1導入
この講義で重要なのは、列ベクトルの一次独立性は、行列の pivot と階数へ直結するということである。
階数を非零成分の個数と誤解すると、行列が保持する情報量を把握できない。列ベクトルの独立な方向の本数が階数である。
1Introduction
The key point is that linear independence of column vectors leads directly to pivots and rank階数かいすう. rank階数かいすう is not the number of nonzero entries. It is the number of independent column directions.
2用語ようごと定義ていぎ
ベクトル v_1,\dots,v_k が一次独立いちじどくりつLinearly independentであるとは、
c_1v_1+\cdots+c_kv_k=0
から
c_1=\cdots=c_k=0
が従したがうことである。
階数かいすうRank は、独立どくりつindependentな列れつベクトルcolumn vectorの最大本数さいだいほんすうである。
2Terms and definitions
Vectors v_1,\ldots,v_k are linearly independent一次独立いちじどくりつ if
c_1v_1+\cdots+c_kv_k=0
implies
c_1=\cdots=c_k=0.
The rank階数かいすう of a matrix is the maximum number of independent column vectors.
3方針ほうしん
列れつベクトルcolumn vectorを並ならべて行列ぎょうれつmatrixを作つくり、掃はき出だしで pivot 列れつcolumnを確認かくにんする。pivot 列れつcolumnに対応たいおうする元もとの列れつベクトルcolumn vectorが、列空間れつくうかんcolumn spaceの基底きていbasisを与あたえる。
data/lecture/math/vector/row-and-column-vectors.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-algebra/row-echelon-and-reduced-row-echelon-forms.lecture.n.md
4直感的ちょっかんてきな説明せつめい
2 本ほんの列れつベクトルcolumn vectorが同おなじ方向ほうこうを向むいていれば、一方いっぽうは他方たほうの定数倍ていすうばいであり、新あたらしい方向ほうこうを追加ついかしない。階数かいすうrankは、このような重複ちょうふくを除のぞいた本質的ほんしつてきな方向ほうこうの数かずである。
5厳密げんみつな説明せつめい
a_1,\dots,a_n を行列ぎょうれつmatrix A の列れつベクトルcolumn vectorとする。一次関係いちじかんけい
c_1a_1+\cdots+c_na_n=0
は
Ac=0
と同値どうちequivalentである。したがって、列れつベクトルcolumn vectorの一次独立性いちじどくりつせいは同次方程式どうじほうていしき Ac=0 の解かいを調査ちょうさすることで判定はんていできる。
行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationをしても、この同次方程式どうじほうていしきの解集合かいしゅうごうは変かわらない。実際じっさい、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationは左ひだりから可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrix E を掛かける操作そうさoperationなので、EA c=0 なら A c=E^{-1}0=0 であり、逆ぎゃくも成立せいりつする。
ここで保存ほぞんされるのは、列れつcolumnどうしの一次関係いちじかんけいである。一方いっぽう、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationは列れつベクトルcolumn vectorそのものを E a_i に移うつすため、列空間れつくうかんcolumn spaceそのものは一般いっぱんには変かわる。したがって階段形かいだんけいrow echelon formで見みつけた pivot 列れつcolumnは、「変形後へんけいごの列れつcolumnそのもの」ではなく、「元もとの行列ぎょうれつmatrixの同おなじ位置いちの列れつcolumn」へ戻もどして読よむ必要ひつようがある。
3Strategy
Arrange the column vectors列れつベクトル as a matrix行列ぎょうれつ and use elimination to identify the pivot主成分しゅせいぶん columns. The original columns in those pivot positions form a basis基底きてい for the column space列空間れつくうかん.
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4Intuitive explanation
If two column vectors point in the same direction, one is a scalar multiple of the other and does not add a new direction. Rank階数かいすう counts the essential independent directions after such redundancy is removed.
5Precise explanation
Let a_1,\ldots,a_n be the columns of a matrix A. The linear relation
c_1a_1+\cdots+c_na_n=0
is equivalent to
Ac=0,
where c=(c_1,\ldots,c_n)^T. Therefore column independence is tested by the homogeneous system Ac=0.
Elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい preserve the solution set of this homogeneous system. Algebraically, a row operation is multiplication by an invertible matrix可逆行列かぎゃくぎょうれつ E on the left, so EAc=0 is equivalent to Ac=0.
What is preserved is the linear relations among the columns. The visible column vectors themselves change from a_i to Ea_i, so the column space列空間れつくうかん itself generally changes during row reduction. Therefore pivot columns found in an echelon form must be read back in the same positions of the original matrix.
6行基本変形ぎょうきほんへんけいと pivot 列れつcolumn
行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationは Ac=0 の解集合かいしゅうごうを保存ほぞんする。代数的だいすうてきには、行基本変形ぎょうきほんへんけいは左ひだりから可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrix E を掛かけることなので、
EAc=0\iff Ac=0
である。ただし、見みえている列れつcolumnは a_i から Ea_i に変かわる。したがって、階段形かいだんけいrow echelon formで見みつけた pivot 列れつcolumnは、変形後へんけいごの列れつcolumnそのものではなく、元もとの行列ぎょうれつmatrixの同おなじ位置いちの列れつcolumnとして読よみ戻もどす。
7具体例ぐたいれい
a_1=\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix},\quad
a_2=\begin{pmatrix}0\\1\\1\end{pmatrix},\quad
a_3=\begin{pmatrix}1\\1\\2\end{pmatrix}
とする。ここで
a_3=a_1+a_2
であるため、3 本ぼんは一次従属いちじじゅうぞくlinear dependenceである。独立どくりつindependentな方向ほうこうは a_1,a_2 の 2 本ほんで十分じゅうぶんであり、階数かいすうrankは 2 である。
6Row operations and pivot主成分しゅせいぶん columns
elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい preserve the solution set of Ac=0. Algebraically, a row operation is multiplication by an invertible可逆かぎゃく matrix E on the left, and
EAc=0\iff Ac=0.
However, row operations change the visible column vectors from a_i to Ea_i. Therefore pivot主成分しゅせいぶん columns found in an echelon form must be read by their positions in the original matrix, not by taking the transformed columns themselves as the original column-space basis基底きてい.
7Worked example
Let
a_1=\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix},\quad
a_2=\begin{pmatrix}0\\1\\1\end{pmatrix},\quad
a_3=\begin{pmatrix}1\\1\\2\end{pmatrix}.
Then a_3=a_1+a_2. Hence the three columns are linearly dependent, while a_1 and a_2 give two independent directions. The rank階数かいすう is 2.
8定理ていり・証明しょうめいの要点ようてん
元もとの行列ぎょうれつmatrixの pivot 列れつcolumnは、列空間れつくうかんcolumn spaceの基底きていbasisを作つくる。張はることは、pivot でない列れつcolumnが階段形かいだんけいrow echelon formで検出けんしゅつされる一次関係いちじかんけいにより pivot 列れつcolumnの線型結合せんけいけつごうlinear combinationとして表あらわせることから分わかる。一次独立いちじどくりつであることは、pivot 列れつcolumnだけに非自明ひじめいな一次関係いちじかんけいがあれば、対応たいおうする同次方程式どうじほうていしきに非零解ひぜろかいが生しょうじ、pivot の位置いちに反はんすることから従したがう。
9よくある誤解ごかい
- 階数かいすうrankは非零成分ひぜろせいぶんの個数こすうではない。独立どくりつindependentな列れつcolumnの本数ほんすうである。
- 掃はき出だし後ごの列れつcolumnそのものが元もとの列空間れつくうかんcolumn spaceを表あらわすとは限かぎらない。pivot 列れつcolumnの位置いちを元もとの行列ぎょうれつmatrixへ戻もどして確認かくにんする。
- 列れつcolumnが多おおいほど階数かいすうrankが大おおきいとは限かぎらない。従属じゅうぞくdependentな列れつcolumnは新あたらしい方向ほうこうを追加ついかしない。
8Theorem/proof checkpoint
The pivot主成分しゅせいぶん columns of the original matrix form a basis基底きてい of the column space列空間れつくうかん. They span because every non-pivot主成分しゅせいぶん column has a linear relation with earlier pivot主成分しゅせいぶん columns, detected by the echelon form. They are independent because a nontrivial relation among pivot主成分しゅせいぶん columns would produce a nontrivial solution to the corresponding homogeneous system, contradicting the pivot主成分しゅせいぶん positions.
9Common misunderstandings
- rank階数かいすう is not a count of nonzero entries.
- The transformed columns after row reduction are not generally the original column space列空間れつくうかん.
- Having many columns does not guarantee high rank階数かいすう; dependent columns add no new direction.
10どこまで成立せいりつするか
列れつベクトルcolumn vectorの独立性どくりつせいは有限次元ゆうげんじげんの階数かいすうrankの基礎きそである。抽象ちゅうしょうベクトル空間くうかんでは列れつcolumnとして並ならべるとは限かぎらないが、線型結合せんけいけつごうlinear combinationによる一次独立いちじどくりつlinear independenceの定義ていぎはそのまま成立せいりつする。
11最終形さいしゅうけい
\boxed{c_1a_1+\cdots+c_na_n=0\iff Ac=0}
\boxed{\operatorname{rank}(A)=\text{独立な列の最大本数}}
10Scope
Independence of column vectors列れつベクトル is the finite-dimensional basis for rank階数かいすう. In an abstract vector space, vectors may not literally be arranged as columns, but the definition by linear combinations線型結合せんけいけつごう is the same.
11Final forms
\boxed{c_1a_1+\cdots+c_na_n=0\iff Ac=0}
\boxed{\operatorname{rank}(A)=\text{maximum number of independent columns}}