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余因子展開と可逆性の判定md 01d2622
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余因子展開よいんしてんかいcofactor expansion可逆性かぎゃくせいinvertibility判定はんてい

date2026-07-14document_iddoc_948ed6f28f579f32c052b1cacfb93935description余因子展開を置換による行列式の定義から証明し、余因子行列・随伴行列・逆行列公式を通して行列式と可逆性を接続する講義である。prerequisites置換による行列式の定義 / 行列式の計算規則 / 逆行列の基本 / 正方行列type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/determinants-by-permutations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/determinant-computation-rules.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/inverse-matrix-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-and-nullity-of-linear-maps.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/determinants-and-invertibility.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecturedeterminant

Cofactor expansion余因子展開よいんしてんかい and testing invertibility可逆性かぎゃくせい

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、余因子展開よいんしてんかいcofactor expansionあたらしい行列式ぎょうれつしきdeterminant定義ていぎではなく、置換ちかんpermutationによる定義ていぎからみちびかれる展開公式てんかいこうしきであるということである。

行列式ぎょうれつしきdeterminant置換定義ちかんていぎ概念がいねん根拠こんきょとして強力きょうりょくだが、計算けいさんではこうn! える。余因子展開よいんしてんかいcofactor expansionは、1 ほんぎょうrowまたはれつcolumn注目ちゅうもくし、n 行列式ぎょうれつしきdeterminant(n-1) 行列式ぎょうれつしきdeterminant分解ぶんかいする。

さらに、余因子よいんしcofactorならべると随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrixられ、そこから A-1=1detAadj(A)証明しょうめいできる。したがって、この講義こうぎ計算手順けいさんてじゅんだけでなく、行列式ぎょうれつしきdeterminant可逆性かぎゃくせいinvertibility関係かんけい証明しょうめいする場所ばしょでもある。

1Introduction

The key point is that cofactor expansion余因子展開よいんしてんかい is not a new definition of the determinant行列式ぎょうれつしき. It is a theorem derived from the permutation definition. It reduces an n×n determinant to determinants of size (n-1)×(n-1).

Cofactors also form the adjugate matrix随伴行列ずいはんぎょうれつ, which proves the inverse formula

A-1=1detAadj(A)

when detA0.

2用語ようご定義ていぎ

A=(aij)n×n 正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixとする。

小行列しょうぎょうれつsubmatrix A(i|j) とは、A からだい i ぎょうrowだい j れつcolumnのぞいて(n-1)×(n-1) 行列ぎょうれつmatrixである。

小行列式しょうぎょうれつしきminor

Mij=detA(i|j)

定義ていぎする。余因子よいんしcofactor

Cij=(-1)i+jMij

定義ていぎする。(-1)i+j市松模様いちまつもよう符号ふごうsignであり、のぞいたぎょうrowれつcolumn先頭せんとう移動いどうするために必要ひつよう交換回数こうかんかいすう偶奇ぐうきparity記録きろくしている。

余因子行列よいんしぎょうれつcofactor matrixC(A)=(Cij)く。随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrix

adj(A)=C(A)T

定義ていぎする。つまり、随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrix余因子行列よいんしぎょうれつcofactor matrix転置てんちtransposeしたものである。

2Terms and definitions

Let A=(aij) be an n×n square matrix正方行列せいほうぎょうれつ. The submatrix小行列しょうぎょうれつ A(i|j) is obtained by deleting row i and column j.

The minor小行列式しょうぎょうれつしき and cofactor余因子よいんし are

Mij=detA(i|j),Cij=(-1)i+jMij.

The cofactor matrix余因子行列よいんしぎょうれつ is C(A)=(Cij), and the adjugate matrix随伴行列ずいはんぎょうれつ is

adj(A)=C(A)T.

3方針ほうしん

証明しょうめい方針ほうしん明確めいかくである。置換ちかんpermutationによる行列式ぎょうれつしきdeterminantを、えらんだぎょうrow成分せいぶんごとに分類ぶんるいする。

たとえばだい i ぎょうrow展開てんかいするなら、置換ちかんこう

σ(i)=1,σ(i)=2,,σ(i)=n

n ぐんける。σ(i)=jぐんでは、だい i ぎょうrowから aijえらんでいる。そののこりの選択せんたくは、だい i ぎょうrowだい j れつcolumnのぞいた小行列しょうぎょうれつsubmatrix行列式ぎょうれつしきdeterminantそのものである。

この分類ぶんるいあらわれる符号ふごうsign(-1)i+j であり、それが余因子よいんしcofactor定義ていぎである。

3Plan

To expand along row i, group the permutation sum by the value of σ(i). The group with σ(i)=j contains the factor aij, and the remaining choices are exactly the determinant of the submatrix obtained by deleting row i and column j. The sign correction is (-1)i+j.

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

余因子展開よいんしてんかいcofactor expansionは、高次こうじ体積たいせきvolumeを、1 方向ほうこう基準きじゅんにして低次ていじ体積たいせきvolume分解ぶんかいする操作そうさである。3 体積たいせきを「たかさ×底面積ていめんせき」として確認かくにんするのとおなじように、行列式ぎょうれつしきdeterminantでもえらんだぎょうrowまたはれつcolumn成分せいぶん係数けいすうとして、のこった小行列式しょうぎょうれつしきminorわせる。

ただし、行列式ぎょうれつしきdeterminantきのりょうである。ぎょうれつのぞ位置いちによってきが反転はんてんする場合ばあいがあるため、(-1)i+j符号ふごうsign必要ひつようになる。

4Intuitive explanation

Cofactor expansion decomposes high-dimensional oriented volume by fixing one row or column. The selected entry becomes a coefficient, and the remaining determinant measures the lower-dimensional slice. The checkerboard sign (-1)i+j corrects orientation.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 余因子展開よいんしてんかいcofactor expansion定理ていり

An×n 正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixとする。任意にんいだい i ぎょうrowについて、

detA=j=1naijCij

成立せいりつする。また、任意にんいだい j れつcolumnについて、

detA=i=1naijCij

成立せいりつする。

5.22. 行展開ぎょうてんかい証明しょうめい

置換ちかんpermutationによる定義ていぎから出発しゅっぱつする。

detA=σSnsgn(σ)a1σ(1)aiσ(i)anσ(n)

このを、σ(i)=j となる j ごとに分割ぶんかつする。σ(i)=jこうでは、かならaij因子いんしとしてあらわれる。

だい i ぎょうrow先頭せんとう移動いどうするには i-1 かい隣接交換りんせつこうかん必要ひつようである。だい j れつcolumn先頭せんとう移動いどうするには j-1 かい隣接交換りんせつこうかん必要ひつようである。したがって、このしであらわれる符号ふごうsign

(-1)(i-1)+(j-1)=(-1)i+j

である。

のこったぎょうれつについての選択せんたくは、まさに A(i|j)置換ちかんpermutationによる行列式ぎょうれつしきdeterminantである。したがって、σ(i)=jぐん

aij(-1)i+jdetA(i|j)=aijCij

である。j=1,,n についてわせると、

detA=j=1naijCij

る。

5.33. 列展開れつてんかい証明しょうめい

れつcolumnでの展開てんかい同様どうようである。あるいは、置換ちかんpermutation定義ていぎから detA=detATしたがうことを使つかって、AT行展開ぎょうてんかいA列展開れつてんかいとしてえればよい。

detA=detAT は、置換ちかん σ逆置換ぎゃくちかん σ-1対応たいおうさせることで確認かくにんできる。sgn(σ)=sgn(σ-1) であり、せき因子いんし順序じゅんじょえてもおなじである。

5.44. 随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrix恒等式こうとうしき

随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrixは、余因子よいんしcofactor転置てんちしてならべた行列ぎょうれつmatrixである。ここでしめ恒等式こうとうしき

Aadj(A)=adj(A)A=(detA)I

である。

まず Aadj(A)(i,k) 成分せいぶん計算けいさんする。adj(A)(j,k) 成分せいぶんCkj なので、

(Aadj(A))ik=j=1naijCkj

である。i=k のとき、これはだい i ぎょうrowによる余因子展開よいんしてんかいcofactor expansionであり、detAひとしい。

ik のとき、だい k ぎょうrowだい i ぎょうrowえた行列ぎょうれつmatrixB とする。Bだい i ぎょうrowだい k ぎょうrowひとしいので、detB=0 である。一方いっぽうBだい k ぎょうrow展開てんかいすると、

detB=j=1naijCkj

である。したがって (Aadj(A))ik=0 である。

以上いじょうより、Aadj(A)対角成分たいかくせいぶんdetA非対角成分ひたいかくせいぶん0行列ぎょうれつmatrixである。すなわち

Aadj(A)=(detA)I

である。adj(A)A=(detA)I も、列展開れつてんかい使つかって同様どうよう証明しょうめいできる。

5.55. 逆行列逆行列ぎゃくぎょうれつ公式こうしき

detA0 とする。このとき、実数じっすうまたは複素数ふくそすうでは detAることができる。したがって前節ぜんせつ恒等式こうとうしきdetAると、

A(1detAadj(A))=I,(1detAadj(A))A=I

となる。よって

A-1=1detAadj(A)

である。

ぎゃくに、A可逆かぎゃくinvertibleなら、せき公式こうしきproduct formulaより

detA·det(A-1)=detI=1

である。したがって detA0 である。ゆえに

Aは可逆detA0

成立せいりつする。

5Precise explanation

5.11. Cofactor expansion theorem

For an n×n square matrix A,

detA=j=1naijCij

for every row i, and

detA=i=1naijCij

for every column j.

5.22. Proof of row expansion

Start from the permutation definition and group terms by the value of σ(i). In the group with σ(i)=j, the factor aij appears. Moving row i and column j to the front requires (i-1)+(j-1) adjacent swaps, giving the sign (-1)i+j. The remaining signed sum is the determinant of A(i|j). Thus that group contributes aijCij, and summing over j proves the row expansion.

Column expansion follows similarly, or by applying row expansion to AT and using detA=detAT.

5.33. Adjugate identity

The (i,k) entry of Aadj(A) is

j=1naijCkj.

If i=k, this is the cofactor expansion of detA. If ik, it is the determinant of the matrix obtained by replacing row k by row i, expanded along row k. That matrix has two equal rows, so its determinant is zero. Therefore

Aadj(A)=(detA)I.

The identity adj(A)A=(detA)I follows similarly from column expansion.

5.44. Inverse formula

If detA0, then division by detA is allowed, so

A-1=1detAadj(A).

Conversely, if A is invertible, then

detA·det(A-1)=detI=1,

so detA0. Hence A is invertible if and only if detA0.

6具体例ぐたいれい

A=(102310041)

だい 1 ぎょうrow展開てんかいする。だい 1 ぎょうrow成分せいぶん1,0,2 なので、0 のこうえる。

\begin{aligned} \det A &= 1\cdot(-1)^{1+1}\det\begin{pmatrix}1&0\\4&1\end{pmatrix} +0\cdot C_{12}\\ &\quad+ 2\cdot(-1)^{1+3}\det\begin{pmatrix}3&1\\0&4\end{pmatrix}\\ &= 1(1)+2(12)=25 \end{aligned}

したがって detA=250 であり、A可逆かぎゃくinvertibleである。さらに、逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrix余因子よいんしから構成こうせいするなら、すべての Cij計算けいさんして adj(A)つくり、125ければよい。

6Worked example

For

A=(102310041),

expansion along the first row gives

\begin{aligned} \det A &= 1\cdot\det\begin{pmatrix}1&0\\4&1\end{pmatrix} +2\cdot\det\begin{pmatrix}3&1\\0&4\end{pmatrix}\\ &= 1(1)+2(12)=25. \end{aligned}

Thus detA0, so A is invertible.

7階数かいすうrank線型写像せんけいしゃぞうlinear mapとの関係かんけい

An×n 正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixのとき、つぎ条件じょうけん同値どうちである。

Aは可逆detA0rank(A)=n列ベクトルが一次独立

行列式ぎょうれつしきdeterminantからの証明しょうめいうえ随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrix公式こうしきあたえた。階数かいすうrankからの見方みかたでは、rank(A)=n列空間れつくうかんcolumn spaceKn 全体ぜんたいであることを意味いみし、対応たいおうする線型写像せんけいしゃぞうlinear map xAx情報じょうほううしなわないことを意味いみする。

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7Relation to rank and linear maps

For an n×n square matrix,

AisinvertibledetA0rank(A)=nthecolumnsarelinearlyindependent.

The determinant proof uses the adjugate formula above. The rank viewpoint says that full rank means the column space is all of Kn, so the corresponding linear map loses no information.

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8見分みわかた

  • 0 がおおぎょうrowまたはれつcolumnがあるなら、余因子展開よいんしてんかいcofactor expansionえらぶとこうる。
  • 逆行列逆行列ぎゃくぎょうれつ理論的りろんてき構成こうせいしたいなら、随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrix使つかう。
  • 数値計算すうちけいさんだけが目的もくてきなら、おおきい行列ぎょうれつmatrixでは余因子展開よいんしてんかいcofactor expansionより行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationのほうが効率的こうりつてきである。

8How to choose the method

Use cofactor expansion when a row or column has many zeros. Use the adjugate when proving the inverse formula. For large numerical computations, row operations are usually more efficient than cofactor expansion.

9どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎでは、成分せいぶん実数じっすうまたは複素数ふくそすうである正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixあつかう。余因子展開よいんしてんかいcofactor expansion任意にんいn×n 正方行列せいほうぎょうれつsquare matrix適用てきようできるが、大規模だいきぼ行列ぎょうれつmatrixでは計算量けいさんりょう急増きゅうぞうする。

長方行列ちょうほうぎょうれつrectangular matrixには、この意味いみ行列式ぎょうれつしきdeterminant余因子展開よいんしてんかいcofactor expansion定義ていぎしない。長方行列ちょうほうぎょうれつでは階数かいすうrank片側逆かたがわぎゃくone-sided inverseもちいて情報じょうほうのこかた調しらべる。

9Scope

This lecture treats square matrices over the real or complex numbers. Cofactor expansion applies to every square matrix, but it becomes computationally expensive for large matrices. Rectangular matrices do not have this determinant or cofactor expansion in the same sense; rank and one-sided inverses are used instead.

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Cij=(-1)i+jdetA(i|j)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]i行でdetA=j=1naijCij
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]j列でdetA=i=1naijCij
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Aadj(A)=adj(A)A=(detA)I
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]detA0A-1=1detAadj(A)

10Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Cij=(-1)i+jdetA(i|j)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]detA=j=1naijCij
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Aadj(A)=adj(A)A=(detA)I
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]A-1=1detAadj(A)(detA0)

11一言ひとことでいうと

  • 余因子展開よいんしてんかいcofactor expansionは、置換ちかんpermutationによる行列式ぎょうれつしきdeterminantを 1 ぎょうまたは 1 れつごとに分類ぶんるいした公式こうしきである。
  • 随伴行列ずいはんぎょうれつadjugate matrixは、行列式ぎょうれつしきdeterminantが 0 でないときに逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrix構成こうせいする。

12演習えんしゅうリンク

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11In one sentence

  • Cofactor expansion groups the permutation definition by one chosen row or column.
  • The adjugate constructs the inverse when the determinant is nonzero.

12Exercise links

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