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列基本変形と未知数変換-基本演習md 04dd6cd
exercise/math/linear-algebra/elementary-column-operations-and-variable-changes.exercise.n.md

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation未知数変換みちすうへんかんchange of variables-基本演習きほんえんしゅう

date2026-06-06document_iddoc_040e466a5de5f96a207c8dfb1b0627b7description列基本変形を右からの基本行列、列空間、階数、未知数変換の観点から確認する演習である。prerequisites列基本変形の基本 / 行基本変形の基本 / 単位行列・零行列・転置の基本type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/elementary-column-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/identity-zero-and-transpose-matrices.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/elementary-operations-and-linear-systems.exercise.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/echelon-forms-and-gaussian-elimination.exercise.n.md
mathlinear-algebraexercisecolumn-operationchange-of-variables
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1演習えんしゅう方針ほうしん

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、行列ぎょうれつmatrixれつcolumnべつ生成系せいせいけいえる操作そうさoperationである。列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrank保存ほぞんされるが、Ax=b未知数みちすうunknownおな意味いみではめなくなる。


2問題もんだい 1

A=(1234)

C2C2-2C1おこなう。この操作そうさoperationみぎからける基本行列きほんぎょうれつelementary matrix Fあらわし、Ax=bAFy=b未知数みちすうunknown関係かんけいべよ。

2.1解答例かいとうれい

F=(1-201)

とすると、

AF=(103-2)

である。AFy=bA(Fy)=b意味いみするので、もと未知数みちすうunknown

x=Fy=(y1-2y2y2)

である。

2.2解説かいせつ

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation列空間れつくうかんcolumn space保存ほぞんするが、未知数みちすうunknown座標ざひょうえる。方程式ほうていしきとして追跡ついせきするなら、x=Fy同時どうじ記録きろくする。


3問題もんだい 2

おなAたいして、つぎの列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationみぎからの基本行列きほんぎょうれつelementary matrixあらわせ。

  1. C1C2
  2. C23C2

3.1解答例かいとうれい

れつcolumn交換こうかん

F1=(0110)

あらわされ、

AF1=(2143)

である。れつcolumn非零定数倍ひぜろていすうばい

F2=(1003)

あらわされ、

AF2=(16312)

である。

3.2解説かいせつ

みぎからける基本行列きほんぎょうれつelementary matrix各列かくれつが、あたらしいれつcolumnもとれつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combinationとして指定していする。このため、れつcolumnへの操作そうさoperationみぎからのせきあらわされる。


4問題もんだい 3

行列ぎょうれつmatrix A行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation R2R2+3R1おこなって Bる。このとき BTAT にどの基本変形きほんへんけいelementary operationおこなったものかべよ。

4.1解答例かいとうれい

Aだい 2 ぎょうrowが、だい 2 ぎょうrowだい 1 ぎょうrowの 3 ばいわる。これを転置てんちtransposeすると、ATだい 2 れつcolumnが、だい 2 れつcolumnだい 1 れつcolumnの 3 ばいわる。したがって

C2C2+3C1

である。

4.2解説かいせつ

転置てんちtransposeぎょうrowれつcolumnえる。ぎょうrowへの操作そうさoperationは、転置後てんちごにはれつcolumnへの操作そうさoperationとしてえられる。


5問題もんだい 4

つぎの説明せつめいあやまりを指摘してきせよ。

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationでは階数かいすうrank保存ほぞんされるので、Ax=bAFx=bおな解集合かいしゅうごうsolution setつ。」

5.1解答例かいとうれい

階数かいすうrank保存ほぞんは、列空間れつくうかんcolumn space生成せいせい仕方しかたわるだけであることを意味いみする。しかし AFx=bA(Fx)=b であり、x意味いみもと方程式ほうていしきちがう。したがって、おなかいくらべるには z=Fx のような未知数変換みちすうへんかんchange of variables追跡ついせきする必要ひつようがある。

5.2解説かいせつ

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation解集合かいしゅうごうsolution set保存ほぞんし、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrank保存ほぞんする。操作そうさoperationでも保存ほぞんする対象たいしょうちがう。


8証明しょうめい演習えんしゅう列基本変形れつきほんへんけい列空間れつくうかんたもつこと

8.1問題もんだい

列基本変形れつきほんへんけいによって列空間れつくうかんわらないことを証明しょうめいせよ。また、解集合かいしゅうごうはそのままたもたれるとはかぎらない理由りゆう説明せつめいせよ。

8.2解答かいとう

れつ交換こうかん生成系せいせいけい順番じゅんばんえるだけである。0 でない定数倍ていすうばい逆操作ぎゃくそうさもどせる。CiCi+λCj では、あたらしいれつはもとのれつ線型結合せんけいけつごうである。逆操作ぎゃくそうさ存在そんざいするので、ふたつの列空間れつくうかんたがいにふくう。

ただしれつ未知数みちすう対応たいおうするので、列基本変形れつきほんへんけい未知数みちすう意味いみえる。したがって解集合かいしゅうごう直接ちょくせつたもつとはかぎらない。

8.3解説かいせつ

行基本変形ぎょうきほんへんけい方程式ほうていしきあらわかたえるのにたいして、列基本変形れつきほんへんけい生成系せいせいけい未知数みちすうがわえる。

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