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基底変換と相似md 9b52ec1
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基底変換きていへんかんchange of basis相似そうじsimilarity

mathlinear-algebraundergraduatelecture

Change of basis基底変換きていへんかん and similarity相似そうじ

1導入どうにゅう

基底きていbasisえると、ベクトルvectorそのものはわらないが、その座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationわる。線型写像せんけいしゃぞうlinear mapについてもおなじで、写像しゃぞうmapそのものはわらないが、表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixわる。

この区別くべつ線型代数せんけいだいすうlinear algebra重要じゅうようである。行列ぎょうれつmatrixたとき、それが「対象たいしょうobjectそのもの」なのか「基底きていbasisえらんだあと表示ひょうじrepresentation」なのかをけないと、対角化たいかくかdiagonalization固有値こゆうちeigenvalue意味いみ不明瞭ふめいりょうになる。

対角化たいかくかdiagonalization固有値こゆうちeigenvalueあと導入どうにゅうする。この講義こうぎでは、表示ひょうじける理由りゆう見通みとおすための先取さきどりとしてめばよい。

1Introduction

Changing a basis基底きてい does not change a vectorベクトル itself, but it changes its coordinate representation座標表示ざひょうひょうじ. The same is true for a linear map線型写像せんけいしゃぞう: the map itself is unchanged, while its representation matrix表現行列ひょうげんぎょうれつ changes.

This distinction is essential in linear algebra線型代数せんけいだいすう. When looking at a matrix, one must distinguish the object itself from the representation obtained after choosing a basis. Without this distinction, the meaning of diagonalization対角化たいかくか and eigenvalues固有値こゆうち becomes obscure.

Diagonalization and eigenvalues are introduced later. In this lecture they are mentioned only as a preview of why representation matters.

2用語ようご定義ていぎ

基底変換きていへんかんchange of basis とは、おなベクトルvectorおな線型写像せんけいしゃぞうlinear mapを、べつ基底きていbasisかんする座標ざひょうcoordinateあらわなおすことである。

旧基底きゅうきていold basis新基底しんきていnew basisあいだ

[x]old=P[x]new

たす可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrix P を、ここでは新基底しんきていnew basis座標ざひょうcoordinate旧基底きゅうきていold basis座標ざひょうcoordinateなお基底変換行列きていへんかんぎょうれつchange-of-basis matrixぶ。

相似そうじsimilarity とは、2 つの正方行列せいほうぎょうれつsquare matrix A,B が、ある可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrix P によって

B=P-1AP

ける関係かんけいrelationである。相似そうじsimilar行列ぎょうれつmatrixは、おな線型写像せんけいしゃぞうlinear mapことなる基底きていbasis表示ひょうじrepresentationしたものと解釈かいしゃくできる。

2Terms and definitions

Change of basis基底変換きていへんかん means rewriting the same vector or the same linear map using coordinates with respect to a different basis.

Let P be the invertible matrix satisfying

[x]old=P[x]new.

In this lecture, P converts coordinates in the new basis into coordinates in the old basis.

Two square matrices A and B are similar相似そうじ if there is an invertible matrix P such that

B=P-1AP.

Similar matrices represent the same linear map in different bases.

3方針ほうしん

基底変換きていへんかんchange of basisでは、なにわり、なにわらないかを最初さいしょ固定こていする。

対象たいしょうobjectわるもの保存ほぞんされるもの
ベクトルvector座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationベクトルvectorそのもの
線型写像せんけいしゃぞうlinear map表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix写像しゃぞうmapそのもの
相似変換そうじへんかんsimilarity transformation行列ぎょうれつmatrix成分せいぶんcomponent固有値こゆうちeigenvalue特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial可逆性かぎゃくせいinvertibility

このひょう固有値こゆうちeigenvalue特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomialは、あとの先取さきどりである。このページの本流ほんりゅうでは、座標表示ざひょうひょうじcoordinate representation表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrixによる座標ざひょうえをあつかう。

data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md

3Plan

For change of basis, first fix what changes and what stays invariant.

ObjectWhat changesWhat is preserved
vectorベクトルcoordinate representation座標表示ざひょうひょうじthe vector itself
linear map線型写像せんけいしゃぞうrepresentation matrix表現行列ひょうげんぎょうれつthe map itself
similarity transformation相似変換そうじへんかんmatrix entrieseigenvalues固有値こゆうち, characteristic polynomial特性多項式とくせいたこうしき, invertibility

The eigenvalue and characteristic-polynomial entries in this table are previews. The main content of this page is coordinate representation, representation matrices, and invertible coordinate changes.

data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

平面へいめんplaneおなてんpointでも、通常つうじょう横軸よこじくhorizontal axis縦軸たてじくvertical axisはかるか、ななめのじくaxisはかるかによって座標ざひょうcoordinateわる。しかし、てんpointそのものがうごいたわけではない。

線型写像せんけいしゃぞうlinear map同様どうようである。おな回転かいてんrotation拡大かくだいexpansionであっても、基準きじゅんにする基底きていbasisえると行列ぎょうれつmatrixかたちわる。対角化たいかくかdiagonalizationは、この発想はっそう極端きょくたん使つかう。固有ベクトルeigenvector基底きていbasisえらべるなら、写像しゃぞうmap方向ほうこうdirectionごとの倍率ばいりつscale factorだけをならべた対角行列たいかくぎょうれつdiagonal matrix表示ひょうじrepresentationできる。

4Intuitive explanation

The same point in the plane has different coordinates depending on whether it is measured with horizontal and vertical axes or with slanted axes. The point has not moved; only the coordinate system has changed.

A linear map behaves the same way. The same rotation or stretch may have a different matrix form after changing the basis. Diagonalization対角化たいかくか uses this idea aggressively: if eigenvectors can be chosen as a basis, the map is represented by a diagonal matrix of scale factors.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. ベクトルvector座標ざひょうcoordinateえる

おな空間くうかんspace V旧基底きゅうきていold basis新基底しんきていnew basisえらぶ。P

[x]old=P[x]new

さだめる。このしきformulaは、新基底しんきていnew basisでの係数けいすうcoefficient旧基底きゅうきていold basisでの係数けいすうcoefficient翻訳ほんやくするしきformulaである。

P可逆かぎゃくinvertibleでなければならないのは、座標ざひょうcoordinate一意いちいuniqueもどせなくなるからである。基底きていbasisから基底きていbasisへの変換へんかんtransformationでは、座標表示ざひょうひょうじcoordinate representation情報じょうほうinformationうしなってはならない。

5.22. 表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixえる

線型写像せんけいしゃぞうlinear map T:VV旧基底きゅうきていold basisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixAold とする。つまり

[T(x)]old=Aold[x]old

である。新基底しんきていnew basis座標ざひょうcoordinateから出発しゅっぱつすると、

[x]old=P[x]new

であり、写像しゃぞうmap適用てきようapplicationしたあと新基底しんきていnew basisもどすには P-1ける。したがって

\begin{aligned} [T(x)]_{\mathrm{new}} &=P^{-1}[T(x)]_{\mathrm{old}}\\ &=P^{-1}A_{\mathrm{old}}[x]_{\mathrm{old}}\\ &=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P[x]_{\mathrm{new}} \end{aligned}

である。よって新基底しんきていnew basisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix

Anew=P-1AoldP

となる。

5.33. 定義域ていぎいきdomain終域しゅういきcodomain基底きていbasis別々べつべつえる場合ばあい

T:VW のように定義域ていぎいきdomain終域しゅういきcodomainことなる場合ばあい入力側にゅうりょくがわinput side基底変換きていへんかんchange of basis出力側しゅつりょくがわoutput side基底変換きていへんかんchange of basis別々べつべつ追跡ついせきする。

入力側にゅうりょくがわinput side

[x]old=P[x]new

出力側しゅつりょくがわoutput side

[y]old=Q[y]new

とする。旧基底きゅうきていold basisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixAold とすると、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=Q-1AoldP

である。ひだりQ-1出力しゅつりょくoutput座標ざひょうcoordinateもどすため、みぎP入力にゅうりょくinput旧座標きゅうざひょうold coordinate翻訳ほんやくするためにあらわれる。

5Precise explanation

5.11. Changing coordinates of a vector

Choose an old basis and a new basis for the same space V. Define P by

[x]old=P[x]new.

This formula translates coefficients in the new basis into coefficients in the old basis. The matrix P must be invertible because coordinates must be recoverable uniquely; a change from one basis to another cannot lose information.

5.22. Changing a representation matrix

Let T:VV be a linear map線型写像せんけいしゃぞう, and let Aold be its representation matrix in the old basis:

[T(x)]old=Aold[x]old.

Starting from new coordinates, we have

[x]old=P[x]new.

After applying T, we convert back to new coordinates by multiplying by P-1:

\begin{aligned} [T(x)]_{\mathrm{new}} &=P^{-1}[T(x)]_{\mathrm{old}}\\ &=P^{-1}A_{\mathrm{old}}[x]_{\mathrm{old}}\\ &=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P[x]_{\mathrm{new}}. \end{aligned}

Therefore

Anew=P-1AoldP.

5.33. Changing domain and codomain bases separately

For a map T:VW, the domain basis and codomain basis may be changed independently. If

[x]old=P[x]new

on the input side and

[y]old=Q[y]new

on the output side, then the new representation matrix is

Anew=Q-1AoldP.

The right factor P translates the input into old coordinates, while the left factor Q-1 translates the output back into new coordinates.

6例題れいだい非標準基底ひひょうじゅんきていnonstandard basis表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixもとめる

6.1問題もんだい非標準基底ひひょうじゅんきていnonstandard basis表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixもとめる

R2線型写像せんけいしゃぞうlinear map

T(x,y)=(2x,y)

かんがえる。標準基底ひょうじゅんきていstandard basisでは

Astd=(2001)

である。非標準基底ひひょうじゅんきていnonstandard basis

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

かんする表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixもとめる。

6.2解説かいせつ

まず基底きていベクトルbasis vectorぞうimageBあらわす。

T(b1)=(21)=32b1+12b2

であり、

T(b2)=(2-1)=12b1+32b2

である。したがって Bかんする表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix

[T]B=(32121232)

となる。わったのは写像しゃぞうmapではなく、基底きていbasis表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixである。

6Example: representation in a nonstandard basis

Consider the linear map on R2

T(x,y)=(2x,y).

In the standard basis,

Astd=(2001).

Let

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

Then

T(b1)=(21)=32b1+12b2,

and

T(b2)=(2-1)=12b1+32b2.

Thus

[T]B=(32121232).

The map has not changed; the basis and representation matrix have changed.

7相似そうじsimilarity保存ほぞんされるもの

B=P-1APけるとき、ABおな線型写像せんけいしゃぞうlinear map別表示べつひょうじalternative representationである。このため、基底きていbasis選択せんたくによらない性質せいしつproperty保存ほぞんされる。

つぎひょうのうち、固有値こゆうちeigenvalue特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial行列式ぎょうれつしきdeterminantぎょうは、あとの先取さきどりである。ここでは「おな写像しゃぞうmap別表示べつひょうじでは、表示ひょうじ依存いぞんしないりょう保存ほぞんされる」という見通みとおしとしてつかう。

りょうquantity保存ほぞんされる理由りゆう
固有値こゆうちeigenvalue方向ほうこうdirectionごとの倍率ばいりつscale factor表示ひょうじrepresentation依存いぞんdependenceしない
特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomialdet(tI-P-1AP)=det(P-1(tI-A)P)=det(tI-A)
行列式ぎょうれつしきdeterminantdet(P-1AP)=det(P-1)det(A)det(P)=det(A)
階数かいすうrank可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrix左右さゆうからけても次元じげんdimensionわらない
可逆性かぎゃくせいinvertibilityAもどせるかどうかは座標表示ざひょうひょうじcoordinate representation依存いぞんdependenceしない

ただし、行列ぎょうれつmatrix成分せいぶんcomponentれつcolumnそのもの、標準基底ひょうじゅんきていstandard basis図形ずけいfigureかたわる。相似そうじsimilarityは「おな写像しゃぞうmapべつ座標ざひょうcoordinateる」操作そうさoperationであって、「成分せいぶんcomponentわらない」操作そうさoperationではない。

7What similarity preserves

If B=P-1AP, then A and B are two coordinate representations of the same linear map. Hence properties independent of the choice of basis are preserved.

In the following table, the rows about eigenvalues, characteristic polynomials, and determinants are previews for later lectures. Here they should be read as examples of the principle that coordinate-independent quantities are preserved under a change of representation.

QuantityReason it is preserved
eigenvalues固有値こゆうちscale factors along intrinsic directions do not depend on coordinates
characteristic polynomial特性多項式とくせいたこうしきdet(tI-P-1AP)=det(P-1(tI-A)P)=det(tI-A)
determinant行列式ぎょうれつしきdet(P-1AP)=det(P-1)det(A)det(P)=det(A)
rank階数かいすうmultiplying by invertible matrices does not change image dimension
invertibilitybeing reversible is independent of coordinates

Matrix entries, columns themselves, and the visual picture in the standard basis may change. Similarity means viewing the same map in different coordinates, not keeping components fixed.

8どこまで成立せいりつするか

相似そうじsimilarity正方行列せいほうぎょうれつsquare matrix、つまりおな空間くうかんspaceからおな空間くうかんspaceへの線型写像せんけいしゃぞうlinear map基底きていbasisえる場合ばあいあらわれる。長方行列ちょうほうぎょうれつrectangular matrixでは、定義域ていぎいきdomain終域しゅういきcodomain基底きていbasis別々べつべつえるため、Q-1APかたちになる。

P-1AP使つかうときは、P可逆かぎゃくinvertibleであることをかなら確認かくにんする。P可逆かぎゃくinvertibleでなければ基底きていbasisから基底きていbasisへの座標変換ざひょうへんかんcoordinate transformationではなく、情報じょうほうinformationつぶ写像しゃぞうmapになってしまう。

8Scope and limitations

Similarity is for square matrices representing maps from a space to itself. For rectangular matrices, the domain and codomain bases change separately, producing Q-1AP rather than P-1AP. Whenever P-1AP is used, P must be invertible; otherwise it is not a basis-to-basis coordinate transformation.

If P is not invertible, it collapses information instead of changing from one basis to another, so the expression no longer represents a genuine change of coordinates.

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][x]old=P[x]new
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Anew=P-1AoldP
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Anew=Q-1AoldP
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]相似な行列は同じ線型写像の別の座標表示である

9Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][x]old=P[x]new
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Anew=P-1AoldP
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Anew=Q-1AoldP
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Similarmatricesaredifferentcoordinaterepresentationsofthesamelinearmap[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")]

10一言ひとことでいうと

基底変換きていへんかんchange of basisは、ベクトルvector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える。

  • 基底変換きていへんかんchange of basisでは、対象たいしょうobjectそのものではなく座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationわる。
  • [x]old=P[x]new という規約きやく/conventionでは、T:VV新基底しんきていでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixAnew=P-1AoldP である。
  • 相似そうじsimilar行列ぎょうれつmatrixは、おな線型写像せんけいしゃぞうlinear mapべつ基底きていbasisあらわしたものなので、固有値こゆうちeigenvalue特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial行列式ぎょうれつしきdeterminant階数かいすうrank可逆性かぎゃくせいinvertibility保存ほぞんされる。
  • T:VW では、定義域ていぎいきdomain終域しゅういきcodomain基底きていbasis別々べつべつえるため、ただしいかたち通常つうじょう相似そうじsimilarityではなく Q-1AoldP である。

固有値こゆうちeigenvalue特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial行列式ぎょうれつしきdeterminantは、あとで定義ていぎ証明しょうめいする。このまとめでは、相似そうじが「おな対象たいしょう別表示べつひょうじ」であることの見通みとおしとして先取さきどりしている。

10In one sentence

Change of basis基底変換きていへんかん changes coordinate representations, while similar相似そうじ matrices represent the same linear map線型写像せんけいしゃぞう in different bases.

  • A change of basis基底変換きていへんかん changes coordinate representations, not the vector or linear map itself.
  • With the convention [x]old=P[x]new, the new representation of T:VV is Anew=P-1AoldP.
  • Similar相似そうじ matrices represent the same linear map in different bases, so basis-independent quantities such as eigenvalues, characteristic polynomial, determinant, rank, and invertibility are preserved.
  • For a map T:VW, domain and codomain bases are changed separately, so the correct form is Q-1AoldP, not ordinary similarity.

Eigenvalues, characteristic polynomials, and determinants are defined and proved later. In this summary they are previews illustrating that similarity is a different representation of the same object.

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