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列基本変形の基本md 05c8476
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列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_c5d2734d6dd9c528308116bc39f62d75description列基本変形を、列ベクトルの生成系と入力側の座標を可逆に取り替える操作として説明し、線型写像・列空間・階数・行列式への影響を整理する講義である。prerequisites線型写像と行列 / 行列の積の意味 / 線型結合と張る空間の基本 / 行基本変形の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/column-independence-and-rank.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/determinant-computation-rules.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/elementary-operations-and-linear-systems.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

Basics of elementary column operations列基本変形れつきほんへんけい

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、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation行列ぎょうれつmatrixれつcolumnベクトルを、おな列空間れつくうかんcolumn spaceべつ生成系せいせいけいgenerating set可逆かぎゃくinvertibleえる操作そうさoperationであるということである。

このページは階数かいすうrank正式せいしき講義こうぎよりまえかれている。したがって、ここでは一般化前いっぱんかまえ最小限さいしょうげん用語ようごとして、列空間れつくうかんcolumn spaceを「れつcolumnベクトルが空間くうかんspace」、階数かいすうrankを「その次元じげんdimension」とむ。後続こうぞく階数かいすう講義こうぎでは、これを線型写像せんけいしゃぞうlinear mapぞうimage次元じげんdimensionとして一般化いっぱんかする。

このページでかくkernelという使つか場合ばあいは、まず Ax=0たす入力にゅうりょくinput x集合しゅうごうという行列版ぎょうれつばん意味いみめばよい。後続こうぞくでは、線型写像せんけいしゃぞうlinear map T について T(x)=0たす入力にゅうりょくinput集合しゅうごうとして定義ていぎなおす。

data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md

行列ぎょうれつmatrixをただの数表すうひょうとしてると、れつcolumnえや加算かさんaddition成分せいぶんcomponentうごかす手順てじゅんにしかえない。しかし

A=(|||a1a2an|||)=[a1a2an]

れば、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationれつcolumnベクトル a1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],anくみつくえる操作そうさoperationである。

1Introduction

The key point is that an elementary column operation列基本変形れつきほんへんけい 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ぞう of a linear map線型写像せんけいしゃぞう.

When this page uses kernel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.

data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md

For a matrix

A=(|||a1a2an|||)=[a1a2an],

then column operations reorganize the generating set a1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],an 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.

2用語ようご定義ていぎ

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation とは、行列ぎょうれつmatrixれつcolumnたいするつぎの 3 種類しゅるい操作そうさoperationである。

操作そうさoperation記号きごう意味いみ
れつcolumn交換こうかんswapCiCjだい i れつcolumnだい j れつcolumn交換こうかんswapする
れつcolumn非零定数倍ひぜろていすうばいnonzero scalar multipleCiλCi,λ0だい i れつcolumnを 0 でないスカラーscalar λ ばいscalar multipleする
他列たれつanother columnばいscalar multiple加算かさんadditionCiCi+λCjだい i れつcolumnだい j れつcolumnλ ばいscalar multipleくわえる

λ0必要ひつようなのは、λ=0 とするとれつcolumnそのものがえ、逆操作ぎゃくそうさinverse operation復元ふくげんできなくなるためである。

2Terms and definitions

The three elementary column operations列基本変形れつきほんへんけい are the following.

OperationSymbolMeaning
swap交換こうかん columnsCiCjexchange the i-th and j-th columns
multiply a column by a nonzero scalar非零定数ひぜろていすうCiλCi,λ0multiply the i-th column by a nonzero scalar λ
add a multiple of another columnCiCi+λCjadd λ times the j-th column to the i-th column

The condition λ0 is necessary in the second operation. If λ=0, the column itself disappears and cannot be recovered by an inverse operation.

3なぜこの 3 つを基本きほんぶか

本質ほんしつは、どの操作そうさoperationもともどせることである。

CiCj

は、もう 1 おな交換こうかんをすればもともどる。

CiλCi(λ0)

は、

Ci1λCi

もともどる。

CiCi+λCj

は、

CiCi-λCj

もともどる。したがって列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、情報じょうほうこわ操作そうさoperationではなく、れつcolumnベクトルのあらわかた可逆かぎゃくinvertible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

CiCj

is undone by swapping the same two columns again.

The scaling operation

CiλCi(λ0)

is undone by

Ci1λCi.

The replacement operation

CiCi+λCj

is undone by

CiCi-λCj.

The condition λ0 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「れつcolumnベクトルをよこならべたもの」としてる。行列積ぎょうれつせきmatrix product意味いみから、みぎからける行列ぎょうれつmatrixは、もとれつcolumnsたちの線型結合せんけいけつごうlinear combinationあたらしいれつcolumnとしてつくる。

A=[a1a2an]

のとき、AFだい k れつcolumnは、Fだい k れつcolumn係数けいすうcoefficientとして a1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],an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

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]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=[a1a2an].

Then track how each new column is made as a linear combination of the old columns. The guiding rule is

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]operationsthatchangecolumnsaremultiplicationontheright

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 a1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],an.

data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md

5直感的ちょっかんてき説明せつめい

れつcolumnベクトル a1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],an空間くうかんspaceかんがえる。a3a3-3a1えても、あたらしい a3-3a1もとれつcolumnsたちの線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。ぎゃくinverseに、もとa3

a3=(a3-3a1)+3a1

復元ふくげんできる。つまり、っている空間くうかんspaceそのものはわらない。

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは、地図ちずでいえばおな場所ばしょべつ案内標識あんないひょうしきしめすようなものである。れつcolumnわるが、そこから到達とうたつできる空間くうかんspace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 C3C3-3C1, the old column can be recovered because

a3=(a3-3a1)+3a1.

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厳密げんみつ説明せつめい

6.11. みぎから基本行列きほんぎょうれつelementary matrix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 かい基本変形きほんへんけいelementary operationほどこして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、みぎから基本行列きほんぎょうれつelementary matrixける操作そうさoperationとしてあらわせる。

たとえば

C3C3-3C1

は、

F=(10-3010001)

みぎから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}

である。-3F の 1 ぎょうrow 3 れつcolumnあらわれるのは、AFだい 3 れつcolumnが、Fだい 3 れつcolumn係数けいすうcoefficientとしてまるためである。

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線型写像せんけいしゃぞうlinear map TA:KnKmあらわし、F可逆かぎゃくinvertible線型写像せんけいしゃぞうlinear map TF:KnKnあらわすとする。このとき AF

TATF

あらわす。なぜなら、任意にんい入力にゅうりょくinput y について

(AF)y=A(Fy)=TA(TF(y))

だからである。

ここで F列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation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可逆かぎゃくinvertibleである。したがって TF入力空間にゅうりょくくうかん KnKn 全体ぜんたいうつす。結果けっかとして

im(TATF)=imTA

であり、列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrank保存ほぞんされる。

一方いっぽうかくkernelおな集合しゅうごうとしては保存ほぞんされない。AFy=0A(Fy)=0意味いみするので、

ker(AF)=F-1(kerA)

である。つまり、つぶれる方向ほうこう次元じげんたもたれるが、その方向ほうこうあらわ座標ざひょうcoordinateF によってわる。

6.33. 行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationとのちが

操作そうさoperationけるがわside of multiplicationなに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 operationAEAぎょうrow線型結合せんけいけつごうlinear combination方程式ほうていしきequation同値どうちequivalent方程式ほうていしきequationえる
列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationAAFれつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combination未知数みちすうunknown係数けいすうcoefficientくみえる

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かたちformえるため、Ax=b解集合かいしゅうごうsolution setをそのままたもちやすい。列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationAれつcolumn、つまり未知数みちすうunknownかる係数けいすうcoefficient方向ほうこうdirection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列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation使つかうなら、未知数みちすうunknown変換へんかんtransformation同時どうじ追跡ついせきtrackingする必要ひつようがある。

具体的ぐたいてきには、F可逆かぎゃくinvertibleなら

AFy=b

いたあと、もと未知数みちすうunknown

x=Fy

もどす。これをわすれると、べつ未知数みちすうunknownいたこたえをもと問題もんだい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

C3C3-3C1.

It is represented by right multiplication with

F=(10-3010001).

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}

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

AAF,

where F is an invertible elementary matrix.

6.22. Meaning as a linear map

Suppose A represents TA:KnKm and F represents an invertible map TF:KnKn. Then AF represents

TATF,

because for every input y,

(AF)y=A(Fy)=TA(TF(y)).

If F is the elementary matrix corresponding to an elementary column operation, then F is invertible. Hence TF maps Kn onto all of Kn, and

im(TATF)=imTA.

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(kerA).

So the dimension of the collapsed directions is preserved, but their coordinate description changes.

6.33. Difference from elementary row operations

OperationSide of multiplicationWhat is formedMeaning 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AEAlinear combinations of rowsreplaces equations by equivalent equations
elementary column operation列基本変形れつきほんへんけいAAFlinear combinations of columnschanges 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=(123456789)=[C1C2C3]

かんがえる。

7.1れつcolumn交換こうかんswap

C1C2

おこなうと、

(123456789)(213546879)

となる。

7.2れつcolumn非零定数倍ひぜろていすうばいnonzero scalar multiple

C313C3

おこなうと、

(123456789)(121452783)

となる。だい 3 れつcolumn各成分かくせいぶんeach component同時どうじ13 ばいscalar multipleされる。

7.3他列たれつanother columnばいscalar multipleくわえる

C3C3-3C1

おこなうと、

C3-3C1=(369)-3(147)=(0-6-12)

である。したがって

(123456789)(12045-678-12)

となる。

7.4未知数変換みちすうへんかんchange of variables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連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equations使つかうときは、未知数みちすうunknown変換へんかんtransformation明示めいじする。たとえば 2 れつcolumns行列ぎょうれつmatrix A=[C1C2]

C2C2-2C1

おこなうとする。この操作そうさoperation

F=(1-201)

みぎからけることに対応たいおうし、

AF=[C1C2-2C1]

である。したがって変形後へんけいごafter transformation方程式ほうていしきequation

AFy=b

いたなら、もと方程式ほうていしきequation Ax=b未知数みちすうunknown

x=Fy=(y1-2y2y2)

である。列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationy をそのまま xむのはあやまりである。

7Concrete examples

Let

A=(123456789)=[C1C2C3].

7.1Swapping columns

For

C1C2,

we get

(123456789)(213546879).

7.2Multiplying a column by a nonzero scalar

For

C313C3,

we get

(123456789)(121452783).

7.3Adding a multiple of another column

For

C3C3-3C1,

compute

C3-3C1=(369)-3(147)=(0-6-12).

Thus

(123456789)(12045-678-12).

7.4Concrete example of a change of variables

Suppose a two-column coefficient matrix undergoes

C2C2-2C1.

Then

F=(1-201),AF=[C1C2-2C1].

If we solve

AFy=b,

then the original unknown is

x=Fy=(y1-2y2y2).

So y is the coordinate vector after the column change, not the original unknown vector.

8なに保存ほぞん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保存ほぞんpreservationされる。なぜなら、あたらしいれつcolumnもとれつcolumn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によりもとれつcolumnあたらしいれつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combinationもどせるからである。

span(C1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],Cn)=span(C1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],Cn)

したがって階数かいすうrank保存ほぞんpreservationされる。

rank(A)=rank(AF)

ただし、みぎから可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrixけるため、かくkernelおな集合しゅうごうsetとしては保存ほぞんpreservationされない。AFy=0A(Fy)=0意味いみするので、もとかく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,

span(C1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],Cn)=span(C1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],Cn).

Therefore

rank(A)=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かく is not generally preserved as the same set of coordinate vectors. Since

AFy=0A(Fy)=0,

we have

ker(AF)=F-1(kerA).

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

このせつは、あと行列式ぎょうれつしきdeterminant講義こうぎんだあと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変化へんか行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation同型どうけいisomorphicである。

列操作れつそうさcolumn operationdetA への影響えいきょうeffect
CiCj符号ふごうsign反転はんてんする
CiλCiλ ばいfactorされる
CiCi+λCjわらない

これは行列式ぎょうれつしきdeterminantれつcolumnかんして多重線型たじゅうせんけいmultilinearであり、2 ほんれつcolumns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 operationEffect on detA
CiCjthe sign changes
CiλCithe determinant is multiplied by λ
CiCi+λCjthe 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・わるもの

列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationAAFくと、F可逆行列かぎゃくぎょうれつinvertible matrixである。みぎからけるので、もとれつcolumnベクトルの線型結合せんけいけつごうlinear combinationとしてあたらしいれつcolumnつくられる。このため、列空間れつくうかんcolumn space中心ちゅうしんると保存ほぞんpreservationされるものがえやすい。

操作そうさoperation保存ほぞんpreservationされるものわるもの注意ちゅうい
CiCj列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrankれつcolumn順序じゅんじょorder行空間ぎょうくうかんrow space表示ひょうじrepresentationかくkernel座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationdetA符号ふごうsign未知数みちすうunknown順序じゅんじょorderわる
CiλCi,λ0列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrankだい i れつcolumnおおきさ、かくkernel座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationdetA倍率ばいりつfactorλ=0れつcolumnすため禁止きんしである
CiCi+λCj列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrankdetAれつcolumn生成系せいせいけいgenerating set行空間ぎょうくうかんrow space表示ひょうじrepresentationかくkernel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わらない

列空間れつくうかんcolumn space保存ほぞんpreservationされる理由りゆうは、あたらしいれつcolumnもとれつcolumn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によりもとれつcolumnあたらしいれつcolumnから復元ふくげんできるためである。したがって

Col(AF)=Col(A)

である。階数かいすうrank列空間れつくうかんcolumn space次元じげんdimensionなので保存ほぞんpreservationされる。

一方いっぽうかくkernelおな集合しゅうごうsetとしては一般いっぱん保存ほぞんpreservationされない。

AFy=0A(Fy)=0

であるから、x=Fyけば xkerA である。つまり

ker(AF)=F-1(kerA)

となる。かくkernel次元じげんdimension保存ほぞんpreservationされるが、座標ざひょうcoordinateあらわかたわる。

連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equationsでこのちがいは重要じゅうようである。Ax=b係数行列けいすうぎょうれつcoefficient matrixAFえたなら、おな未知数みちすうunknown xいているのではない。

AFy=b

いたあと、もと未知数みちすうunknown

x=Fy

もどす。この対応たいおう追跡ついせきtrackingすれば、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation方程式ほうていしきequation整理せいり使つかえる。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をそのままたも操作そうさ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かくkernel関係かんけい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

OperationPreservedChangedCaution
CiCjcolumn 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 detAthe order of unknowns is also swapped
CiλCi,λ0column 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 detAthe inverse scaling must be tracked
CiCi+λCjcolumn space列空間れつくうかん, rank階数かいすう, determinantdisplayed columns, coordinate representation of the kernelthe 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 AAF, 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

Col(AF)=Col(A)

and why rank階数かいすう, the dimension of the column space, is preserved.

The kernelかく is not generally preserved as the same set. From

AFy=0A(Fy)=0,

putting x=Fy gives

ker(AF)=F-1(kerA).

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

11見分みわかた

  • 連立一次方程式れんりついちじほうていしきsystem of linear equations解集合かいしゅうごうsolution setをそのままたもちたいなら、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation使つかう。
  • 列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrankれつcolumn生成系せいせいけいgenerating set整理せいりしたいなら、列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation自然しぜんである。
  • 行列式ぎょうれつしきdeterminant計算けいさんでは、ぎょうrowれつcolumnのどちらに基本変形きほんへんけいelementary operationほどこしてもよい。ただし符号ふごうsign倍率ばいりつfactorかなら記録きろくする。
  • Ax=b途中とちゅう列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation使つかうなら、未知数みちすうunknown変換へんかんtransformation x=Fy最後さいごまで追跡ついせきtrackingする。

11Criteria

  • Use elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい when the solution set of a system should be preserved directly.
  • Use elementary column operations列基本変形れつきほんへんけい when the column space列空間れつくうかん, rank階数かいすう, or generating set of columns is the focus.
  • For determinant computations, either row operations or column operations may be used, but signs and scalar factors must be recorded.
  • If a column operation is used while solving Ax=b, track the change of variables x=Fy until the end.

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arbitrarym×n 行列ぎょうれつmatrixたいして定義ていぎできる。列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrank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かたれるのは、行列式ぎょうれつしきdeterminant定義ていぎされる正方行列せいほうぎょうれつsquare matrix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れつcolumn生成系せいせいけいgenerating setえる操作そうさoperationであり、写像しゃぞうmap終域しゅういきcodomainにある列空間れつくうかんcolumn spaceたもつ。一方いっぽうで、入力側にゅうりょくがわinput side座標ざひょうcoordinateわるので、方程式ほうていしきequation未知数みちすうunknown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×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

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]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
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]AAF
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]span(C1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],Cn)rank(A)は保存される

13Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Columnoperationsreversiblyreplaceageneratingsetofcolumns
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]AAF
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]span(C1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],Cn)andrank(A)arepreserved

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、れつcolumnベクトルが空間くうかんspaceえずに、れつcolumnあらわかただけをえる操作そうさ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基本行列きほんぎょうれつelementary matrixみぎからける操作そうさoperationである。したがって、入力側にゅうりょくがわ座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationえる未知数変換みちすうへんかんchange of variablesとしてむべきであり、行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationおな操作そうさとはまない。

保存則ほぞんそくpreservation rule実用上じつようじょう確認点かくにんてんである。AEれつcolumnAれつcolumn可逆かぎゃくinvertible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階数かいすうrank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AEy=bx=Ey という代入だいにゅうつうじてもと問題もんだい対応たいおうする。行列式ぎょうれつしきdeterminantは、列交換れつこうかんれつ非零倍ひぜろばい他列たれつばい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おな規則きそく変化へんかする。

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定理ていり証明しょうめい列基本変形れつきほんへんけい列空間れつくうかんたも

列基本変形れつきほんへんけいは、れつたちが空間くうかんえない。

証明しょうめいする。A=[C1Cn] とする。れつ交換こうかん生成系せいせいけい順番じゅんばんえるだけなので、空間くうかんわらない。れつを 0 でない λ ばいする操作そうさは、おな方向ほうこう生成元せいせいげん非零ひれい倍率ばいりつえるだけであり、1/λ ばいもどせる。

最後さいごに、CiCi+λCjかんがえる。あたらしい Ci は、もとのれつ線型結合せんけいけつごうなので、あたらしいれつたちが空間くうかんは、もとの列空間れつくうかんふくまれる。逆操作ぎゃくそうさ CiCi-λCjもどせるので、ぎゃく包含ほうがん成立せいりつする。したがって列空間れつくうかんひとしい。

ただし、列基本変形れつきほんへんけい未知数みちすう意味いみえるため、連立一次方程式れんりついちじほうていしき解集合かいしゅうごうをそのままたもつとはかぎらない。

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=[C1Cn]. 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/λ.

Finally, consider CiCi+λCj. The new Ci 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 CiCi-λCj 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.

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