逆行列 の基本
Basics of the inverse matrix
1導入 どうにゅう
この
1Introduction
The most important point in this lecture is that an
If a
2用語 ようご と定義 ていぎ
2Terms and definitions
An
The essential point is that it is a two-sided inverse: multiplication from both the left and the right gives the
3方針 ほうしん
まず
3Strategy
First interpret an
4直感的 ちょっかんてき な説明 せつめい
5厳密 げんみつ な説明 せつめい
5.11. 定義 ていぎ
を
である。
5.22. 掃 は き出 だ しで求 もと める
を
5.33. 存在 そんざい しない場合 ばあい
5.44. 可逆性 かぎゃくせい の同値条件 どうちじょうけん
を
ただし、
- が
存在 そんざい する。 - である。
- である。
- は
単射 たんしゃ であり、全射 ぜんしゃ である。 任意 にんい の に対 たい して、 が一意解 いちいかい を持 も つ。- である(あとで
行列式 ぎょうれつしき determinant として扱 あつか う同値条件 どうちじょうけん )。 掃 は き出 だ しで全列 ぜんれつ に主成分 しゅせいぶん pivot が存在 そんざい する。
この
5.55. 長方行列 ちょうほうぎょうれつ の片側逆 かたがわぎゃく
が
6判定基準 はんていきじゅん
写像 しゃぞう map を復元 ふくげん したい、または を一括 いっかつ で解 と きたいなら、逆行列 ぎゃくぎょうれつ inverse matrix を検討 けんとう する。掃 は き出 だ して左側 ひだりがわ を にできるかが、存在判定 そんざいはんてい の鍵 かぎ である。行列式 ぎょうれつしき determinant が 0 でないこと、階数 かいすう rank が であること、核 かく kernel が であることは、同 おな じ可逆性 かぎゃくせい を別 べつ の角度 かくど から述 の べた条件 じょうけん である。核 かく kernel 、階数 かいすう rank 、任意 にんい の右辺 うへん right-hand side への一意解 いちいかい 、逆写像 ぎゃくしゃぞう の存在 そんざい は、情報 じょうほう が失 うしな われないことを別表現 べつひょうげん したものである。
4Intuitive explanation
A pure expansion can be reversed by shrinking, and a pure rotation can be reversed by rotating in the opposite direction. But a map that collapses a plane onto a single line loses information, so it cannot be recovered. This is the situation in which no
5Rigorous explanation
5.11. Definition
Let be an
For a rectangular matrix, the left and right sizes do not match, so an inverse matrix in this two-sided sense is not defined.
5.22. Computing by elimination
Form and use elimination to turn the left side into . Then the right side becomes .
5.33. When no inverse exists
If a pivot cannot be secured during elimination and the
5.44. Equivalent criteria
For an matrix , the following conditions are equivalent.
The determinant criterion is a preview of the later determinant lectures. The main criteria used in this page are elimination, rank, kernel, and uniqueness of solutions.
- exists.
- .
- .
- is injective and surjective.
- For every , has a unique solution.
- (the determinant criterion introduced later).
- Elimination has a pivot in every column.
This list shows that an inverse matrix is the intersection of several tests saying that no information is lost. The condition means different inputs do not collapse to the same output, so any existing solution of is unique. In finite dimension, rank-nullity then gives , so the image is all of and a solution exists for every . Sending to that unique solution defines .
data/lecture/math/linear-algebra/rank-and-nullity-of-linear-maps.lecture.n.md5.55. One-sided inverses for rectangular matrices
If is an matrix, one-sided inverses can be considered instead. A left inverse satisfies and exists when . A right inverse satisfies and exists when .
One-sided inverses need not be unique. When columns or rows are missing, a criterion is needed to choose a least-squares solution or a minimum-norm solution. The
The pseudoinverse is a later advanced topic. At this point, the important distinction is that rectangular matrices do not have the same two-sided inverse as square matrices.
data/lecture/math/linear-algebra/pseudoinverse-basics.lecture.n.md6Decision criteria
- Use an
inverse matrix when you want to recover a map or solve all at once.逆行列 ぎゃくぎょうれつ - The existence test is whether elimination can turn the left side into .
- , , and are the same invertibility condition read from different angles.
- Kernel, rank, unique solutions for every right-hand side, and the existence of an inverse map all express that no information is lost.
7最終形 さいしゅうけい
7Final forms
Determinants and pseudoinverses are developed later. The direct criteria in this page are elimination, rank, kernel, and unique solvability.
8定理 ていり と証明 しょうめい :逆行列 ぎゃくぎょうれつ は一意 いちい である
である。このとき である。
である。ここでは
この
9演習 えんしゅう リンク
data/exercise/math/linear-algebra/determinants-and-invertibility.exercise.n.md
8Theorem and proof: the inverse is unique
Let and both be inverses of a square matrix . That is,
Then . The proof is
This uses associativity of matrix multiplication. The proof shows not only that an inverse may or may not exist, but also that if it exists, it is determined uniquely.
9Exercise links
data/exercise/math/linear-algebra/determinants-and-invertibility.exercise.n.md10一言 ひとこと でいうと
逆行列 ぎゃくぎょうれつ inverse matrix は、行列 ぎょうれつ matrix が表 あらわ す変換 へんかん を復元 ふくげん できるときにだけ存在 そんざい する。
11関連 かんれん リンク
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/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-algebra/pseudoinverse-basics.lecture.n.md
10In one sentence
- An
inverse matrix exists exactly when the transformation represented by the matrix can be recovered.逆行列 ぎゃくぎょうれつ