main change-of-basis computations check invertibility by column independence or by an explicit inverse matrix.

2確認問題かくにんもんだい:座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrix

R2 の標準基底ひょうじゅんきていstandard basisを古ふるい基底きていbasisとする。新あたらしい基底きていbasisを

b1=(11),b2=(1-1)

とする。ベクトルvector

x=(31)

の新基底しんきていに関かんする座標ざひょうcoordinate [x]new を求もとめよ。

2.1解答かいとう

まず、新あたらしい基底きていbasisベクトルを列れつcolumnに並ならべる。

P=(111-1)

この P は、新あたらしい座標ざひょうcoordinateを古ふるい座標ざひょうcoordinateへ戻もどす行列ぎょうれつmatrixである。

[x]old=P[x]new

したがって、

(31)=s(11)+t(1-1)

を解とけばよい。成分せいぶんcomponentを比くらべると、

\begin{cases} s+t=3,\\ s-t=1 \end{cases}

である。2 式しきを足たして 2s=4、したがって s=2 である。さらに s+t=3 から t=1 である。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][x]new=(21)

この問題もんだいで確認かくにんしているのは、座標ざひょうcoordinateが変かわってもベクトルvectorそのものは変かわらないという点てんである。x は同おなじベクトルvectorだが、基底きていbasisを変かえると数かずの組くみ合あわせが変かわる。


2Check problem: change-of-coordinates matrix座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつ

Let the standard basis標準基底ひょうじゅんきてい of R2 be the old basis, and let the new basis基底きてい be

b1=(11),b2=(1-1).

Find the new-basis coordinates [x]new of

x=(31).

2.1Answer

Put the new basis vectors in the columns:

P=(111-1).

This matrix sends new coordinates to old coordinates:

[x]old=P[x]new.

Solve

(31)=s(11)+t(1-1).

Then

s+t=3,s-t=1,

so s=2 and t=1. Therefore

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][x]new=(21).

The vector is unchanged; only its coordinate description changes.


3確認問題かくにんもんだい:相似変換そうじへんかんsimilarity transformation

線型写像せんけいしゃぞうlinear mapの古ふるい基底きていbasisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixを

Aold=(2103)

とする。また、新あたらしい基底きていbasisから古ふるい基底きていbasisへの座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrixを

P=(111-1)

とする。新基底しんきていnew basisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix

Anew=P-1AoldP

を求もとめよ。

3.1解答かいとう

行列式ぎょうれつしきによる確認かくにんは後続こうぞくの先取さきどりである。同おなじことは、2 つの列れつが一次独立いちじどくりつlinearly independentであり、下したに表示ひょうじする P-1 を実際じっさいに掛かけると I に戻もどることからも確認かくにんできる。

まず P が可逆かぎゃくinvertibleであることを確認かくにんする。ここでは

detP=-2≠0

なので、P-1 が存在そんざいする。したがって

P-1=(121212-12)

である。つぎに

AoldP=(2103)(111-1)=(313-3)

である。したがって

Anew=(121212-12)(313-3)=(3-102)

となる。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Anew=(3-102)

この問題もんだいでは、左ひだりの P-1 と右みぎの P の役割やくわりが重要じゅうようである。右みぎの P は新座標しんざひょうの入力にゅうりょくinputを古座標ふるざひょうへ戻もどし、Aold は古座標ふるざひょうで線型写像せんけいしゃぞうlinear mapを適用てきようし、左ひだりの P-1 は結果けっかを新座標しんざひょうへ戻もどす。


3Check problem: similarity transformation相似変換そうじへんかん

Let

Aold=(2103),P=(111-1).

Find Anew=P-1AoldP.

3.1Answer

The determinant check is a preview. Equivalently, the two columns are linearly independent, and the displayed inverse can be verified by multiplication.

Since detP=-2≠0,

P-1=(121212-12).

Also

AoldP=(2103)(111-1)=(313-3).

Thus

Anew=(121212-12)(313-3)=(3-102).

3.2Explanation

The right-side P converts a new-coordinate input to old coordinates. Aold applies the map in old coordinates. The left-side P-1 converts the result back to new coordinates.


4確認問題かくにんもんだい:定義域ていぎいきdomainと終域しゅういきcodomainの基底きていbasisを別々べつべつに変かえる

線型写像せんけいしゃぞうlinear map T:R2→R3 の古ふるい基底きていbasisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixを

Aold=(100111)

とする。定義域ていぎいきdomainの座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrixを

P=(1101)

とし、終域しゅういきcodomainの座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrixを Q=I3 とする。このとき

Anew=Q-1AoldP

を求もとめよ。

4.1解答かいとう

ここでは Q=I3 なので、Q-1=I3 である。したがって

Anew=AoldP

を計算けいさんすればよい。

(100111)(1101)=(110112)

したがって

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Anew=(110112)

長方行列ちょうほうぎょうれつrectangular matrixでは、相似そうじsimilarityという形かたちではなく Q-1AP という形かたちになる。定義域ていぎいきdomainと終域しゅういきcodomainの基底きていbasisを別々べつべつに持もつためである。


4Check problem: changing bases in the domain定義域ていぎいき and codomain終域しゅういき

For T:R2→R3, let

Aold=(100111),P=(1101),Q=I3.

Find Anew=Q-1AoldP.

4.1Answer

Since Q=I3,

Anew=AoldP=(100111)(1101)=(110112).

4.2Explanation

For a rectangular matrix長方行列ちょうほうぎょうれつ, the form is Q-1AP rather than similarity, because domain and codomain have separate bases.


5確認問題かくにんもんだい:相似そうじsimilarityで保存ほぞんされる量りょうquantity

前問ぜんもんの正方行列せいほうぎょうれつsquare matrix

A=(2103),B=(3-102)

について、トレースtrace、行列式ぎょうれつしきdeterminant、固有値こゆうちeigenvalueが一致いっちすることを確認かくにんせよ。

先取さきどり注意ちゅうい:行列式ぎょうれつしきdeterminantと固有値こゆうちeigenvalueは後続こうぞくで本格的ほんかくてきに定義ていぎする。ここでは、2 次じの行列式ぎょうれつしき公式こうしきと上三角行列じょうさんかくぎょうれつの対角成分たいかくせいぶんを使つかう発展確認はってんかくにんとして扱あつかう。

5.1解答かいとう

まずトレースtraceは

tr(A)=2+3=5,tr(B)=3+2=5

である。つぎに行列式ぎょうれつしきdeterminantは

detA=2·3-0·1=6,detB=3·2-0·(-1)=6

である。さらに、どちらも上三角行列じょうさんかくぎょうれつupper triangular matrixなので、固有値こゆうちeigenvalueは対角成分たいかくせいぶんdiagonal entryから読よめる。

A:2,3,B:3,2

したがって、順序じゅんじょorderを除のぞけば固有値こゆうちeigenvalueは一致いっちする。

この問題もんだいで見みているのは、相似そうじsimilarityが同おなじ線型写像せんけいしゃぞうlinear mapの別表示べつひょうじalternative representationであるという事実じじつである。行列ぎょうれつmatrixの成分せいぶんcomponentは変かわっても、基底きていbasisに依存いぞんしない量りょうquantityは保存ほぞんされる。


5Check problem: quantities preserved by similarity

For

A=(2103),B=(3-102),

confirm that traceトレース, determinant行列式ぎょうれつしき, and eigenvalues固有値こゆうち agree.

Preview note: determinants and eigenvalues are developed later. Here this is an advanced check using the 2 by 2 determinant formula and the fact that the eigenvalues of an upper triangular matrix are its diagonal entries.

5.1Answer

tr(A)=5=tr(B),detA=6=detB.

Both are upper triangular, so their eigenvalues are the diagonal entries:

A:2,3,B:3,2.

The eigenvalues agree up to order.

5.2Explanation

Similarity is an alternative representation of the same linear map. Entries may change, but basis-independent quantities are preserved.


6確認問題かくにんもんだい:可逆性かぎゃくせいinvertibilityの確認かくにん

P=(1224)

を座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrixとして使つかえるか判定はんていせよ。

6.1解答かいとう

基底変換きていへんかんchange of basisで使つかう P は、新あたらしい基底きていbasisベクトルを列れつcolumnに並ならべた行列ぎょうれつmatrixである。したがって、列れつcolumnが線型独立せんけいどくりつlinearly independentでなければならない。

ここでは第2列だいにれつが第1列だいいちれつの 2 倍ばいである。

(24)=2(12)

したがって列れつcolumnは線型従属せんけいじゅうぞくlinearly dependentであり、基底きていbasisにならない。実際じっさい、

detP=1·4-2·2=0

である。逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrixの公式こうしきを使つかうなら detP で割わるため、この場合ばあいは 0 による除算じょざんdivisionになり、P-1 は存在そんざいしない。

この行列式ぎょうれつしきによる説明せつめいは後続こうぞくへの先取さきどりである。本流ほんりゅうの判定はんていは、第だい 2 列れつが第だい 1 列れつの 2 倍ばいで、2 本ほんの列れつが基底きていbasisを作つくらないという点てんである。

したがって、P は座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつcoordinate-change matrixとして使つかえない。

この問題もんだいは、相似変換そうじへんかんsimilarity transformationや基底変換きていへんかんchange of basisで P-1 が現あらわれる理由りゆうを確認かくにんするものである。可逆かぎゃくinvertibleでない行列ぎょうれつmatrixは、座標ざひょうcoordinateの付つけ替かえではなく、情報じょうほうinformationを潰つぶす写像しゃぞうmapになる。


6Check problem: checking invertibility可逆性かぎゃくせい

Can

P=(1224)

be used as a change-of-coordinates matrix?

6.1Answer

No. The second column is twice the first:

(24)=2(12).

Thus the columns are linearly dependent線型従属せんけいじゅうぞく. Also

detP=1·4-2·2=0,

so P-1 does not exist.

6.2Explanation

A non-invertible matrix collapses information. A change of basis must only relabel coordinates, so its matrix must be invertible.


For a change of basis, the columns of P are the new basis vectors written in the old coordinates, so they must be linearly independent線型独立せんけいどくりつ. The determinant calculation confirms the same obstruction: using the inverse formula would require division by detP, and here that value is 0. Thus this matrix is not a coordinate-change matrix.

The determinant explanation is a preview. The main reason is already visible from the columns: the second column is twice the first, so the two columns cannot form a basis.

7補充問題ほじゅうもんだい:失敗例しっぱいれいと順序じゅんじょの確認かくにん

7.1問題もんだい 6

b1=(10),b2=(20)

は R2 の基底きていbasisではない。この理由りゆうを、座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrixの可逆性かぎゃくせいinvertibilityから説明せつめいせよ。

7.2解答例かいとうれい

b1,b2 を列れつcolumnに並ならべると

P=(1200)

である。この行列ぎょうれつmatrixは第だい 2 行ぎょうrowが零れいなので可逆かぎゃくinvertibleではない。したがって、座標ざひょうcoordinateからベクトルを一意いちいに復元ふくげんできず、b1,b2 は基底きていbasisではない。

この問題もんだいは、基底きていbasisではない組くみを使つかうと座標変換ざひょうへんかんchange of coordinatesが壊こわれることを確認かくにんする。基底変換きていへんかんchange of basisでは、変換行列へんかんぎょうれつが可逆かぎゃくinvertibleであることが前提ぜんていである。

7.3問題もんだい 7

A=(2103),P=(1101)

とする。P-1AP と PAP-1 を計算けいさんし、一般いっぱんに順序じゅんじょを入いれ替かえてはいけないことを確認かくにんせよ。

7.4解答例かいとうれい

P-1=(1-101)

である。したがって

P-1AP=(2003)

である。一方いっぽう、

PAP-1=(2203)

であり、同おなじ行列ぎょうれつmatrixにはならない。

この問題もんだいは、相似変換そうじへんかんsimilarity transformationの順序じゅんじょを確認かくにんするための失敗例しっぱいれいである。P-1AP と PAP-1 は記号きごうが似にているが、基底きていbasisの取とり方かたに対たいする意味いみが逆ぎゃくになる。


問題もんだい 6 は、基底きていbasisでない組くみを使つかうと座標変換ざひょうへんかんchange of coordinatesが壊こわれることを確認かくにんする。b1,b2 から作つくる行列ぎょうれつmatrixは平面へいめんを潰つぶし、ベクトルを一意いちいに復元ふくげんできない。問題もんだい 7 は、相似変換そうじへんかんsimilarity transformationの順序じゅんじょを確認かくにんする。P-1AP と PAP-1 は似にているが、反対はんたいの座標規約ざひょうきやくcoordinate conventionを表あらわし、一般いっぱんには異ことなる行列ぎょうれつmatrixを与あたえる。

7Supplementary problems: failure examples and order

7.1Problem 6

Explain from invertibility why

b1=(10),b2=(20)

are not a basis of R2.

7.2Answer example

Putting them in columns gives

P=(1200),

which is not invertible. Coordinates would not recover vectors uniquely, so the vectors are not a basis.

7.3Problem 7

For

A=(2103),P=(1101),

compute P-1AP and PAP-1.

7.4Answer example

P-1=(1-101).

Then

P-1AP=(2003),PAP-1=(2203).

They are not the same, so the order cannot generally be swapped.


Problem 6 checks that using a non-basis breaks coordinate change: the matrix built from b1,b2 collapses the plane and cannot recover vectors uniquely. Problem 7 checks the order in a similarity transformation相似変換そうじへんかん. The expressions P-1AP and PAP-1 look similar, but they describe opposite coordinate conventions and generally give different matrices.

9まとめ

  • 基底変換きていへんかんchange of basisでは、ベクトルvectorそのものではなく座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationが変かわる。
  • 相似変換そうじへんかんsimilarity transformation P-1AP は、同おなじ線型写像せんけいしゃぞうlinear mapを別べつの基底きていbasisで表あらわす操作そうさoperationである。
  • 定義域ていぎいきdomainと終域しゅういきcodomainの基底きていbasisを別々べつべつに変かえるときは、Q-1AP の形かたちになる。
  • P-1 を使つかう場面ばめんでは、P が可逆かぎゃくinvertibleであることを確認かくにんする。

9Summary

  • In a change of basis基底変換きていへんかん, the coordinate representation changes, not the vector itself.
  • A similarity transformation相似変換そうじへんかん P-1AP represents the same linear map in another basis.
  • Changing bases in the domain and codomain separately gives Q-1AP.
  • Whenever P-1 is used, confirm that P is invertible可逆かぎゃく.
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