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基本変形と連立一次方程式-基本演習md 5eb66b7
exercise/math/linear-algebra/elementary-operations-and-linear-systems.exercise.n.md

基本変形きほんへんけいelementary operation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
mathlinear-algebraexerciserow-operationcolumn-operation
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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方程式ほうていしきequation同値どうちequivalent変形へんけいするので、解集合かいしゅうごうsolution set保存ほぞんする。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保存ほぞんするが、未知数みちすうunknown意味いみえる。

このファイルでは入口いりぐちとして、なに保存ほぞんなにえるかを確認かくにんする。階段形かいだんけいrow echelon formし、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation詳細しょうさい関連演習かんれんえんしゅう分割ぶんかつしている。


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}

拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつaugmented matrixあらわし、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation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=1y=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える、非零定数倍ひぜろていすうばいする、一方いっぽう他方たほうばい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つので、解集合かいしゅうごうsolution setえない。


3問題もんだい 2

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

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

だい 2 ぎょうrow

0x+0y=3

あらわす。これは成立せいりつしないので、かいsolution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矛盾行むじゅんぎょうcontradictory row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。


4問題もんだい 3

3 種類しゅるい行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation列挙れっきょし、それぞれがなに保存ほぞんするかをべよ。

4.1解答例かいとうれい

3 種類しゅるいは、ぎょうrow交換こうかんぎょうrow非零定数倍ひぜろていすうばい、あるぎょうrowべつぎょうrow定数倍ていすうばい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保存ほぞんする。

4.2解説かいせつ

0 ばい行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationではない。0 ばいするとぎょうrow情報じょうほうえ、もともどせないからである。非零ひれい定数ていすう場合ばあいは、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。


5問題もんだい 4

行列ぎょうれつmatrix

A=(1234)

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation C2C2-2C1おこなう。あたらしい行列ぎょうれつmatrixもとめ、この操作そうさoperation列空間れつくうかんcolumn spaceAx=bたいしてなに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。しかし Ax=b未知数みちすうunknown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、れつベクトルcolumn vector生成系せいせいけいgenerating setべつ生成系せいせいけいえる操作そうさoperationである。到達とうたつできる出力しゅつりょくoutput集合しゅうごうsetわらないが、かく未知数みちすうunknown担当たんとうする方向ほうこうわる。


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れ。

6.1解答例かいとうれい

ピボットpivotだい 1 れつcolumnだい 2 れつcolumnにある。したがって x1,x2主変数しゅへんすうleading variablex3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)(tR)

である。

6.2解説かいせつ

階段形かいだんけいechelon formは、かいsolution構造こうぞうstructureむためのかたちである。ピボットpivotがないれつcolumn自由変数じゆうへんすうfree variableあらわし、零行れいぎょう条件じょうけん追加ついかしない。


7問題もんだい 6

つぎの説明せつめいあやまりを指摘してきせよ。

A列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationおこなって AF にしても階数かいすうrankわらない。したがって Ax=bAFx=bおな解集合かいしゅうごうsolution setつ。」

7.1解答例かいとうれい

階数かいすうrank保存ほぞんされることと、解集合かいしゅうごうsolution setおなじであることはべつである。AFx=bA(Fx)=b意味いみするので、もと未知数みちすうunknownz=Fxけば Az=b になる。したがって、かい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方程式ほうていしきequation同値どうちequivalent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入力側にゅうりょくがわ座標ざひょうcoordinateえる。このちがいが、保存ほぞんされる対象たいしょうちがいである。


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解集合かいしゅうごうたもつこと

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行基本変形ぎょうきほんへんけいおこなっても、連立一次方程式れんりついちじほうていしき解集合かいしゅうごうわらない理由りゆう説明せつめいせよ。

10.2解答かいとう

ぎょう交換こうかん方程式ほうていしき順番じゅんばんえるだけである。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 でないかずけるだけであり、逆操作ぎゃくそうさもどせる。ぎょうへの加算かさんは、もとの方程式ほうていしき線型結合せんけいけつごう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可逆かぎゃく同値変形どうちへんけいである。したがってかいさがしやすいかたちえても、解集合かいしゅうごうたもたれる。

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