2用語と定義
線型写像 とは、ベクトルの加法とスカラー倍を保つ写像である。正確には、すべてのベクトル u,v とすべてのスカラー c について
T(u+v)=T(u)+T(v),\qquad T(cu)=cT(u)
を満たす写像である。
前半の
T(u+v)=T(u)+T(v)
を加法性 という。これは「先に足してから写しても、先に写してから足しても同じ」という条件である。幾何的には、ベクトルの平行四辺形の合成のしかたを壊さない、という意味になる。
後半の
T(cu)=cT(u)
を同次性 という。これは「先に c 倍してから写しても、写してから c 倍しても同じ」という条件である。幾何的には、原点を通る直線の上での倍率の関係を保つ、という意味になる。
線型性とは、この加法性と同次性を同時に満たす性質である。どちらか片方だけでは十分ではない。線型写像では、より一般に
T(c_1v_1+\cdots+c_kv_k)
=
c_1T(v_1)+\cdots+c_kT(v_k)
が成立する。つまり、線型結合を作ってから写すことと、各ベクトルを写してから同じ係数で線型結合することが一致する。
この性質があるから、基底ベクトルの行き先だけで写像全体が決まる。逆にいうと、線型性がなければ、基底の像を知っても、それらの和やスカラー倍がどこへ行くかを復元できない。
線型写像が保存するのは、和、スカラー倍、線型結合、部分空間としての構造である。ただし、すべてをそのまま保つわけではない。異なるベクトルが同じベクトルへ潰れることはあり、長さ・角度・面積・体積も一般には変化する。したがって、線型写像は「空間の加法と倍率の骨組みを保つ変換」だと理解するとよい。
行列 は、ある基底を選択したときの線型写像の表現である。
座標写像 とは、基底 B に関してベクトル v を座標ベクトル [v]_B へ対応させる写像である。
表現行列 とは、線型写像 T:V\to W を、定義域の基底 B と終域の基底 C に関する座標で記述した行列である。
2Terms and definitions
A linear map is a map写像しゃぞう that preserves vector addition加法かほう and scalar multiplicationスカラー倍ばい. Precisely, for all vectors u,v and all scalars c,
T(u+v)=T(u)+T(v),\qquad T(cu)=cT(u)
must hold.
The first condition,
T(u+v)=T(u)+T(v),
is called additivity加法性かほうせい. It says that adding first and then mapping gives the same result as mapping first and then adding. Geometrically, the parallelogram rule for vector addition is not broken.
The second condition,
T(cu)=cT(u),
is called homogeneity同次性どうじせい. It says that scaling first and then mapping gives the same result as mapping first and then scaling. Geometrically, scale relationships along lines through the origin are preserved.
Linearity線型性せんけいせい means satisfying additivity and homogeneity at the same time. One condition alone is not enough. More generally, a linear map線型写像せんけいしゃぞう satisfies
T(c_1v_1+\cdots+c_kv_k)
=
c_1T(v_1)+\cdots+c_kT(v_k).
Thus forming a linear combination線型結合せんけいけつごう before applying the map is the same as applying the map to each vector and then taking the same linear combination.
This property is why the images of the basis vectors determine the whole map. Without linearity線型性せんけいせい, knowing the images of the basis vectors would not determine where their sums or scalar multiples go.
A linear map線型写像せんけいしゃぞう preserves sums, scalar multiples, linear combinations, and the structure of subspaces部分空間ぶぶんくうかん. It does not necessarily preserve everything: different vectors may collapse to the same vector, and lengths, angles, areas, and volumes may change. A useful interpretation is that a linear map preserves the additive and scaling skeleton of a vector space.
A matrix行列ぎょうれつ is a representation表現ひょうげん of a linear map after bases have been chosen.
A coordinate map座標写像ざひょうしゃぞう sends a vector v to its coordinate vector座標ざひょうベクトル [v]_B with respect to a basis B.
A representation matrix表現行列ひょうげんぎょうれつ of a linear map線型写像せんけいしゃぞう T:V\to W is the matrix that describes T in coordinates with respect to a basis B of the domain and a basis C of the codomain.
5厳密げんみつな説明せつめい
5.11. 基底きていbasisの像ぞうimageで写像しゃぞうmapが決きまる
基底きていbasis e_1,\dots,e_n を採用さいようすると、任意にんいのベクトルvector v は
v=x_1e_1+\cdots+x_ne_n
と表示ひょうじできる。すると線型性せんけいせいlinearityにより
T(v)=x_1T(e_1)+\cdots+x_nT(e_n)
である。したがって T(e_i) が判明はんめいすれば T は完全かんぜんに決定けっていされる。
ここで直感的ちょっかんてきな説明せつめいで示しめした「列れつcolumnが基底きていbasisの像ぞうimageを表あらわす」という主張しゅちょうが、ちょうどこの式しきequationに対応たいおうする。
5.22. 行列ぎょうれつmatrixの列れつcolumnは何なにか
まず標準基底ひょうじゅんきていstandard basisで考察こうさつする。この T(e_i) を列れつcolumnとして並ならべたものが、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapの行列ぎょうれつmatrixである。つまり
A=\begin{pmatrix} \vert & & \vert \\ T(e_1) & \cdots & T(e_n) \\ \vert & & \vert \end{pmatrix}
と解釈かいしゃくできる、ということである。
すると入力にゅうりょくベクトルinput vector x=(x_1,\dots,x_n)^T に対たいして
Ax=x_1T(e_1)+\cdots+x_nT(e_n)
となり、行列積ぎょうれつせきmatrix productが列れつベクトルcolumn vectorの線型結合せんけいけつごうlinear combinationになっていることを確認かくにんできる。
つまり行列積ぎょうれつせきmatrix productの定義ていぎdefinitionも、「基底きていbasisの像ぞうimageを入力にゅうりょくinputの係数けいすうcoefficientで組くみ合あわせる」と解釈かいしゃくできるように設定せっていされている、ということである。ここが「なぜこの掛かけ算ざんなのか」への回答かいとうである。
この解釈かいしゃくを確認かくにんすると、行列積ぎょうれつせきmatrix product AB も「まず B を適用てきようapplicationし、その結果けっかに A を適用てきようapplicationする」という合成写像ごうせいしゃぞうcomposite mapの表現ひょうげんrepresentationだと理解りかいできる。つまり行列積ぎょうれつせきmatrix productの順序じゅんじょorderが重要じゅうようなのは、写像しゃぞうmapの合成ごうせいcompositionの順序じゅんじょorderが重要じゅうようであるためである。
5.33. 座標写像ざひょうしゃぞうcoordinate mapと表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix
定義域ていぎいきdomain V の順序付じゅんじょづき基底きていordered basisを
B=(v_1,\dots,v_n)
終域しゅういきcodomain W の順序付じゅんじょづき基底きていordered basisを
C=(w_1,\dots,w_m)
とする。基底きていbasis B を選択せんたくすると、座標写像ざひょうしゃぞうcoordinate map
[\cdot]_B:V\to F^n
が定義ていぎされる。同様どうように C から
[\cdot]_C:W\to F^m
が定義ていぎされる。ここで F は実数体じっすうたいreal fieldまたは複素数体ふくそすうたいcomplex fieldである。
このとき線型写像せんけいしゃぞうlinear map T:V\to W の表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix [T]_{C\leftarrow B} は、
[T(x)]_C=[T]_{C\leftarrow B}[x]_B
を任意にんいの x\in V について満みたす唯一ゆいいつの m\times n 行列ぎょうれつmatrixとして定義ていぎされる。矢印やじるし C\leftarrow B は、B の座標ざひょうcoordinateから C の座標ざひょうcoordinateへ変換へんかんtransformationすることを表あらわす。
各かく j について
T(v_j)=a_{1j}w_1+\cdots+a_{mj}w_m
と表示ひょうじしたとき、係数けいすうcoefficient a_{ij} を並ならべた
A=(a_{ij})
が [T]_{C\leftarrow B} である。このとき A の第だい j 列れつcolumnは、T(v_j) そのものではない。正確せいかくには
[T(v_j)]_C
である。したがって、行列ぎょうれつmatrixは線型写像せんけいしゃぞうlinear mapそのものではなく、定義域ていぎいきdomainと終域しゅういきcodomainの基底きていbasisを選択せんたくした後あとに得えられる座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationである。
5.44. 合成ごうせいcompositionと行列積ぎょうれつせきmatrix product
線型写像せんけいしゃぞうlinear map
T:V\to W,\qquad S:W\to Z
を考察こうさつする。V,W,Z の基底きていbasisをそれぞれ B,C,D とすると、合成写像ごうせいしゃぞうcomposite map S\circ T:V\to Z の表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixは
[S\circ T]_{D\leftarrow B}=[S]_{D\leftarrow C}[T]_{C\leftarrow B}
である。順序じゅんじょorderは右みぎから左ひだりへ作用さようactionする。すなわち、まず [T]_{C\leftarrow B} が B 座標ざひょうcoordinateを C 座標ざひょうcoordinateへ変換へんかんtransformationし、つぎに [S]_{D\leftarrow C} が C 座標ざひょうcoordinateを D 座標ざひょうcoordinateへ変換へんかんtransformationする。
したがって行列積ぎょうれつせきmatrix productの順序じゅんじょorderが逆向ぎゃくむきに感かんじられる理由りゆうは、関数合成かんすうごうせいfunction compositionの記法きほうnotationで「先さきに適用てきようapplicationする写像しゃぞうmap」を右側みぎがわに置おくためである。行列積ぎょうれつせきmatrix productは単たんなる成分計算せいぶんけいさんcomponent calculationではなく、座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationされた写像しゃぞうmapの合成ごうせいcompositionである。
5.55. 標準基底ひょうじゅんきていstandard basisでの具体例ぐたいれい
たとえば \mathbb R^2 で
T(e_1)=\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix},\qquad T(e_2)=\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}
なら、行列ぎょうれつmatrixは
A=\begin{pmatrix}2&0\\1&1\end{pmatrix}
である。したがって
A\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=x\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}+y\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2x\\x+y\end{pmatrix}
となる。この具体例ぐたいれいで確認かくにんできるのは、行列ぎょうれつmatrixの各列かくれつeach columnが写像しゃぞうmapの作用さようactionを直接ちょくせつ保持ほじしている、ということである。
5.66. 非標準基底ひひょうじゅんきていnonstandard basisでの具体例ぐたいれい
同一どういつsameの写像しゃぞうmapであっても、基底きていbasisを変更へんこうchangeすると表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixは変化へんかchangeする。\mathbb R^2 の線型写像せんけいしゃぞうlinear map
T(x,y)=(2x,y)
を考察こうさつする。標準基底ひょうじゅんきていstandard basisでは
A_{\mathrm{std}}=
\begin{pmatrix}
2&0\\
0&1
\end{pmatrix}
である。
つぎに非標準基底ひひょうじゅんきていnonstandard basis
B=(b_1,b_2),\qquad
b_1=\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix},\quad
b_2=\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}
を採用さいようする。このとき
T(b_1)=\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}
=\frac32 b_1+\frac12 b_2
であり、
T(b_2)=\begin{pmatrix}2\\-1\end{pmatrix}
=\frac12 b_1+\frac32 b_2
である。したがって B に関かんする表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixは
[T]_B=
\begin{pmatrix}
\frac32&\frac12\\
\frac12&\frac32
\end{pmatrix}
となる。
具体ぐたいconcreteなベクトルvector x=(3,1)^T で確認かくにんする。これは
x=2b_1+b_2,\qquad [x]_B=\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}
である。したがって
[T]_B[x]_B=
\begin{pmatrix}
\frac32&\frac12\\
\frac12&\frac32
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}\frac72\\\frac52\end{pmatrix}
である。この座標ざひょうは
\frac72 b_1+\frac52 b_2
=\begin{pmatrix}6\\1\end{pmatrix}
を表あらわす。一方いっぽう、写像しゃぞうmapを直接ちょくせつ適用てきようapplicationしても
T(3,1)=(6,1)
を得える。したがって変化へんかchangeしたのは写像しゃぞうmapではなく、座標系ざひょうけいcoordinate systemと表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixである。
5.77. 基底きていbasisを変かえると表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixはどう変かわるか
順序上じゅんじょじょうの注意ちゅういとして、この小節しょうせつは後続こうぞくの基底変換きていへんかんchange of basis・相似そうじsimilarity・固有値こゆうちeigenvalueへの先取さきどりである。ここでの P^{-1} は P^{-1}P=PP^{-1}=I を満みたす逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrix、相似そうじsimilarityは A_{\mathrm{new}}=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P で結むすばれる関係かんけいを意味いみする。固有値こゆうちeigenvalue、特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial、最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomialが相似そうじsimilarityで保存ほぞんされる証明しょうめいは、後続こうぞくの講義こうぎで行おこなう。
data/lecture/math/linear-algebra/change-of-basis-and-similarity.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-algebra/minimal-polynomial-basics.lecture.n.md
同おなじ空間くうかんspace V の旧基底きゅうきていold basisと新基底しんきていnew basisを考察こうさつする。座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrix P が
[x]_{\mathrm{old}}=P[x]_{\mathrm{new}}
を満みたすとする。T:V\to V の旧基底きゅうきていold basisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixを A_{\mathrm{old}} とすれば、
[T(x)]_{\mathrm{old}}=A_{\mathrm{old}}[x]_{\mathrm{old}}
である。これを新基底しんきていnew basisの座標ざひょうcoordinateへ変換へんかんtransformationすると
[T(x)]_{\mathrm{new}}
=P^{-1}[T(x)]_{\mathrm{old}}
=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P[x]_{\mathrm{new}}
となる。したがって
A_{\mathrm{new}}=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P
である。定義域ていぎいきdomainと終域しゅういきcodomainの基底きていbasisを別々べつべつに変かえる場合ばあいは、定義域側ていぎいきがわdomain sideの変換へんかんtransformationを P、終域側しゅういきがわcodomain sideの変換へんかんtransformationを Q として
A_{\mathrm{new}}=Q^{-1}A_{\mathrm{old}}P
となる。この式しきformulaが、対角化たいかくかdiagonalizationで現あらわれる P^{-1}AP の基礎きそbasisである。
同おなじ空間くうかんspaceの基底きていbasisだけを変更へんこうchangeする場合ばあい、A_{\mathrm{new}}=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P の関係かんけいrelationにある 2 つの行列ぎょうれつmatrixを相似そうじsimilarityであるという。相似そうじsimilarな行列ぎょうれつmatrixは同一どういつsameの線型写像せんけいしゃぞうlinear mapを異ことなる基底きていbasisで表示ひょうじしたものであり、固有値こゆうちeigenvalue、特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomial、最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomialを共有きょうゆうする。
5Precise explanation
5.11. Images of a basis determine the map
Choose a basis基底きてい e_1,\dots,e_n. Every vector v can be written as
v=x_1e_1+\cdots+x_ne_n.
By linearity線型性せんけいせい,
T(v)=x_1T(e_1)+\cdots+x_nT(e_n).
Therefore, once T(e_i) is known for every basis vector, T is completely determined. This is the precise form of the statement that the columns of a matrix record the images of basis vectors.
5.22. What the columns of a matrix are
First consider the standard basis標準基底ひょうじゅんきてい. The matrix of a linear map is obtained by arranging the vectors T(e_i) as columns:
A=\begin{pmatrix} \vert & & \vert \\ T(e_1) & \cdots & T(e_n) \\ \vert & & \vert \end{pmatrix}.
For an input vector x=(x_1,\dots,x_n)^T,
Ax=x_1T(e_1)+\cdots+x_nT(e_n).
So matrix-vector multiplication is a column-wise linear combination.
5.33. Coordinate maps and representation matrices
Let the ordered basis of the domain V be
B=(v_1,\dots,v_n),
and let the ordered basis of the codomain W be
C=(w_1,\dots,w_m).
The coordinate maps are
[\cdot]_B:V\to F^n,
\qquad
[\cdot]_C:W\to F^m.
The representation matrix表現行列ひょうげんぎょうれつ is the matrix [T]_{C\leftarrow B} satisfying
[T(x)]_C=[T]_{C\leftarrow B}[x]_B.
If
T(v_j)=a_{1j}w_1+\cdots+a_{mj}w_m,
then the coefficients a_{ij} form the matrix
[T]_{C\leftarrow B}=A=(a_{ij}).
Equivalently, the j-th column is
[T(v_j)]_C.
5.44. Composition and matrix products
For linear maps
T:V\to W,\qquad S:W\to Z,
with compatible bases B,C,D,
[S\circ T]_{D\leftarrow B}=[S]_{D\leftarrow C}[T]_{C\leftarrow B}.
Thus a matrix product represents composition of maps. In ABx, the matrix B acts first and A acts second.
5.55. Concrete example with the standard basis
Suppose
T(e_1)=\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix},\qquad T(e_2)=\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}.
Then the matrix is
A=\begin{pmatrix}2&0\\1&1\end{pmatrix}.
For an input vector (x,y)^T,
A\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}
=x\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}+y\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}
=\begin{pmatrix}2x\\x+y\end{pmatrix}.
This example shows directly that each column stores the action of the map on one basis vector.
5.66. Concrete example with a nonstandard basis
The same map can have a different representation matrix when the basis is changed. Consider the linear map on \mathbb R^2
T(x,y)=(2x,\ x+y).
In the standard basis,
A_{\mathrm{std}}=\begin{pmatrix}2&0\\1&1\end{pmatrix}.
Now use the nonstandard basis非標準基底ひひょうじゅんきてい
B=(b_1,b_2),\qquad b_1=\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix},\quad b_2=\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}.
Then
T(b_1)=\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}=1b_1+1b_2,
and
T(b_2)=T\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2\\2\end{pmatrix}=0b_1+2b_2.
Therefore the representation matrix with respect to B is
[T]_B=\begin{pmatrix}1&0\\1&2\end{pmatrix}.
Check this with the concrete vector x=(3,1)^T. In the basis B,
\begin{pmatrix}3\\1\end{pmatrix}=2b_1+1b_2,
\qquad
[x]_B=\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}.
Then
[T]_B[x]_B=\begin{pmatrix}1&0\\1&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}
=\begin{pmatrix}2\\4\end{pmatrix}.
This coordinate vector represents
2b_1+4b_2=\begin{pmatrix}6\\4\end{pmatrix}.
Directly applying the map also gives
T\begin{pmatrix}3\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}6\\4\end{pmatrix}.
The map did not change; the coordinate system and the representation matrix changed.
5.77. How a representation matrix changes with a basis
Order note: this subsection previews later lectures on change of basis基底変換きていへんかん, similarity相似そうじ, and eigenvalues固有値こゆうち. Here P^{-1} means the inverse matrix逆行列ぎゃくぎょうれつ satisfying P^{-1}P=PP^{-1}=I, and similarity相似そうじ means the relation A_{\mathrm{new}}=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P. The proofs that eigenvalues, characteristic polynomials, and minimal polynomials are preserved by similarity are deferred to later lectures.
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data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md
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For the same vector space, suppose the old and new coordinates are related by the change-of-coordinates matrix座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつ P:
[x]_{\mathrm{old}}=P[x]_{\mathrm{new}}.
If
[T(x)]_{\mathrm{old}}=A_{\mathrm{old}}[x]_{\mathrm{old}},
then converting the output back to new coordinates gives
[T(x)]_{\mathrm{new}}=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P[x]_{\mathrm{new}}.
Therefore
A_{\mathrm{new}}=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P.
If the bases in the domain and codomain are changed separately, using P on the domain side and Q on the codomain side gives
A_{\mathrm{new}}=Q^{-1}A_{\mathrm{old}}P.
When only the basis of the same space is changed, matrices related by A_{\mathrm{new}}=P^{-1}A_{\mathrm{old}}P are called similar相似そうじ. Similar matrices represent the same linear map線型写像せんけいしゃぞう in different bases and share invariants such as eigenvalues, characteristic polynomial, and minimal polynomial.
6後続こうぞく概念がいねんへの橋渡はしわたし
この節せつでは、後あとで正式せいしきに扱あつかう列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation、階数かいすうrank、行列式ぎょうれつしきdeterminantが、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapの立場たちばで何なにを測はかるかを先さきに整理せいりする。ここで使つかう階数かいすうrankと行列式ぎょうれつしきdeterminantは後続こうぞくで定義ていぎを詳述しょうじゅつするが、読よみ方かたはこの時点じてんで固定こていしておく。
6.11. 列空間れつくうかんcolumn spaceは像ぞうimageである
A=[a_1\ \cdots\ a_n] を m\times n 行列ぎょうれつmatrixとし、線型写像せんけいしゃぞうlinear map T_A:K^n\to K^m を T_A(x)=Ax で定義ていぎする。このとき
\operatorname{im}T_A=\operatorname{Col}(A)
である。
証明しょうめいする。x=(x_1,\ldots,x_n)^T と書かくと、
Ax=x_1a_1+\cdots+x_na_n
である。したがって Ax として現あらわれる出力しゅつりょくoutputは、A の列れつcolumnの線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。逆ぎゃくに、列れつcolumnの任意にんいの線型結合せんけいけつごうlinear combination x_1a_1+\cdots+x_na_n は、x=(x_1,\ldots,x_n)^T を入力にゅうりょくすれば Ax として得えられる。よって像ぞうimageと列空間れつくうかんcolumn spaceは一致いっちする。
この証明しょうめいにより、階数かいすうrankが「列れつcolumnの独立どくりつな本数ほんすう」であり、同時どうじに「線型写像せんけいしゃぞうlinear mapの像ぞうimageの次元じげんdimension」である理由りゆうが見みえる。
6.22. 列基本変形れつきほんへんけいelementary column operationは入力側にゅうりょくがわの可逆かぎゃくinvertibleな変更へんこうである
F を可逆かぎゃくinvertibleな n\times n 行列ぎょうれつmatrixとする。AF が表あらわす線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは、A の写像しゃぞうの前まえに F の写像しゃぞうを適用てきようしたものである。
(AF)y=A(Fy)
であるから、AF は T_A\circ T_F を表あらわす。特とくに 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、A\mapsto AF は列れつcolumnの表示ひょうじを変かえる操作そうさであり、入力にゅうりょくの座標ざひょうcoordinateを x=Fy と置おき直なおすことに対応たいおうする。
この見方みかたから、像ぞうimageが保存ほぞんされることも直ただちに分わかる。F が可逆かぎゃくinvertibleなら T_F(K^n)=K^n なので、
\operatorname{im}(T_A\circ T_F)=T_A(K^n)=\operatorname{im}T_A
である。よって
\operatorname{Col}(AF)=\operatorname{Col}(A)
となり、階数かいすうrankも保存ほぞんされる。
6.33. 行列式ぎょうれつしきdeterminantは正方せいほうの場合ばあいの体積倍率たいせきばいりつvolume scale factorである
行列式ぎょうれつしきdeterminantは後続こうぞくで定義ていぎするが、役割やくわりだけを先さきに述のべると、n\times n 行列ぎょうれつmatrixが表あらわす線型写像せんけいしゃぞうlinear mapの向むき付づき体積たいせきoriented volumeの倍率ばいりつscale factorである。階数かいすうrankが n より小ちいさいと、n 次元じげんの体積たいせきvolumeは低次元ていじげんへ潰つぶれるため、行列式ぎょうれつしきdeterminantは 0 になる。逆ぎゃくに、行列式ぎょうれつしきdeterminantが 0 でなければ体積たいせきが潰つぶれていないので、階数かいすうrankは n であり、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは可逆かぎゃくinvertibleである。
この関係かんけいは後続こうぞくで
A\text{ is invertible}\iff \operatorname{rank}(A)=n\iff \det A\ne0
として証明しょうめいする。
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data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md
6Bridge to later concepts
This section previews how elementary column operations, rank, and determinants are read from the linear-map viewpoint. Rank and determinants are defined in detail later, but the structural interpretation starts here.
6.11. The column space is the image
Let A=[a_1\ \cdots\ a_n] and define T_A:K^n\to K^m by T_A(x)=Ax. Then
\operatorname{im}T_A=\operatorname{Col}(A).
Indeed, for x=(x_1,\ldots,x_n)^T,
Ax=x_1a_1+\cdots+x_na_n.
Thus every output is a linear combination of the columns, and every linear combination of the columns is obtained as Ax for a suitable x.
6.22. Column operations are invertible input-side changes
If F is invertible, then AF represents the composite map T_A\circ T_F, because
(AF)y=A(Fy).
Since F maps K^n onto K^n,
\operatorname{im}(T_A\circ T_F)=\operatorname{im}T_A.
Therefore
\operatorname{Col}(AF)=\operatorname{Col}(A),
so rank is preserved.
6.33. The determinant is the square case volume scale factor
For a square matrix, the determinant, introduced later, measures oriented volume scaling. If rank is less than n, n-dimensional volume collapses and the determinant is zero. Later this becomes the theorem
A\text{ is invertible}\iff \operatorname{rank}(A)=n\iff \det A\ne0.
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