1導入
この講義で重要なのは、列基本変形は行列の列ベクトルを、同じ列空間を張る別の生成系へ可逆に取り替える操作であるということである。
このページは階数の正式な講義より前に置かれている。したがって、ここでは一般化前の最小限の用語として、列空間を「列ベクトルが張る空間」、階数を「その次元」と読む。後続の階数の講義では、これを線型写像の像の次元として一般化する。
このページで核という語を使う場合は、まず Ax=0 を満たす入力 x の集合という行列版の意味で読めばよい。後続では、線型写像 T について T(x)=0 を満たす入力の集合として定義し直す。
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行列をただの数表として見ると、列の入れ替えや加算は成分を動かす手順にしか見えない。しかし
A=
\begin{pmatrix}
|&|&&|\\
a_1&a_2&\cdots&a_n\\
|&|&&|
\end{pmatrix}
=
\begin{bmatrix}
a_1&a_2&\cdots&a_n
\end{bmatrix}
と見れば、列基本変形は列ベクトル a_1,\dots,a_n の組を作り替える操作である。
1Introduction
The key point is that an elementary column operation is an operation that reversibly replaces the way the columns of a matrix行列ぎょうれつ are displayed.
Because this page comes before the formal rank lecture, we separate the early matrix-level definitions from the later generalized definitions. Here the column space列空間れつくうかん means the space spanned by the columns, and rank階数かいすう means its dimension. Later, rank is generalized as the dimension of the image像ぞう of a linear map線型写像せんけいしゃぞう.
When this page uses kernel核かく, first read it in the matrix-level sense: the set of input vectors x satisfying Ax=0. Later, it is defined for a linear map線型写像せんけいしゃぞう T as the set of inputs satisfying T(x)=0.
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For a matrix
A=
\begin{pmatrix}
|&|&&|\\
a_1&a_2&\cdots&a_n\\
|&|&&|
\end{pmatrix}
=
\begin{bmatrix}
a_1&a_2&\cdots&a_n
\end{bmatrix},
then column operations reorganize the generating set a_1,\dots,a_n of the column space列空間れつくうかん. They do not merely move symbols around; they change the coordinates on the input side.
3なぜこの 3 つを基本きほんと呼よぶか
本質ほんしつは、どの操作そうさoperationも元もとに戻もどせることである。
C_i\leftrightarrow C_j
は、もう 1 度ど同おなじ交換こうかんをすれば元もとに戻もどる。
C_i\leftarrow \lambda C_i\qquad(\lambda\ne0)
は、
C_i\leftarrow \frac{1}{\lambda}C_i
で元もとに戻もどる。
C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j
は、
C_i\leftarrow C_i-\lambda C_j
で元もとに戻もどる。したがって列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、情報じょうほうを壊こわす操作そうさoperationではなく、列れつcolumnベクトルの表あらわし方かたを可逆かぎゃくinvertibleに変更へんこうする操作そうさoperationである。
3Why these three are called elementary
Each of the three operations is reversible.
The swap
C_i\leftrightarrow C_j
is undone by swapping the same two columns again.
The scaling operation
C_i\leftarrow \lambda C_i\qquad(\lambda\ne0)
is undone by
C_i\leftarrow \frac{1}{\lambda}C_i.
The replacement operation
C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j
is undone by
C_i\leftarrow C_i-\lambda C_j.
The condition \lambda\ne0 is essential; multiplying a column by 0 destroys information and cannot be undone.
4方針ほうしん
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationでは、行列ぎょうれつmatrixを「列れつcolumnベクトルを横よこに並ならべたもの」として見みる。行列積ぎょうれつせきmatrix productの意味いみから、右みぎから掛かける行列ぎょうれつmatrixは、元もとの列れつcolumnsたちの線型結合せんけいけつごうlinear combinationを新あたらしい列れつcolumnとして作つくる。
A=
\begin{bmatrix}
a_1&a_2&\cdots&a_n
\end{bmatrix}
のとき、AF の第だい k 列れつcolumnは、F の第だい k 列れつcolumnを係数けいすうcoefficientとして a_1,\dots,a_n を線型結合せんけいけつごうlinear combinationしたものである。したがって
\boxed{\text{列を変える操作は右から掛ける}}
となる。
data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md
4Strategy
When studying column operations, write the matrix as
A=
\begin{bmatrix}
a_1&a_2&\cdots&a_n
\end{bmatrix}.
Then track how each new column is made as a linear combination of the old columns. The guiding rule is
\boxed{\text{operations that change columns are multiplication on the right}}
Indeed, the k-th column of AF is obtained by using the k-th column of F as the coefficient vector for a linear combination of a_1,\dots,a_n.
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5直感的ちょっかんてきな説明せつめい
列れつcolumnベクトル a_1,\dots,a_n が張はる空間くうかんspaceを考かんがえる。a_3 を a_3-3a_1 に替かえても、新あたらしい a_3-3a_1 は元もとの列れつcolumnsたちの線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。逆ぎゃくinverseに、元もとの a_3 は
a_3=(a_3-3a_1)+3a_1
と復元ふくげんできる。つまり、張はっている空間くうかんspaceそのものは変かわらない。
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、地図ちずでいえば同おなじ場所ばしょを別べつの案内標識あんないひょうしきで示しめすようなものである。列れつcolumnの見みた目めは変かわるが、そこから到達とうたつできる空間くうかんspaceは変かわらない。
5Intuitive explanation
A column operation replaces a list of column generators by another list that spans the same space. For example, after the operation C_3\leftarrow C_3-3C_1, the old column can be recovered because
a_3=(a_3-3a_1)+3a_1.
Thus the generated space is unchanged, even though the displayed columns have changed.
In the map analogy, a column operation is like changing the signs that describe the same place. The displayed columns change, but the space reachable from them does not.
6厳密げんみつな説明せつめい
6.11. 右みぎから基本行列きほんぎょうれつelementary matrixを掛かける
基本行列きほんぎょうれつelementary matrix とは、単位行列たんいぎょうれつidentity matrixに 1 回かいの基本変形きほんへんけいelementary operationを施ほどこして得えられる行列ぎょうれつmatrixである。列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、右みぎから基本行列きほんぎょうれつelementary matrixを掛かける操作そうさoperationとして表あらわせる。
たとえば
C_3\leftarrow C_3-3C_1
は、
F=
\begin{pmatrix}
1&0&-3\\
0&1&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}
を右みぎから掛かけることに対応たいおうする。実際じっさい、
\begin{aligned}
AF
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3
\end{bmatrix}
\begin{pmatrix}
1&0&-3\\
0&1&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}\\
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3-3C_1
\end{bmatrix}
\end{aligned}\begin{aligned}
AF
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3
\end{bmatrix}
\begin{pmatrix}
1&0&-3\\
0&1&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}\\
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3-3C_1
\end{bmatrix}
\end{aligned}
である。-3 が F の 1 行ぎょうrow 3 列れつcolumnに現あらわれるのは、AF の第だい 3 列れつcolumnが、F の第だい 3 列れつcolumnを係数けいすうcoefficientとして決きまるためである。
6.22. 線型写像せんけいしゃぞうlinear mapとしての意味いみ
A が線型写像せんけいしゃぞうlinear map T_A:K^n\to K^m を表あらわし、F が可逆かぎゃくinvertibleな線型写像せんけいしゃぞうlinear map T_F:K^n\to K^n を表あらわすとする。このとき AF は
T_A\circ T_F
を表あらわす。なぜなら、任意にんいの入力にゅうりょくinput y について
(AF)y=A(Fy)=T_A(T_F(y))
だからである。
ここで F が列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationに対応たいおうする基本行列きほんぎょうれつelementary matrixなら、F は可逆かぎゃくinvertibleである。したがって T_F は入力空間にゅうりょくくうかん K^n を K^n 全体ぜんたいへ写うつす。結果けっかとして
\operatorname{im}(T_A\circ T_F)=\operatorname{im}T_A
であり、列空間れつくうかんcolumn spaceと階数かいすうrankは保存ほぞんされる。
一方いっぽう、核かくkernelは同おなじ集合しゅうごうとしては保存ほぞんされない。AFy=0 は A(Fy)=0 を意味いみするので、
\ker(AF)=F^{-1}(\ker A)
である。つまり、潰つぶれる方向ほうこうの次元じげんは保たもたれるが、その方向ほうこうを表あらわす座標ざひょうcoordinateは F によって変かわる。
6.33. 行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationとの違ちがい
| 操作そうさoperation | 掛かける側がわside of multiplication | 何なにを作つくるか | 連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equationsでの意味いみ |
| 行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation | A\mapsto EA | 行ぎょうrowの線型結合せんけいけつごうlinear combination | 方程式ほうていしきequationを同値どうちequivalentな方程式ほうていしきequationへ変かえる |
| 列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation | A\mapsto AF | 列れつcolumnの線型結合せんけいけつごうlinear combination | 未知数みちすうunknownの係数けいすうcoefficientの組くみを変かえる |
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equationそのものを同値どうちequivalentな形かたちformへ変かえるため、Ax=b の解集合かいしゅうごうsolution setをそのまま保たもちやすい。列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは A の列れつcolumn、つまり未知数みちすうunknownが掛かかる係数けいすうcoefficientの方向ほうこうdirectionを変かえる。したがって連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equationsで列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationを使つかうなら、未知数みちすうunknownの変換へんかんtransformationも同時どうじに追跡ついせきtrackingする必要ひつようがある。
具体的ぐたいてきには、F が可逆かぎゃくinvertibleなら
AFy=b
を解といたあと、元もとの未知数みちすうunknownは
x=Fy
で戻もどす。これを忘わすれると、別べつの未知数みちすうunknownで解といた答こたえを元もとの問題もんだいの答こたえと誤解ごかいする。
6Precise explanation
6.11. Multiplying by an elementary matrix on the right
An elementary matrix is obtained by applying one elementary operation to the identity matrix. An elementary column operation can be represented as multiplication by such an elementary matrix on the right.
Consider the operation
C_3\leftarrow C_3-3C_1.
It is represented by right multiplication with
F=
\begin{pmatrix}
1&0&-3\\
0&1&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}.
Indeed,
\begin{aligned}
AF
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3
\end{bmatrix}
\begin{pmatrix}
1&0&-3\\
0&1&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}\\
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3-3C_1
\end{bmatrix}.
\end{aligned}\begin{aligned}
AF
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3
\end{bmatrix}
\begin{pmatrix}
1&0&-3\\
0&1&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}\\
&=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3-3C_1
\end{bmatrix}.
\end{aligned}
The entry -3 appears in row 1, column 3 of F because the third column of AF is determined by the third column of F as a coefficient vector.
Column operations therefore have the form
A\mapsto AF,
where F is an invertible elementary matrix.
6.22. Meaning as a linear map
Suppose A represents T_A:K^n\to K^m and F represents an invertible map T_F:K^n\to K^n. Then AF represents
T_A\circ T_F,
because for every input y,
(AF)y=A(Fy)=T_A(T_F(y)).
If F is the elementary matrix corresponding to an elementary column operation, then F is invertible. Hence T_F maps K^n onto all of K^n, and
\operatorname{im}(T_A\circ T_F)=\operatorname{im}T_A.
Thus the column space and rank are preserved.
The kernel is not generally preserved as the same set. Since AFy=0 means A(Fy)=0,
\ker(AF)=F^{-1}(\ker A).
So the dimension of the collapsed directions is preserved, but their coordinate description changes.
6.33. Difference from elementary row operations
| Operation | Side of multiplication | What is formed | Meaning for a system of linear equations連立一次方程式れんりついちじほうていしき |
| elementary row operation行基本変形ぎょうきほんへんけい | A\mapsto EA | linear combinations of rows | replaces equations by equivalent equations |
| elementary column operation列基本変形れつきほんへんけい | A\mapsto AF | linear combinations of columns | changes combinations of coefficients attached to the unknowns |
For systems, this distinction matters. If we solve
AFy=b,
then the original unknown is not y. It is
x=Fy.
Thus column operations can be used in equations only if this change of variables is tracked.
7具体例ぐたいれい
A=
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3
\end{bmatrix}
を考かんがえる。
7.1列れつcolumnの交換こうかんswap
C_1\leftrightarrow C_2
を行おこなうと、
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
\longmapsto
\begin{pmatrix}
2&1&3\\
5&4&6\\
8&7&9
\end{pmatrix}
となる。
7.2列れつcolumnの非零定数倍ひぜろていすうばいnonzero scalar multiple
C_3\leftarrow \frac{1}{3}C_3
を行おこなうと、
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
\longmapsto
\begin{pmatrix}
1&2&1\\
4&5&2\\
7&8&3
\end{pmatrix}
となる。第だい 3 列れつcolumnの各成分かくせいぶんeach componentが同時どうじに \frac{1}{3} 倍ばいscalar multipleされる。
7.3他列たれつanother columnの倍ばいscalar multipleを加くわえる
C_3\leftarrow C_3-3C_1
を行おこなうと、
C_3-3C_1
=
\begin{pmatrix}
3\\
6\\
9
\end{pmatrix}
-3
\begin{pmatrix}
1\\
4\\
7
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0\\
-6\\
-12
\end{pmatrix}
である。したがって
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
\longmapsto
\begin{pmatrix}
1&2&0\\
4&5&-6\\
7&8&-12
\end{pmatrix}
となる。
7.4未知数変換みちすうへんかんchange of variablesの具体例ぐたいれい
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationを連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equationsで使つかうときは、未知数みちすうunknownの変換へんかんtransformationを明示めいじする。たとえば 2 列れつcolumnsの行列ぎょうれつmatrix A=[C_1\ C_2] に
C_2\leftarrow C_2-2C_1
を行おこなうとする。この操作そうさoperationは
F=
\begin{pmatrix}
1&-2\\
0&1
\end{pmatrix}
を右みぎから掛かけることに対応たいおうし、
AF=[C_1\ C_2-2C_1]
である。したがって変形後へんけいごafter transformationの方程式ほうていしきequationを
AFy=b
と解といたなら、元もとの方程式ほうていしきequation Ax=b の未知数みちすうunknownは
x=Fy=
\begin{pmatrix}
y_1-2y_2\\
y_2
\end{pmatrix}
である。列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationで得えた y をそのまま x と読よむのは誤あやまりである。
7Concrete examples
Let
A=
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
=
\begin{bmatrix}
C_1&C_2&C_3
\end{bmatrix}.
7.1Swapping columns
For
C_1\leftrightarrow C_2,
we get
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
\longmapsto
\begin{pmatrix}
2&1&3\\
5&4&6\\
8&7&9
\end{pmatrix}.
7.2Multiplying a column by a nonzero scalar
For
C_3\leftarrow \frac{1}{3}C_3,
we get
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
\longmapsto
\begin{pmatrix}
1&2&1\\
4&5&2\\
7&8&3
\end{pmatrix}.
7.3Adding a multiple of another column
For
C_3\leftarrow C_3-3C_1,
compute
C_3-3C_1
=
\begin{pmatrix}
3\\6\\9
\end{pmatrix}
-3
\begin{pmatrix}
1\\4\\7
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
0\\-6\\-12
\end{pmatrix}.
Thus
\begin{pmatrix}
1&2&3\\
4&5&6\\
7&8&9
\end{pmatrix}
\longmapsto
\begin{pmatrix}
1&2&0\\
4&5&-6\\
7&8&-12
\end{pmatrix}.
7.4Concrete example of a change of variables
Suppose a two-column coefficient matrix undergoes
C_2\leftarrow C_2-2C_1.
Then
F=
\begin{pmatrix}
1&-2\\
0&1
\end{pmatrix},
\qquad
AF=[C_1\ C_2-2C_1].
If we solve
AFy=b,
then the original unknown is
x=Fy=
\begin{pmatrix}
y_1-2y_2\\
y_2
\end{pmatrix}.
So y is the coordinate vector after the column change, not the original unknown vector.
8何なにが保存ほぞんpreservationされるか
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationでは、列空間れつくうかんcolumn spaceが保存ほぞんpreservationされる。なぜなら、新あたらしい列れつcolumnは元もとの列れつcolumnの線型結合せんけいけつごうlinear combinationであり、逆操作ぎゃくそうさinverse operationにより元もとの列れつcolumnも新あたらしい列れつcolumnの線型結合せんけいけつごうlinear combinationで戻もどせるからである。
\operatorname{span}(C_1,\dots,C_n)
=
\operatorname{span}(C_1',\dots,C_n')
したがって階数かいすうrank も保存ほぞんpreservationされる。
\operatorname{rank}(A)=\operatorname{rank}(AF)
ただし、右みぎから可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrixを掛かけるため、核かくkernelは同おなじ集合しゅうごうsetとしては保存ほぞんpreservationされない。AFy=0 は A(Fy)=0 を意味いみするので、元もとの核かくkernelとの対応たいおうには x=Fy という変数変換へんすうへんかんchange of variablesが入はいる。
8What is preserved
Because each new column is a linear combination of the old columns and the old columns can be recovered by the inverse operation,
\operatorname{span}(C_1,\dots,C_n)
=
\operatorname{span}(C_1',\dots,C_n').
Therefore
\operatorname{rank}(A)=\operatorname{rank}(AF).
The column space列空間れつくうかん and rank階数かいすう are preserved. The kernel核かく is not generally preserved as the same set of coordinate vectors. Since
AFy=0
\iff
A(Fy)=0,
we have
\ker(AF)=F^{-1}(\ker A).
The dimension of the kernel is preserved, but its coordinate representation changes.
9行列式ぎょうれつしきdeterminantへの影響えいきょうeffect
この節せつは、後あとの行列式ぎょうれつしきdeterminantの講義こうぎを読よんだ後あとに戻もどるための補足ほそくである。このページの本流ほんりゅうでは、列空間れつくうかんcolumn space、階数かいすうrank、未知数みちすうunknownの変換へんかんだけを使つかう。
正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixでは、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationによる行列式ぎょうれつしきdeterminantの変化へんかは行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationと同型どうけいisomorphicである。
| 列操作れつそうさcolumn operation | \det A への影響えいきょうeffect |
| C_i\leftrightarrow C_j | 符号ふごうsignが反転はんてんする |
| C_i\leftarrow \lambda C_i | \lambda 倍ばいfactorされる |
| C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j | 変かわらない |
これは行列式ぎょうれつしきdeterminantが列れつcolumnに関かんして多重線型たじゅうせんけいmultilinearであり、2 本ほんの列れつcolumnsが一致いっちすると 0 になるためである。
data/lecture/math/linear-algebra/determinant-computation-rules.lecture.n.md
9Effects on determinants
This section is a later-reference supplement. Return to it after the determinant lectures. The main flow of the present page uses only column spaces, rank, and changes of unknowns.
For square matrices, column operations affect the determinant行列式ぎょうれつしき as follows.
| Column operation | Effect on \det A |
| C_i\leftrightarrow C_j | the sign changes |
| C_i\leftarrow \lambda C_i | the determinant is multiplied by \lambda |
| C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j | the determinant does not change |
The reason is that the determinant is multilinear in the columns and becomes zero when two columns coincide.
data/lecture/math/linear-algebra/determinant-computation-rules.lecture.n.md
10操作そうさoperationごとに保存ほぞんpreservationされるもの・変かわるもの
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationを A\mapsto AF と書かくと、F は可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrixである。右みぎから掛かけるので、元もとの列れつcolumnベクトルの線型結合せんけいけつごうlinear combinationとして新あたらしい列れつcolumnが作つくられる。このため、列空間れつくうかんcolumn spaceを中心ちゅうしんに見みると保存ほぞんpreservationされるものが見みえやすい。
| 操作そうさoperation | 保存ほぞんpreservationされるもの | 変かわるもの | 注意ちゅうい |
| C_i\leftrightarrow C_j | 列空間れつくうかんcolumn space、階数かいすうrank | 列れつcolumnの順序じゅんじょorder、行空間ぎょうくうかんrow spaceの表示ひょうじrepresentation、核かくkernelの座標表示ざひょうひょうじcoordinate representation、\det A の符号ふごうsign | 未知数みちすうunknownの順序じゅんじょorderも入いれ替かわる |
| C_i\leftarrow \lambda C_i,\ \lambda\ne0 | 列空間れつくうかんcolumn space、階数かいすうrank | 第だい i 列れつcolumnの大おおきさ、核かくkernelの座標表示ざひょうひょうじcoordinate representation、\det A の倍率ばいりつfactor | \lambda=0 は列れつcolumnを消けすため禁止きんしである |
| C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j | 列空間れつくうかんcolumn space、階数かいすうrank、\det A | 列れつcolumnの生成系せいせいけいgenerating set、行空間ぎょうくうかんrow spaceの表示ひょうじrepresentation、核かくkernelの座標表示ざひょうひょうじcoordinate representation | 行列式ぎょうれつしきdeterminantは変かわらない |
列空間れつくうかんcolumn spaceが保存ほぞんpreservationされる理由りゆうは、新あたらしい列れつcolumnが元もとの列れつcolumnの線型結合せんけいけつごうlinear combinationであり、逆操作ぎゃくそうさinverse operationにより元もとの列れつcolumnも新あたらしい列れつcolumnから復元ふくげんできるためである。したがって
\operatorname{Col}(AF)=\operatorname{Col}(A)
である。階数かいすうrankは列空間れつくうかんcolumn spaceの次元じげんdimensionなので保存ほぞんpreservationされる。
一方いっぽう、核かくkernelは同おなじ集合しゅうごうsetとしては一般いっぱんに保存ほぞんpreservationされない。
AFy=0
\iff
A(Fy)=0
であるから、x=Fy と置おけば x\in\ker A である。つまり
\ker(AF)=F^{-1}(\ker A)
となる。核かくkernelの次元じげんdimensionは保存ほぞんpreservationされるが、座標ざひょうcoordinateの表あらわし方かたは変かわる。
連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equationsでこの違ちがいは重要じゅうようである。Ax=b の係数行列けいすうぎょうれつcoefficient matrixを AF に変かえたなら、同おなじ未知数みちすうunknown x で解といているのではない。
AFy=b
を解といたあと、元もとの未知数みちすうunknownは
x=Fy
で戻もどす。この対応たいおうを追跡ついせきtrackingすれば、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationも方程式ほうていしきequationの整理せいりに使つかえる。しかし追跡ついせきtrackingしないなら、解集合かいしゅうごうsolution setをそのまま保たもつ操作そうさoperationではない。
行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationとの比較ひかくは次つぎのページで確認かくにんする。
data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md
階数かいすうrank・列空間れつくうかんcolumn space・核かくkernelの関係かんけいは次つぎのページで確認かくにんする。
data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md
10What changes and what is preserved by operation
| Operation | Preserved | Changed | Caution |
| C_i\leftrightarrow C_j | column space列空間れつくうかん, rank階数かいすう | order of columns, displayed row space, coordinate representation of the kernel, sign of \det A | the order of unknowns is also swapped |
| C_i\leftarrow \lambda C_i,\ \lambda\ne0 | column space列空間れつくうかん, rank階数かいすう | size of the i-th column, coordinate representation of the kernel, factor of \det A | the inverse scaling must be tracked |
| C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j | column space列空間れつくうかん, rank階数かいすう, determinant | displayed columns, coordinate representation of the kernel | the equation variables have changed if used in Ax=b |
Writing an elementary column operation列基本変形れつきほんへんけい as A\mapsto AF, the matrix F is invertible可逆かぎゃく. Since multiplication is on the right, each new column is a linear combination線型結合せんけいけつごう of the original columns.
This explains why
\operatorname{Col}(AF)=\operatorname{Col}(A)
and why rank階数かいすう, the dimension of the column space, is preserved.
The kernel核かく is not generally preserved as the same set. From
AFy=0\iff A(Fy)=0,
putting x=Fy gives
\ker(AF)=F^{-1}(\ker A).
Thus the dimension of the kernel is preserved, but its coordinate representation changes.
This matters for a system of linear equations連立一次方程式れんりついちじほうていしき. If the coefficient matrix in Ax=b is changed to AF, then one is not solving for the same unknown vector x. After solving
AFy=b,
the original unknown is recovered by
x=Fy.
Column operations can be used to organize equations only if this variable change is tracked. Without tracking, they do not preserve the solution set in the same way that row operations do.
data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md
12どこまで成立せいりつするか
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、任意にんいarbitraryの m\times n 行列ぎょうれつmatrixに対たいして定義ていぎできる。列空間れつくうかんcolumn spaceと階数かいすうrankは保存ほぞんpreservationされる。ただし行列式ぎょうれつしきdeterminantへの影響えいきょうeffectを語かたれるのは、行列式ぎょうれつしきdeterminantが定義ていぎされる正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixの場合ばあいである。
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは列れつcolumnの生成系せいせいけいgenerating setを取とり替かえる操作そうさoperationであり、写像しゃぞうmapの終域しゅういきcodomainにある列空間れつくうかんcolumn spaceは保たもつ。一方いっぽうで、入力側にゅうりょくがわinput sideの座標ざひょうcoordinateは変かわるので、方程式ほうていしきequationの未知数みちすうunknownは同一視どういつししない。
12Scope of validity
Elementary column operations列基本変形れつきほんへんけい are defined for arbitrary m\times n matrices. They preserve the column space列空間れつくうかん and rank階数かいすう. Statements about determinant effects apply only to square matrices, because determinants are defined only there.
A column operation replaces the generating set of columns reversibly and keeps the column space in the codomain. On the other hand, the input-side coordinates change, so the unknowns in an equation must not be identified without tracking that coordinate change.
13最終形さいしゅうけい
\boxed{\text{列基本変形は列の生成系を可逆に取り替える操作である}}
\boxed{A\mapsto AF}
\boxed{\operatorname{span}(C_1,\dots,C_n)\text{ と }\operatorname{rank}(A)\text{ は保存される}}
13Final forms
\boxed{\text{Column operations reversibly replace a generating set of columns}}
\boxed{A\mapsto AF}
\boxed{\operatorname{span}(C_1,\dots,C_n)\text{ and }\operatorname{rank}(A)\text{ are preserved}}
14一言ひとことでいうと
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、列れつcolumnベクトルが張はる空間くうかんspaceを変かえずに、列れつcolumnの表あらわし方かただけを変かえる操作そうさoperationである。
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、可逆かぎゃくinvertibleな基本行列きほんぎょうれつelementary matrixを右みぎから掛かける操作そうさoperationである。したがって、入力側にゅうりょくがわの座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationを変かえる未知数変換みちすうへんかんchange of variablesとして読よむべきであり、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationと同おなじ操作そうさとは読よまない。
保存則ほぞんそくpreservation ruleが実用上じつようじょうの確認点かくにんてんである。AE の列れつcolumnは A の列れつcolumnの可逆かぎゃくinvertibleな線型結合せんけいけつごうlinear combinationなので、列空間れつくうかんcolumn spaceと階数かいすうrankは保存ほぞんされる。連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equations Ax=b では、変形後へんけいごの AEy=b は x=Ey という代入だいにゅうを通つうじて元もとの問題もんだいに対応たいおうする。行列式ぎょうれつしきdeterminantは、列交換れつこうかん・列れつの非零倍ひぜろばい・他列たれつの倍ばいの加算かさんについて、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationと同おなじ規則きそくで変化へんかする。
14In one sentence
An elementary column operation列基本変形れつきほんへんけい changes the way column vectors are displayed without changing the space spanned by those columns.
An elementary column operation列基本変形れつきほんへんけい is right multiplication by an invertible elementary matrix. It changes the coordinate description on the input side, so it should be read as a change of variables未知数変換みちすうへんかん, not as the same operation as an elementary row operation.
The preservation rules are the practical checkpoint. Because AE has columns that are invertible linear combinations of the columns of A, the column space and rank are preserved. For a system Ax=b, the literal solution vector in the original variables changes, but the transformed system AEy=b is equivalent after the substitution x=Ey. Determinants change according to the same swap, scaling, and column-addition rules as row operations.
15定理ていりと証明しょうめい:列基本変形れつきほんへんけいは列空間れつくうかんを保たもつ
列基本変形れつきほんへんけいは、列れつたちが張はる空間くうかんを変かえない。
証明しょうめいする。A=[C_1\ \cdots\ C_n] とする。列れつの交換こうかんは生成系せいせいけいの順番じゅんばんを替かえるだけなので、張はる空間くうかんは変かわらない。列れつを 0 でない \lambda 倍ばいする操作そうさは、同おなじ方向ほうこうの生成元せいせいげんを非零ひれいの倍率ばいりつで替かえるだけであり、1/\lambda 倍ばいで戻もどせる。
最後さいごに、C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j を考かんがえる。新あたらしい C_i は、もとの列れつの線型結合せんけいけつごうなので、新あたらしい列れつたちが張はる空間くうかんは、もとの列空間れつくうかんに含ふくまれる。逆操作ぎゃくそうさ C_i\leftarrow C_i-\lambda C_j で戻もどせるので、逆ぎゃくの包含ほうがんも成立せいりつする。したがって列空間れつくうかんは等ひとしい。
ただし、列基本変形れつきほんへんけいは未知数みちすうの意味いみを変かえるため、連立一次方程式れんりついちじほうていしきの解集合かいしゅうごうをそのまま保たもつとは限かぎらない。
15Theorem and proof: elementary column operations preserve column space
Elementary column operations列基本変形れつきほんへんけい do not change the space spanned by the columns.
Proof. Write A=[C_1\ \cdots\ C_n]. Swapping columns only changes the order of a generating set, so the span is unchanged. Multiplying a column by a nonzero scalar only replaces a generator by a nonzero scalar multiple in the same direction, and it can be undone by multiplying by 1/\lambda.
Finally, consider C_i\leftarrow C_i+\lambda C_j. The new C_i is a linear combination of the old columns, so the span of the new columns is contained in the old column space. The inverse operation C_i\leftarrow C_i-\lambda C_j recovers the old columns from the new columns, so the reverse inclusion also holds. Therefore the column spaces are equal.
However, column operations change the meaning of the unknown coordinates, so they do not necessarily preserve the solution set of a system of linear equations as the same set of unknown vectors.