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階数の基本md 101a0ef
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階数かいすうrank基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_ae771dde9206a080e233af7a5f63cd9adescription行列の階数を列空間の次元として定義し、ピボット・行基本変形・列基本変形・解空間との関係を、線型写像への一般化前の段階として整理する講義である。prerequisites列ベクトルの独立性 / 行基本変形 / 列基本変形 / 階段形と掃き出し法type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linear-algebra-portal.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/column-independence-and-rank.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-and-nullity-of-linear-maps.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/inverse-matrix-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/vector-spaces-bases-and-rank.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecturerank

1導入どうにゅう

この講義こうぎ重要じゅうようなのは、ここでの階数かいすうrankは、まず m×n 行列ぎょうれつmatrix列空間れつくうかんcolumn space次元じげんdimensionとして定義ていぎするということである。

この段階だんかいでは、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapぞうimage退化次数たいかじすうnullity正式せいしき主役しゅやくにはしない。もちろん、AxAx という線型写像せんけいしゃぞうlinear mapあらわすため、背後はいごではおなりょうている。しかし、一般化後いっぱんかご定義ていぎ証明しょうめいつぎ講義こうぎあらためてあつかう。

data/lecture/math/linear-algebra/rank-and-nullity-of-linear-maps.lecture.n.md

2用語ようご定義ていぎ

Am×n 行列ぎょうれつmatrixとし、そのれつcolumnC1,,CnKm とする。列空間れつくうかんcolumn space

Col(A)=span(C1,,Cn)

定義ていぎする。一般化前いっぱんかまえ行列版ぎょうれつばん階数かいすうrank

rank(A)=dimCol(A)

定義ていぎする。

行空間ぎょうくうかんrow spaceは、Aぎょうrow部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。行階数ぎょうかいすうrow rank行空間ぎょうくうかんrow space次元じげんdimension列階数れつかいすうcolumn rank列空間れつくうかんcolumn space次元じげんdimensionである。この講義こうぎでは、最終的さいしゅうてき両者りょうしゃ一致いっちすることを証明しょうめいし、その共通値きょうつうち階数かいすうrankぶ。

また、行列版ぎょうれつばんかくkernel

kerA={xKnAx=0}

く。これは一般化後いっぱんかごには線型写像せんけいしゃぞうlinear mapかくkernelとして定義ていぎなおされる。

3方針ほうしん

階数かいすうrank計算けいさんするには、列空間れつくうかんcolumn space直接ちょくせつ調しらべるより、階段形かいだんけいechelon formピボットpivotかぞえるほうが効率的こうりつてきである。ただし、基本変形きほんへんけいなにたもち、なにえるかを区別くべつする必要ひつようがある。

  1. 行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation階数かいすうrankたもつが、列空間れつくうかんcolumn spaceそのものは一般いっぱんたもたない。
  2. 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そのものをたもつため、階数かいすうrankたもつ。
  3. ピボットpivot個数こすうは、列空間れつくうかんcolumn spaceのこ独立どくりつindependent方向ほうこう個数こすうである。

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

行列ぎょうれつmatrixれつcolumnは、出力空間しゅつりょくくうかんなかかれた生成元せいせいげんである。すべてのれつcolumnたがいにべつ方向ほうこう提供ていきょうするとはかぎらない。あるれつcolumnほかれつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combinationなら、それはあたらしい方向ほうこうやしていない。

階数かいすうrankは、れつcolumnたちが実際じっさい方向ほうこうかずである。したがって、階数かいすうrankちいさいとは、かけのれつcolumn本数ほんすうよりも情報じょうほうすくないということである。正方行列せいほうぎょうれつsquare matrix階数かいすうrank最大さいだいでなければ、ある入力方向にゅうりょくほうこうが 0 へつぶれるため、逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrix存在そんざいしない。

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation階数かいすうrankたも理由りゆう

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationは、ひだりから可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrix Eけることとおなじである。したがって変形後へんけいご列空間れつくうかんcolumn space

Col(EA)=E(Col(A))

である。E可逆かぎゃくinvertible線型写像せんけいしゃぞうlinear mapなので、部分空間ぶぶんくうかんsubspace次元じげんdimensionたもつ。よって

rank(EA)=rank(A)

である。ただし、E(Col(A))一般いっぱんCol(A) そのものではない。したがって、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation階数かいすうrank計算けいさんできるが、もとの列空間れつくうかんcolumn space基底きていむときは、もとのピボット[pivot]pivot れつもど必要ひつようがある。

5.22. 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たも理由りゆう

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、みぎから可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrix Fけることとおなじである。AFれつcolumnは、Aれつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combinationであるため、

Col(AF)Col(A)

である。一方いっぽうF可逆かぎゃくinvertibleなので A=(AF)F-1 であり、AれつcolumnAFれつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。したがって

Col(A)Col(AF)

である。よって

Col(AF)=Col(A),rank(AF)=rank(A)

成立せいりつする。

5.33. ピボットpivot個数こすう階数かいすうrankである理由りゆう

A行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation階段形かいだんけいechelon form U変形へんけいする。すでにしめしたように、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation階数かいすうrankたもつため、

rank(A)=rank(U)

である。階段形かいだんけいechelon formでは、ピボットpivotれつcolumnあたらしい独立どくりつ方向ほうこう提供ていきょうし、ピボットpivotたないれつcolumnさきピボットpivot れつ線型結合せんけいけつごうlinear combinationになる。したがって、階数かいすうrankピボットpivot個数こすうである。

5.44. 行階数ぎょうかいすうrow rank列階数れつかいすうcolumn rank一致いっちする理由りゆう

階段形かいだんけいechelon form U非零行ひぜろぎょう個数こすうr とする。U非零行ひぜろぎょうは、先頭せんとうピボットpivot位置いちたがいにことなるため、一次独立いちじどくりつlinearly independentである。したがって U行階数ぎょうかいすうrow rankr である。

同時どうじに、Uピボットpivot れつr ほんあり、前節ぜんせつより列階数れつかいすうcolumn rankr である。行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation行空間ぎょうくうかんrow space生成系せいせいけいえるだけなので行階数ぎょうかいすうrow rankたもち、また階数かいすうrankたもつ。よって、もとの A でも

rowrank=columnrank

である。

5.55. 解空間かいくうかんとの関係かんけい

同次方程式どうじほうていしきhomogeneous equation Ax=0かんがえる。簡約階段形かんやくかいだんけいreduced echelon formピボットpivot れつr ほんなら、自由変数じゆうへんすうfree variablen-r である。したがって、行列版ぎょうれつばんかくkernelについて

dimkerA=n-rank(A)

である。これはつぎ講義こうぎ証明しょうめいする階数・退化次数定理ていりrank-nullity theorem行列版ぎょうれつばんである。

6具体例ぐたいれい

A=(123246110)

行基本変形ぎょうきほんへんけい階段形かいだんけい変形へんけいする。

(123246110)(1230000-1-3)(10-3013000)

ピボットpivotは 2 である。したがって

rank(A)=2

である。もとの A列空間れつくうかんcolumn space基底きていbasisるときは、簡約後かんやくごれつcolumnではなく、もとの Aピボット[pivot]pivot れつえらぶ。このれいではだい 1 れつだい 2 れつ対応たいおうする。

また、未知数みちすうは 3 ピボットpivotは 2 なので、kerA次元じげんdimension1 である。

7線型写像せんけいしゃぞうlinear mapへの一般化いっぱんか

ここまでの定義ていぎは、行列ぎょうれつそのものを主役しゅやくにした定義ていぎである。つぎ講義こうぎでは、線型写像せんけいしゃぞうlinear map T:VWたいして

rank(T)=dimimT,nullity(T)=dimkerT

定義ていぎなおす。この一般化後いっぱんかご定義ていぎは、基底きていえらんで表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixつくると、ここでの行列版ぎょうれつばん階数かいすうrank一致いっちする。

data/lecture/math/linear-algebra/rank-and-nullity-of-linear-maps.lecture.n.md

8見分みわかた

  • ピボットpivot個数こすうわれたら、階数かいすうrankもとめている。
  • 列空間列空間れつくうかん具体的ぐたいてき基底きていbasisわれたら、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation位置いち特定とくていし、もとのれつcolumnもどる。
  • 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そのものをたもつが、未知数みちすうunknown座標ざひょうcoordinateかたえる。
  • 正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixrank(A)=n なら、逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrix行列式ぎょうれつしきdeterminant判定はんてい接続せつぞくする。

9どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎ階数かいすうrankは、有限個ゆうげんこぎょうrowれつcolumn行列ぎょうれつmatrixたいする定義ていぎである。線型写像せんけいしゃぞうlinear map抽象的ちゅうしょうてきベクトル空間くうかんvector spaceうつると、ぞうimage次元じげんdimensionとして再定義さいていぎするほう自然しぜんになる。

また、行列式ぎょうれつしきdeterminant正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixにだけ定義ていぎするが、階数かいすうrank長方行列ちょうほうぎょうれつrectangular matrixにも定義ていぎできる。このちがいは、可逆性かぎゃくせい片側逆かたがわぎゃく擬似逆行列ぎじぎゃくぎょうれつpseudoinverse matrixまなぶときに重要じゅうようである。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank(A)=dimCol(A)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank(EA)=rank(A),rank(AF)=rank(A)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rowrank=columnrank
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dimkerA=n-rank(A)

11一言ひとことでいうと

  • 行列版ぎょうれつばん階数かいすうrankは、列空間れつくうかんcolumn space次元じげんdimensionである。
  • ピボットpivotは、その次元じげんdimension計算けいさんするためのしるしである。
  • 一般化後いっぱんかごには、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapぞうimage次元じげんdimensionとして定義ていぎなおす。

12演習えんしゅうリンク

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