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単位行列・零行列・転置の基本md 4f17b0a
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単位行列たんいぎょうれつidentity matrix零行列れいぎょうれつzero matrix転置てんちtranspose基本きほん

Basics of the identity matrix単位行列たんいぎょうれつ, zero matrix零行列れいぎょうれつ, and transpose転置てんち

1導入どうにゅう

単位行列たんいぎょうれつidentity matrix零行列れいぎょうれつzero matrix転置てんちtransposeは、複雑ふくざつ行列ぎょうれつ計算けいさん始めるtermまえ必ずterm整理せいりしておくべき基準きじゅんである。

単位たんい行列ぎょうれつは「なにもしない」変換へんかんれい行列ぎょうれつは「すべてを原点げんてん潰すterm変換へんかん転置てんちは「くだりれつ役割やくわり入れ替えるterm操作そうさである。この3つを区別くべつできると、ぎゃく行列ぎょうれつ直交ちょっこう行列ぎょうれつ対称たいしょう行列ぎょうれつ、エルミート行列ぎょうれつ意味いみ読みtermやすくなる。

1Introduction

The identity matrix単位行列たんいぎょうれつ, the zero matrix零行列れいぎょうれつ, and the transpose転置てんち are reference objects and operations that should be clarified before more complicated matrix calculations.

The identity matrix represents doing nothing, the zero matrix collapses everything to the origin, and transpose exchanges the roles of rows and columns. Keeping these three roles separate makes inverse matrices, orthogonal matrices, symmetric matrices, and Hermitian matrices easier to read.

2用語ようご定義ていぎ

n つぎ単位たんい行列ぎょうれつ In は、たいかく成分せいぶん1、そ以外いがい0正方せいほう行列ぎょうれつである。。

In=(100010001)

れい行列ぎょうれつ Om,n は、すべての成分せいぶん0mxn 行列ぎょうれつである。サイズが文脈ぶんみゃくから明らかtermなときは O書くterm

mxn 行列ぎょうれつ A=(aij)転置てんち AT は、i ぎょう j れつ成分せいぶんj ぎょう i れつ移しtermnxm 行列ぎょうれつである。

(AT)ij=aji

2Terms and definitions

The n by n identity matrix In is the square matrix whose diagonal entries are 1 and whose other entries are 0.

In=(100010001).

The zero matrix Om,n is the mxn matrix whose entries are all 0. When the size is clear from context, we write simply O.

For an mxn matrix A=(aij), the transpose AT is the nxm matrix obtained by moving the entry in row i, column j to row j, column i.

(AT)ij=aji.

3直感的ちょっかんてき説明せつめい

単位たんい行列ぎょうれつは、ベクトルをそのまま返すterm線型せんけい写像しゃぞうである。

Inv=v

れい行列ぎょうれつは、すべてのベクトルをれいベクトルへ送るterm線型せんけい写像しゃぞうである。

Ov=0

転置てんちは、行列ぎょうれつ情報じょうほう捨てるterm操作そうさではない。成分せいぶん配置はいちかがみうつのように入れ替えtermくだりとしてていた情報じょうほうれつとしてられるようにする操作そうさである。したがって、転置てんち行空間ぎょうくうかんrow space列空間れつくうかんcolumn space関係かんけい読むtermときに重要じゅうようになる。

3Intuitive explanation

The identity matrix is the linear map that returns every vector unchanged.

Inv=v.

The zero matrix is the linear map that sends every vector to the zero vector.

Ov=0.

Transpose does not discard information. It rearranges entries like a reflection across the main diagonal, turning information that was read as rows into information that can be read as columns. Therefore transpose is important when relating the row space行空間ぎょうくうかん and the column space列空間れつくうかん.

4基本法則きほんほうそく

サイズが合うtermとき、つぎ成立するterm

AIn=A,ImA=A
A+O=A
(AT)T=A
(A+B)T=AT+BT
(cA)T=cAT
(AB)T=BTAT

最後さいごしきでは順序じゅんじょぎゃくになる。これはせき AB成分せいぶんが「Aくだり」と「Bれつ」の内積ないせき作らtermれるため、転置てんちするとその役割やくわり入れ替わるtermからである。

4Basic laws

When the sizes are compatible, the following identities hold.

AIn=A,ImA=A.
A+O=A.
(AT)T=A.
(A+B)T=AT+BT.
(cA)T=cAT.
(AB)T=BTAT.

The last identity reverses the order. This happens because the entries of AB are made from rows of A and columns of B; after transposing, those roles are exchanged.

5転置てんち変わるtermもの・保存ほぞんされるもの

転置てんち変わるtermものは、くだりすうと列termすうくだり空間くうかんと列term空間くうかん見えtermかた掛け算term順序じゅんじょである。mxn 行列ぎょうれつnxm 行列ぎょうれつになる。

転置てんち保存ほぞんされるものも多いterm成分せいぶん総数そうすう変わらtermず、正方せいほう行列ぎょうれつでは行列ぎょうれつしき保存ほぞんされる。

det(AT)=det(A)

また、階数かいすう保存ほぞんされる。

rank(AT)=rank(A)

行列式ぎょうれつしきdeterminant階数かいすうrankのしきは、あとでくわしく証明しょうめいする先取さきどりである。このページの本流ほんりゅうでは、転置てんちくだりれつえ、せき順序じゅんじょぎゃくにすることをつかう。

このため、くだりに関するterm議論ぎろん転置てんちしてれつ議論ぎろん移すtermことができる。

5What transpose changes and preserves

Transpose changes the number of rows and columns, the way row space and column space are viewed, and the order of multiplication. An mxn matrix becomes an nxm matrix.

Transpose also preserves several quantities. It preserves the total number of entries, and for square matrices it preserves the determinant.

det(AT)=det(A).

It also preserves rank.

rank(AT)=rank(A).

The determinant and rank identities are previews proved in later lectures. The main point needed in this page is that transpose exchanges rows and columns and reverses the order of products.

For this reason, many statements about rows can be transposed into statements about columns.

6転置てんち行基ぎょうきほん変形へんけいれつ基本きほん変形へんけい

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationひだりから基本きほん行列ぎょうれつ掛けるterm操作そうさである。一方いっぽう列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationみぎから基本きほん行列ぎょうれつ掛けるterm操作そうさである。

転置てんち取るtermと、ひだりから掛けるterm操作そうさみぎから掛けるterm操作そうさ移るterm

(EA)T=ATET

したがって、行基ぎょうきほん変形へんけい性質せいしつは、転置てんちを通してtermれつ基本きほん変形へんけい性質せいしつ対応たいおうする。行列ぎょうれつしき計算けいさんくだり変形へんけいと列term変形へんけい規則きそく持つtermのは、この対応たいおうがあるからである。

6Transpose and elementary row/column operations

An elementary row operation行基本変形ぎょうきほんへんけい is represented by multiplying by an elementary matrix from the left. An elementary column operation列基本変形れつきほんへんけい is represented by multiplying by an elementary matrix from the right.

After transposing, an operation from the left becomes an operation from the right.

(EA)T=ATET.

Thus properties of row operations correspond to properties of column operations through transpose. This correspondence explains why row operations and column operations follow similar rules in determinant computations.

7例題れいだい転置てんちせき順序じゅんじょ確認かくにんする

7.1問題もんだい

A=(1203-14),B=(210-153)

について、(AB)T=BTAT確認かくにんせよ。

7.2解説かいせつ

まず、

AB=(2-12616)

なので、

(AB)T=(226-116)

である。一方いっぽう

BT=(2051-13),AT=(132-104)

したがって、

BTAT=(226-116)

となり一致いっちする。この例題れいだいは、転置てんち順序じゅんじょぎゃくになることを具体ぐたいてき数値すうち確認かくにんするためのものである。

7Worked example: checking the reversed order under transpose

7.1Problem

For

A=(1203-14),B=(210-153),

verify (AB)T=BTAT.

7.2Explanation

First,

AB=(2-12616),

so

(AB)T=(226-116).

On the other hand,

BT=(2051-13),AT=(132-104),

and therefore

BTAT=(226-116).

The two results agree. This example is meant to make the reversal of order under transpose visible with concrete numbers.

8よくある誤解ごかい

O はサイズを持つtermA+OOAOO は、必要ひつようなサイズが異なるtermことがある。

I もサイズを持つtermAIn=AImA=A では、左右さゆう使うterm単位たんい行列ぎょうれつのサイズが異なるterm場合ばあいがある。

転置てんちぎゃく行列ぎょうれつではない。一般いっぱんATA=I成立しtermない。この等式とうしき成立するterm行列ぎょうれつは、直交ちょっこう行列ぎょうれつやユニタリ行列ぎょうれつのような特別とくべつ行列ぎょうれつである。

8Common misunderstandings

The symbol O has a size. The zero matrix in A+O and the zero matrix in AO may require different sizes.

The symbol I also has a size. In AIn=A and ImA=A, the identity matrices on the two sides may have different sizes.

Transpose is not the inverse. In general, ATA=I is not true. This identity holds only for special matrices such as orthogonal or unitary matrices.

9最終形さいしゅうけい

単位たんい行列ぎょうれつなにもしない行列ぎょうれつれい行列ぎょうれつはすべてをれい送るterm行列ぎょうれつ転置てんちくだりと列term入れ替えるterm操作そうさである。

Inv=v,Ov=0,(AT)ij=aji

転置てんち特にterm重要じゅうようなのは、せき順序じゅんじょぎゃくになることである。

(AB)T=BTAT

9Final form

The identity matrix does nothing, the zero matrix sends everything to zero, and transpose exchanges rows and columns.

Inv=v,Ov=0,(AT)ij=aji.

The especially important fact about transpose is that it reverses the order of multiplication.

(AB)T=BTAT.

10演習えんしゅうリンク

11関連かんれんリンク

10Exercise links

11Related links

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