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基本変形と連立一次方程式-基本演習md 5eb66b7
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基本変形きほんへんけいelementary operationと連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equations-基本演習きほんえんしゅう

date2026-07-14document_iddoc_d65904d689ae98215ae62570ca47b693description行基本変形・列基本変形・拡大係数行列を、何を保存し何を変えるかに注目して確認する入口演習である。prerequisites連立一次方程式と拡大係数行列 / 行基本変形の基本 / 列基本変形の基本 / 連立一次方程式と掃き出し法type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linear-systems-and-augmented-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/elementary-column-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-systems-and-gaussian-elimination.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/echelon-forms-and-gaussian-elimination.exercise.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/elementary-column-operations-and-variable-changes.exercise.n.md
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Elementary operations基本変形きほんへんけい and systems of linear equations連立一次方程式れんりついちじほうていしき - Basic Exercises

data/lecture/math/linear-algebra/linear-systems-and-augmented-matrices.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/elementary-column-operations.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/linear-systems-and-gaussian-elimination.lecture.n.md

1演習えんしゅう方針ほうしん

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationは方程式ほうていしきequationを同値どうちequivalentに変形へんけいするので、解集合かいしゅうごうsolution setを保存ほぞんする。列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは列空間れつくうかんcolumn spaceと階数かいすうrankを保存ほぞんするが、未知数みちすうunknownの意味いみを変かえる。

このファイルでは入口いりぐちとして、何なにを保存ほぞんし何なにを変かえるかを確認かくにんする。階段形かいだんけいrow echelon form、掃はき出だし、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationの詳細しょうさいは関連演習かんれんえんしゅうへ分割ぶんかつしている。


1Exercise plan

Elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい transform equations into equivalent同値どうち equations, so they preserve the solution set解集合かいしゅうごう. Elementary column operations列基本変形れつきほんへんけい preserve column space列空間れつくうかん and rank階数かいすう, but change the meaning of the unknowns未知数みちすう.

This file checks what each operation preserves and what it changes.


2問題もんだい 1

連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equations

\begin{cases} x+2y=5,\\ 3x+4y=11 \end{cases}

を拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつaugmented matrixで表あらわし、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationで解とけ。

2.1解答例かいとうれい

\left(\begin{array}{cc|c} 1&2&5\\ 3&4&11 \end{array}\right) \to \left(\begin{array}{cc|c} 1&2&5\\ 0&-2&-4 \end{array}\right) \to \left(\begin{array}{cc|c} 1&2&5\\ 0&1&2 \end{array}\right) \to \left(\begin{array}{cc|c} 1&0&1\\ 0&1&2 \end{array}\right)

したがって x=1、y=2 である。

2.2解説かいせつ

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationは、方程式ほうていしきどうしを入いれ替かえる、非零定数倍ひぜろていすうばいする、一方いっぽうに他方たほうの倍ばいを加くわえる操作そうさoperationである。いずれも逆操作ぎゃくそうさinverse operationを持もつので、解集合かいしゅうごうsolution setを変かえない。


2Problem 1

Write the system

\begin{cases} x+2y=5,\\ 3x+4y=11 \end{cases}

as an augmented matrix拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつ and solve it by elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい.

2.1Answer example

\left(\begin{array}{cc|c}1&2&5\\3&4&11\end{array}\right) \to \left(\begin{array}{cc|c}1&2&5\\0&-2&-4\end{array}\right) \to \left(\begin{array}{cc|c}1&2&5\\0&1&2\end{array}\right) \to \left(\begin{array}{cc|c}1&0&1\\0&1&2\end{array}\right).

Therefore x=1 and y=2.

2.2Explanation

Row operations swap equations, multiply an equation by a nonzero constant, or add a multiple of one equation to another. Each has an inverse, so the solution set is unchanged.


3問題もんだい 2

\left(\begin{array}{cc|c} 1&-1&2\\ 0&0&3 \end{array}\right)

が表あらわす連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equationsに解かいsolutionがあるかを判定はんていせよ。

3.1解答例かいとうれい

第だい 2 行ぎょうrowは

0x+0y=3

を表あらわす。これは成立せいりつしないので、解かいsolutionは存在そんざいしない。

3.2解説かいせつ

零行れいぎょうzero rowと矛盾行むじゅんぎょうcontradictory rowを区別くべつする。すべての係数けいすうcoefficientが 0 で右辺うへんright-hand sideも 0 なら条件じょうけんを追加ついかしないが、右辺うへんright-hand sideが 0 でなければ矛盾むじゅんである。


3Problem 2

Decide whether the system represented by

\left(\begin{array}{cc|c}1&-1&2\\0&0&3\end{array}\right)

has a solution解かい.

3.1Answer example

The second row represents 0x+0y=3, which is impossible. Therefore no solution exists.

3.2Explanation

Distinguish a zero row零行れいぎょう from a contradictory row矛盾行むじゅんぎょう. A zero right-hand side adds no condition; a nonzero right-hand side creates contradiction.


4問題もんだい 3

3 種類しゅるいの行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationを列挙れっきょし、それぞれが何なにを保存ほぞんするかを述のべよ。

4.1解答例かいとうれい

3 種類しゅるいは、行ぎょうrowの交換こうかん、行ぎょうrowの非零定数倍ひぜろていすうばい、ある行ぎょうrowに別べつの行ぎょうrowの定数倍ていすうばいを加くわえる操作そうさoperationである。

いずれも解集合かいしゅうごうsolution setを保存ほぞんする。

4.2解説かいせつ

0 倍ばいは行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationではない。0 倍ばいすると行ぎょうrowの情報じょうほうが消きえ、元もとに戻もどせないからである。非零ひれいの定数ていすうで割わる場合ばあいは、その定数ていすうが 0 でないことが前提ぜんていである。


4Problem 3

List the three types of elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい and state what they preserve.

4.1Answer example

The three types are row exchange, multiplication of a row by a nonzero constant, and adding a constant multiple of one row to another. All preserve the solution set解集合かいしゅうごう.

4.2Explanation

Multiplication by 0 is not an elementary row operation because it erases information and cannot be undone.


5問題もんだい 4

行列ぎょうれつmatrix

A=(1234)

に列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation C2←C2-2C1 を行おこなう。新あたらしい行列ぎょうれつmatrixを求もとめ、この操作そうさoperationが列空間れつくうかんcolumn spaceと Ax=b に対たいして何なにを変かえるかを説明せつめいせよ。

5.1解答例かいとうれい

(103-2)

になる。列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは列空間れつくうかんcolumn spaceと階数かいすうrankを保存ほぞんする。しかし Ax=b の未知数みちすうunknownの意味いみはそのままでは保存ほぞんされない。

5.2解説かいせつ

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、列れつベクトルcolumn vectorの生成系せいせいけいgenerating setを別べつの生成系せいせいけいに取とり替かえる操作そうさoperationである。到達とうたつできる出力しゅつりょくoutputの集合しゅうごうsetは変かわらないが、各かく未知数みちすうunknownが担当たんとうする方向ほうこうは変かわる。


5Problem 4

For

A=(1234),

perform C2←C2-2C1. Find the new matrix and explain what changes for the column space and for Ax=b.

5.1Answer example

The new matrix is

(103-2).

A column operation preserves the column space列空間れつくうかん and rank階数かいすう, but it does not preserve the meaning of the unknown variables in Ax=b.

5.2Explanation

Column operations replace the generating system of column vectors. The reachable outputs do not change, but the direction assigned to each unknown changes.


6問題もんだい 5

\left(\begin{array}{ccc|c} 1&2&-1&0\\ 0&1&3&4\\ 0&0&0&0 \end{array}\right)

から解集合かいしゅうごうsolution setを読よみ取とれ。

6.1解答例かいとうれい

ピボットpivotは第だい 1 列れつcolumnと第だい 2 列れつcolumnにある。したがって x1,x2 が主変数しゅへんすうleading variable、x3 が自由変数じゆうへんすうfree variableである。x3=t とおくと、

x2=4-3t,x1=-8+7t

である。したがって

(x1x2x3)=(-840)+t(7-31)(t∈R)

である。

6.2解説かいせつ

階段形かいだんけいechelon formは、解かいsolutionの構造こうぞうstructureを読よむための形かたちである。ピボットpivotがない列れつcolumnは自由変数じゆうへんすうfree variableを表あらわし、零行れいぎょうは条件じょうけんを追加ついかしない。


6Problem 5

Read the solution set解集合かいしゅうごう from

\left(\begin{array}{ccc|c} 1&2&-1&0\\ 0&1&3&4\\ 0&0&0&0 \end{array}\right).

6.1Answer example

Pivots are in columns 1 and 2, so x1,x2 are leading variables主変数しゅへんすう and x3 is a free variable自由変数じゆうへんすう. Let x3=t. Then

x2=4-3t,x1=-8+7t.

Thus

(x1x2x3)=(-840)+t(7-31)(t∈R).

6.2Explanation

An echelon form階段形かいだんけい reveals the structure of solutions. Columns without pivots give free variables, and zero rows add no conditions.


7問題もんだい 6

つぎの説明せつめいの誤あやまりを指摘してきせよ。

「A に列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationを行おこなって AF にしても階数かいすうrankは変かわらない。したがって Ax=b と AFx=b は同おなじ解集合かいしゅうごうsolution setを持もつ。」

7.1解答例かいとうれい

階数かいすうrankが保存ほぞんされることと、解集合かいしゅうごうsolution setが同おなじであることは別べつである。AFx=b は A(Fx)=b を意味いみするので、元もとの未知数みちすうunknownを z=Fx と置おけば Az=b になる。したがって、解かいを比較ひかくするには未知数変換みちすうへんかんchange of variablesを追跡ついせきする必要ひつようがある。

7.2解説かいせつ

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationは方程式ほうていしきequationを同値どうちequivalentに変形へんけいする。一方いっぽう、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは入力側にゅうりょくがわの座標ざひょうcoordinateを取とり替かえる。この違ちがいが、保存ほぞんされる対象たいしょうの違ちがいである。


7Problem 6

Point out the error:

"Column operations preserve rank階数かいすう, so Ax=b and AFx=b have the same solution set解集合かいしゅうごう."

7.1Answer example

Preserving rank is different from preserving the solution set. AFx=b means A(Fx)=b. If the original unknown is z=Fx, then the equation becomes Az=b. Comparing solutions requires tracking this change of variables未知数変換みちすうへんかん.

7.2Explanation

Row operations change equations equivalently. Column operations change coordinates on the input side, so the preserved object is different.


10証明しょうめい演習えんしゅう:行基本変形ぎょうきほんへんけいが解集合かいしゅうごうを保たもつこと

10.1問題もんだい

拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつに行基本変形ぎょうきほんへんけいを行おこなっても、連立一次方程式れんりついちじほうていしきの解集合かいしゅうごうが変かわらない理由りゆうを説明せつめいせよ。

10.2解答かいとう

行ぎょうの交換こうかんは方程式ほうていしきの順番じゅんばんを替かえるだけである。行ぎょうの 0 でない定数倍ていすうばいは、両辺りょうへんを 0 でない数かずで掛かけるだけであり、逆操作ぎゃくそうさで戻もどせる。行ぎょうへの加算かさんは、もとの方程式ほうていしきの線型結合せんけいけつごうを追加ついかする操作そうさであり、これも逆操作ぎゃくそうさで戻もどせる。

10.3解説かいせつ

行基本変形ぎょうきほんへんけいは可逆かぎゃくな同値変形どうちへんけいである。したがって解かいを探さがしやすい形かたちへ変かえても、解集合かいしゅうごうは保たもたれる。

10Proof exercise: row operations preserve solution sets

10.1Problem

Explain why applying row operations to an augmented matrix does not change the solution set of the system.

10.2Answer

Swapping rows only changes equation order. Multiplying a row by a nonzero constant multiplies both sides by a nonzero number and can be undone. Adding a multiple of one row to another adds a linear combination of equations and can also be undone.

10.3Explanation

Row operations are invertible equivalent transformations, so they can make a system easier to solve without changing its solutions.

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