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線型写像と行列md 083ca04
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線型写像せんけいしゃぞうlinear map行列ぎょうれつmatrix

date2026-07-14document_iddoc_93b96c9311e12f30022f3f35afeafe98description行列を線型写像の座標表示として導入し、基底の像、列ベクトル、列空間、階数、列基本変形、行列式へ続く関係を整理する講義である。prerequisites線型性の基本 / ベクトル空間と基底 / ベクトルの成分表示 / 一次変換の感覚type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linearity-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/vector-spaces-and-bases.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-combinations-and-spans.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/elementary-column-operations.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/inverse-matrix-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md / 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/diagonalization-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/minimal-polynomial-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/introduction-to-jordan-canonical-form.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/linearity-and-linear-maps.exercise.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/matrix-computation-and-linear-transformations.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

Linear maps線型写像せんけいしゃぞう and matrices行列ぎょうれつ

1導入どうにゅう

線型代数せんけいだいすうlinear algebra中心ちゅうしん発想はっそうは、行列ぎょうれつmatrix数表すうひょうとしてではなく、「ベクトルvectorをどううつすか」をあらわした座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationとして理解りかいすることである。

行列ぎょうれつmatrix計算けいさんcalculationだけを追跡ついせきすると、ざん成分せいぶんcomponent計算けいさんcalculation規則きそくruleだけが残存ざんそんする。しかし本体ほんたいは、空間くうかんspaceなかベクトルvectorをどう変換へんかんtransformationするかという作用さようactionである。この講義こうぎでは、基底きていbasisぞうimageから行列ぎょうれつmatrix決定けっていされることと、れつベクトルcolumn vectorなにあらわしているかを接続せつぞくする。

1Introduction

In linear algebra線型代数せんけいだいすう, the most important point is to understand a matrix行列ぎょうれつ not merely as a table of numbers, but as a coordinate representation座標表示ざひょうひょうじ of how a map moves vectors.

If one follows only matrix calculations, the rules of multiplication and component calculation remain, but the main object is the action作用さよう on a space空間くうかん. This lecture connects two facts: a linear map線型写像せんけいしゃぞう is determined by the images of a basis基底きてい, and each column of a matrix records those images in coordinates.

2用語ようご定義ていぎ

線型写像せんけいしゃぞうlinear map とは、ベクトルvector加法かほうadditionスカラーばいscalar multiplicationたも写像しゃぞうmapである。正確せいかくには、すべてのベクトルvector u,v とすべてのスカラーscalar c について

T(u+v)=T(u)+T(v),T(cu)=cT(u)

たす写像しゃぞうmapである。

前半ぜんはん

T(u+v)=T(u)+T(v)

加法性かほうせいadditivity という。これは「さきしてからうつしても、さきうつしてからしてもおなじ」という条件じょうけんconditionである。幾何的きかてきgeometricには、ベクトルvector平行四辺形へいこうしへんけいparallelogram合成ごうせいcompositionのしかたをこわさない、という意味いみになる。

後半こうはん

T(cu)=cT(u)

同次性どうじせいhomogeneity という。これは「さきc ばいしてからうつしても、うつしてから c ばいしてもおなじ」という条件じょうけんconditionである。幾何的きかてきgeometricには、原点げんてんoriginとお直線ちょくせんlineうえでの倍率ばいりつscale factor関係かんけいrelationたもつ、という意味いみになる。

線型性せんけいせいlinearityとは、この加法性かほうせいadditivity同次性どうじせいhomogeneity同時どうじたす性質せいしつpropertyである。どちらか片方かたほうだけでは十分じゅうぶんではない。線型写像せんけいしゃぞうlinear mapでは、より一般いっぱん

T(c1v1++ckvk)=c1T(v1)++ckT(vk)

成立せいりつする。つまり、線型結合せんけいけつごうlinear combinationつくってからうつすことと、かくベクトルvectorうつしてからおな係数けいすうcoefficient線型結合せんけいけつごうlinear combinationすることが一致いっちする。

この性質せいしつpropertyがあるから、基底きていベクトルbasis vectorさきだけで写像しゃぞうmap全体ぜんたいまる。ぎゃくにいうと、線型性せんけいせいlinearityがなければ、基底きていbasisぞうimageっても、それらのsumスカラーばいscalar multiplicationがどこへくかを復元ふくげんできない。

線型写像せんけいしゃぞうlinear map保存ほぞんするのは、sumスカラーばいscalar multiplication線型結合せんけいけつごうlinear combination部分空間ぶぶんくうかんsubspaceとしての構造こうぞうstructureである。ただし、すべてをそのままたもつわけではない。ことなるベクトルvectorおなベクトルvectorつぶれることはあり、ながlength角度かくどangle面積めんせきarea体積たいせきvolume一般いっぱんには変化へんかする。したがって、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは「空間くうかんspace加法かほうaddition倍率ばいりつscale factor骨組ほねぐみをたも変換へんかんtransformation」だと理解りかいするとよい。

行列ぎょうれつmatrix は、ある基底きていbasis選択せんたくしたときの線型写像せんけいしゃぞうlinear map表現ひょうげんrepresentationである。

座標写像ざひょうしゃぞうcoordinate map とは、基底きていbasis Bかんしてベクトルvector v座標ざひょうベクトルcoordinate vector [v]B対応たいおうさせる写像しゃぞうmapである。

表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix とは、線型写像せんけいしゃぞうlinear map T:VW を、定義域ていぎいきdomain基底きていbasis B終域しゅういきcodomain基底きていbasis Cかんする座標ざひょうcoordinate記述きじゅつした行列ぎょうれつmatrixである。

2Terms and definitions

A linear map線型写像せんけいしゃぞう is a map写像しゃぞう that preserves vector addition加法かほう and scalar multiplicationスカラーばい. Precisely, for all vectors u,v and all scalars c,

T(u+v)=T(u)+T(v),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(c1v1++ckvk)=c1T(v1)++ckT(vk).

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:VW is the matrix that describes T in coordinates with respect to a basis B of the domain and a basis C of the codomain.

3方針ほうしん

線型写像せんけいしゃぞうlinear map理解りかいするときは、まず基底きていベクトルbasis vectorがどううつるかを確認かくにんする。あとは線型性せんけいせいlinearityにより全体ぜんたい決定けっていされる。

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3Strategy

To understand a linear map線型写像せんけいしゃぞう, first check where each basis vector goes. Then linearity線型性せんけいせい determines the entire map.

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4直感的ちょっかんてき説明せつめい

4.11. 写像しゃぞうmapとしての解釈かいしゃく

線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは、原点げんてんorigin原点げんてんoriginたもち、sumスカラーばいscalar multiplicationたも変換へんかんtransformationである。原点げんてんoriginとお直線ちょくせんline直線ちょくせんlineまたは 1 てんpointうつる。拡大かくだいexpansion縮小しゅくしょうcontraction回転かいてんrotationせんだんshearは、どれも線型写像せんけいしゃぞうlinear map典型例てんけいれいである。

この定義ていぎdefinition理由りゆうは、ベクトルvectorsum定数倍ていすうばいscalar multipleという空間くうかんspace基本操作きほんそうさbasic operationこわさない変換へんかんtransformationだけを抽出ちゅうしゅつするためである。これにより、基底きていbasisぞうimageから全体ぜんたい復元ふくげんできる。

4.22. れつベクトルcolumn vector意味いみ

行列ぎょうれつmatrixれつcolumnをただの数字すうじならびとして処理しょりすると、その意味いみ不明瞭ふめいりょうになる。一般いっぱん基底きていbasisでは、各列かくれつeach columnは「基底きていベクトルbasis vector 1 ほんぞうimageそのもの」ではなく、終域しゅういきcodomain基底きていbasisかんする座標ざひょうcoordinateである。標準基底ひょうじゅんきていstandard basis場合ばあいだけ、れつcolumnぞうimageそのものとして解釈かいしゃくできる。

4.33. 計算けいさんcalculationとのつながり

座標ざひょうベクトルcoordinate vector行列ぎょうれつmatrixけるときは、入力にゅうりょくベクトルinput vector係数けいすうcoefficientもちいて、基底きていbasisぞうimage線型結合せんけいけつごうlinear combinationしている。つまり、行列積ぎょうれつせきmatrix productなぞ規則きそくruleではなく、「基底きていbasisぞうimageわせて出力しゅつりょくoutput構成こうせいする」操作そうさoperationそのものである。

4Intuitive explanation

4.11. Interpretation as a map

A linear map線型写像せんけいしゃぞう is a transformation that sends the origin原点げんてん to the origin and preserves sums and scalar multiples. A line through the origin is sent to a line through the origin or collapses to a point. Expansions, contractions, rotations, and shears are typical examples of linear maps.

The reason for this definition is that it extracts transformations that do not break the basic operations of vector spaces: vector addition and scalar multiplication. This is what makes the whole map recoverable from the images of a basis.

4.22. Meaning of column vectors

If the columns of a matrix行列ぎょうれつ are treated as mere lists of numbers, their meaning is hidden. In a general basis, each column is not necessarily the image vector itself; it is the coordinate vector of the image of one basis vector in the codomain basis. Only for the standard basis標準基底ひょうじゅんきてい can the column be read directly as the image vector itself.

4.33. Connection with calculation

When a matrix is multiplied by a coordinate vector, the coefficients of the input vector are used to take a linear combination線型結合せんけいけつごう of the images of the basis vectors. Matrix multiplication is therefore not a mysterious rule. It is the operation of constructing the output by combining the images of the basis vectors.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 基底きていbasisぞうimage写像しゃぞうmapまる

基底きていbasis e1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],en採用さいようすると、任意にんいベクトルvector v

v=x1e1++xnen

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)=x1T(e1)++xnT(en)

である。したがって T(ei)判明はんめいすれば T完全かんぜん決定けっていされる。

ここで直感的ちょっかんてき説明せつめいしめした「れつcolumn基底きていbasisぞうimageあらわす」という主張しゅちょうが、ちょうどこのしきequation対応たいおうする。

5.22. 行列ぎょうれつmatrixれつcolumnなに

まず標準基底ひょうじゅんきていstandard basis考察こうさつする。この T(ei)れつcolumnとしてならべたものが、線型写像せんけいしゃぞうlinear map行列ぎょうれつmatrixである。つまり

A=([PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")]T(e1)T(en)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")])

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=(x1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],xn)Tたいして

Ax=x1T(e1)++xnT(en)

となり、行列積ぎょうれつせきmatrix productれつベクトルcolumn vector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定義ていぎdefinitionも、「基底きていbasisぞうimage入力にゅうりょくinput係数けいすうcoefficient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適用てきようapplicationし、その結果けっかA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順序じゅんじょorder重要じゅうようなのは、写像しゃぞうmap合成ごうせいcomposition順序じゅんじょorder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順序付じゅんじょづ基底きていordered basis

B=(v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vn)

終域しゅういきcodomain W順序付じゅんじょづ基底きていordered basis

C=(w1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],wm)

とする。基底きていbasis B選択せんたくすると、座標写像ざひょうしゃぞうcoordinate map

[·]B:VFn

定義ていぎされる。同様どうようC から

[·]C:WFm

定義ていぎされる。ここで F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:VW表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix [T]CB は、

[T(x)]C=[T]CB[x]B

任意にんいxV についてたす唯一ゆいいつm×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 CB は、B座標ざひょうcoordinateから C座標ざひょうcoordinate変換へんかんtransformationすることをあらわす。

かく j について

T(vj)=a1jw1++amjwm

表示ひょうじしたとき、係数けいすうcoefficient aijならべた

A=(aij)

[T]CB である。このとき Aだい j れつcolumnは、T(vj) そのものではない。正確せいかくには

[T(vj)]C

である。したがって、行列ぎょうれつmatrix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終域しゅういきcodomain基底きていbasis選択せんたくしたあと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:VW,S:WZ

考察こうさつする。V,W,Z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 ST:VZ表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix

[ST]DB=[S]DC[T]CB

である。順序じゅんじょorderみぎからひだり作用さようactionする。すなわち、まず [T]CBB 座標ざひょうcoordinateC 座標ざひょうcoordinate変換へんかんtransformationし、つぎに [S]DCC 座標ざひょうcoordinateD 座標ざひょうcoordinate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順序じゅんじょorder逆向ぎゃくむきに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記法きほうnotationで「さき適用てきようapplicationする写像しゃぞうmap」を右側みぎがわくためである。行列積ぎょうれつせきmatrix product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 R2

T(e1)=(21),T(e2)=(01)

なら、行列ぎょうれつmatrix

A=(2011)

である。したがって

A(xy)=x(21)+y(01)=(2xx+y)

となる。この具体例ぐたいれい確認かくにんできるのは、行列ぎょうれつmatrix各列かくれつeach column写像しゃぞうmap作用さようaction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写像しゃぞうmapであっても、基底きていbasis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変化へんかchangeする。R2線型写像せんけいしゃぞうlinear map

T(x,y)=(2x,y)

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

Astd=(2001)

である。

つぎに非標準基底ひひょうじゅんきていnonstandard basis

B=(b1,b2),b1=(11),b2=(1-1)

採用さいようする。このとき

T(b1)=(21)=32b1+12b2

であり、

T(b2)=(2-1)=12b1+32b2

である。したがって Bかんする表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix

[T]B=(32121232)

となる。

具体ぐたいconcreteベクトルvector x=(3,1)T確認かくにんする。これは

x=2b1+b2,[x]B=(21)

である。したがって

[T]B[x]B=(32121232)(21)=(7252)

である。この座標ざひょう

72b1+52b2=(61)

あらわす。一方いっぽう写像しゃぞうmap直接ちょくせつ適用てきようapplicationしても

T(3,1)=(6,1)

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えると表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixはどうわるか

順序上じゅんじょじょう注意ちゅういとして、この小節しょうせつ後続こうぞく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-1P-1P=PP-1=Iたす逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrix相似そうじsimilarityAnew=P-1AoldPむすばれる関係かんけい意味いみする。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相似そうじsimilarity保存ほぞんされる証明しょうめいは、後続こうぞく講義こうぎおこなう。

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おな空間くうかんspace V旧基底きゅうきていold basis新基底しんきていnew basis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

[x]old=P[x]new

たすとする。T:VV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 matrixAold とすれば、

[T(x)]old=Aold[x]old

である。これを新基底しんきていnew basis座標ざひょうcoordinate変換へんかんtransformationすると

[T(x)]new=P-1[T(x)]old=P-1AoldP[x]new

となる。したがって

Anew=P-1AoldP

である。定義域ていぎいきdomain終域しゅういきcodomain基底きていbasis別々べつべつえる場合ばあいは、定義域側ていぎいきがわdomain side変換へんかんtransformationP終域側しゅういきがわcodomain side変換へんかんtransformationQ として

Anew=Q-1AoldP

となる。このしきformulaが、対角化たいかくかdiagonalizationあらわれる P-1AP基礎きそbasisである。

おな空間くうかんspace基底きていbasisだけを変更へんこうchangeする場合ばあいAnew=P-1AoldP関係かんけいrelationにある 2 つの行列ぎょうれつmatrix相似そうじsimilarityであるという。相似そうじsimilar行列ぎょうれつmatrix同一どういつsame線型写像せんけいしゃぞうlinear mapことなる基底きていbasis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 e1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],en. Every vector v can be written as

v=x1e1++xnen.

By linearity線型性せんけいせい,

T(v)=x1T(e1)++xnT(en).

Therefore, once T(ei) 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(ei) as columns:

A=([PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")]T(e1)T(en)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"vert\")")]).

For an input vector x=(x1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],xn)T,

Ax=x1T(e1)++xnT(en).

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=(v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vn),

and let the ordered basis of the codomain W be

C=(w1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],wm).

The coordinate maps are

[·]B:VFn,[·]C:WFm.

The representation matrix表現行列ひょうげんぎょうれつ is the matrix [T]CB satisfying

[T(x)]C=[T]CB[x]B.

If

T(vj)=a1jw1++amjwm,

then the coefficients aij form the matrix

[T]CB=A=(aij).

Equivalently, the j-th column is

[T(vj)]C.

5.44. Composition and matrix products

For linear maps

T:VW,S:WZ,

with compatible bases B,C,D,

[ST]DB=[S]DC[T]CB.

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(e1)=(21),T(e2)=(01).

Then the matrix is

A=(2011).

For an input vector (x,y)T,

A(xy)=x(21)+y(01)=(2xx+y).

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 R2

T(x,y)=(2x,x+y).

In the standard basis,

Astd=(2011).

Now use the nonstandard basis非標準基底ひひょうじゅんきてい

B=(b1,b2),b1=(10),b2=(11).

Then

T(b1)=(21)=1b1+1b2,

and

T(b2)=T(11)=(22)=0b1+2b2.

Therefore the representation matrix with respect to B is

[T]B=(1012).

Check this with the concrete vector x=(3,1)T. In the basis B,

(31)=2b1+1b2,[x]B=(21).

Then

[T]B[x]B=(1012)(21)=(24).

This coordinate vector represents

2b1+4b2=(64).

Directly applying the map also gives

T(31)=(64).

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-1P=PP-1=I, and similarity相似そうじ means the relation Anew=P-1AoldP. The proofs that eigenvalues, characteristic polynomials, and minimal polynomials are preserved by similarity are deferred to later lectures.

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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]old=P[x]new.

If

[T(x)]old=Aold[x]old,

then converting the output back to new coordinates gives

[T(x)]new=P-1AoldP[x]new.

Therefore

Anew=P-1AoldP.

If the bases in the domain and codomain are changed separately, using P on the domain side and Q on the codomain side gives

Anew=Q-1AoldP.

When only the basis of the same space is changed, matrices related by Anew=P-1AoldP 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

このせつでは、あと正式せいしきあつか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立場たちばなにはかるかをさき整理せいりする。ここで使つか階数かいすうrank行列式ぎょうれつしきdeterminant後続こうぞく定義ていぎ詳述しょうじゅつするが、かたはこの時点じてん固定こていしておく。

6.11. 列空間れつくうかんcolumn spaceぞうimageである

A=[a1an]m×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 TA:KnKmTA(x)=Ax定義ていぎする。このとき

imTA=Col(A)

である。

証明しょうめいする。x=(x1,,xn)Tくと、

Ax=x1a1++xnan

である。したがって Ax としてあらわれる出力しゅつりょくoutputは、Aれつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。ぎゃくに、れつcolumn任意にんい線型結合せんけいけつごうlinear combination x1a1++xnan は、x=(x1,,xn)T入力にゅうりょくすれば Ax としてられる。よってぞうimage列空間れつくうかんcolumn space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「れつcolumn独立どくりつ本数ほんすう」であり、同時どうじに「線型写像せんけいしゃぞうlinear mapぞうimage次元じげんdimension」である理由りゆうえる。

6.22. 列基本変形れつきほんへんけいelementary column operation入力側にゅうりょくがわ可逆かぎゃくinvertible変更へんこうである

F可逆かぎゃくinvertiblen×n 行列ぎょうれつmatrixとする。AFあらわ線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは、A写像しゃぞうまえF写像しゃぞう適用てきようしたものである。

(AF)y=A(Fy)

であるから、AFTATFあらわす。とく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、AAFれつcolumn表示ひょうじえる操作そうさであり、入力にゅうりょく座標ざひょうcoordinatex=Fyなおすことに対応たいおうする。

この見方みかたから、ぞうimage保存ほぞんされることもただちにかる。F可逆かぎゃくinvertibleなら TF(Kn)=Kn なので、

im(TATF)=TA(Kn)=imTA

である。よって

Col(AF)=Col(A)

となり、階数かいすうrank保存ほぞんされる。

6.33. 行列式ぎょうれつしきdeterminant正方せいほう場合ばあい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後続こうぞく定義ていぎするが、役割やくわりだけをさきべると、n×n 行列ぎょうれつmatrixあらわ線型写像せんけいしゃぞうlinear map体積たいせきoriented volume倍率ばいりつscale factorである。階数かいすうrankn よりちいさいと、n 次元じげん体積たいせきvolume低次元ていじげんつぶれるため、行列式ぎょうれつしきdeterminantは 0 になる。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つぶれていないので、階数かいすうrankn であり、線型写像せんけいしゃぞうlinear map可逆かぎゃくinvertibleである。

この関係かんけい後続こうぞく

Aisinvertiblerank(A)=ndetA0

として証明しょうめいする。

data/lecture/math/linear-algebra/elementary-column-operations.lecture.n.md 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=[a1an] and define TA:KnKm by TA(x)=Ax. Then

imTA=Col(A).

Indeed, for x=(x1,,xn)T,

Ax=x1a1++xnan.

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 TATF, because

(AF)y=A(Fy).

Since F maps Kn onto Kn,

im(TATF)=imTA.

Therefore

Col(AF)=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

Aisinvertiblerank(A)=ndetA0.
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7べつ観点かんてん

7.1幾何的きかてき観点かんてん

線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは、平面へいめんplane空間くうかんspace伸長しんちょうstretching縮小しゅくしょうcontraction回転かいてんrotationせんだんshearする変換へんかんtransformationである。この観点かんてんでは、ぞうimageは「どこへおくられるか」、かくkernelは「どの方向ほうこうdirectionがつぶれるか」をあらわす。

たとえば行列ぎょうれつmatrix Aたいして Ax=0くのは、写像しゃぞうmap原点げんてんoriginへつぶれる方向ほうこうdirection検出けんしゅつすることである。したがってほうGaussian eliminationかくkernel確認かくにんする計算けいさんcalculationは、幾何的きかてきgeometricには「どの自由度じゆうどdegree of freedomえるか」を判定はんていする操作そうさoperationとなる。

7.2代数的だいすうてき観点かんてん

座標計算ざひょうけいさんcoordinate calculation立場たちばでは、行列ぎょうれつmatrix成分せいぶんcomponentひょうである。入力にゅうりょくinput係数けいすうcoefficientをどうえるかを追跡ついせきすれば、写像しゃぞうmap作用さようaction数式すうしきformulaとして確認かくにんできる。

7.3構造的こうぞうてき観点かんてん

写像しゃぞうmap立場たちばでは、行列ぎょうれつmatrix空間くうかんspaceをどう変換へんかんtransformationするかそのものである。この 2 つを結合けつごうするのが、基底きていbasisぞうimageという観点かんてんである。つまり行列ぎょうれつmatrix本体ほんたいではなく、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapをある基底きていbasis表示ひょうじしたものだと考察こうさつするのが大学数学だいがくすうがくuniversity mathematicsでの自然しぜん立場たちばである。

7Other viewpoints

7.1Geometric viewpoint

A linear map線型写像せんけいしゃぞう stretches, contracts, rotates, or shears a plane or space while preserving the linear structure. From this viewpoint, the imageぞう records where vectors can be sent, and the kernelかく records which directions collapse to zero.

Solving Ax=0 for a matrix A detects directions that the map sends to the origin. Geometrically, Gaussian elimination for finding the kernel checks which degrees of freedom disappear.

7.2Algebraic viewpoint

From the perspective of coordinate calculation, a matrix is a table of components. By tracking how the input coefficients are recombined, one can read the action of the map as a formula.

7.3Structural viewpoint

From the perspective of maps, a matrix represents how a space is transformed. The bridge between the computational and structural viewpoints is the image of a basis. In university mathematics, it is natural to regard the matrix not as the map itself, but as the expression of a linear map線型写像せんけいしゃぞう after a basis has been chosen.

8どこまで成立せいりつするか

行列ぎょうれつmatrix基底きていbasis依存いぞんdependするが、線型写像せんけいしゃぞうlinear mapそのものは基底きていbasis依存いぞんdependしない。

基底きていbasis変更へんこうchangeするとおな写像しゃぞうmapであってもべつ行列ぎょうれつmatrixになる。したがって、行列ぎょうれつmatrixだけを確認かくにんして「これが変換へんかんtransformationそのものだ」と誤認ごにんすると、基底きていbasis依存いぞんdependence部分ぶぶん看過かんかする。

8Scope of validity

A matrix行列ぎょうれつ depends on the chosen basis基底きてい, but the linear map線型写像せんけいしゃぞう itself does not.

Changing the basis can turn the same map into a different matrix. Therefore, if one looks only at the matrix and thinks it is the transformation itself, the basis-dependence of the representation is missed.

9判定基準はんていきじゅん

  • れつcolumnごとの意味いみわれているなら、「基底きていベクトルbasis vectorぞうimage」として解釈かいしゃくするのが自然しぜんである。
  • 行列積ぎょうれつせきmatrix productなにをしているか不明瞭ふめいりょうになったら、「れつベクトルcolumn vector線型結合せんけいけつごうlinear combination」へ還元かんげんする。
  • 基底きていbasis変更へんこうchangeする議論ぎろんあらわれたら、写像しゃぞうmapそのものと行列ぎょうれつmatrix表示ひょうじrepresentation区別くべつして考察こうさつする。

9Criteria

  • If the meaning of each column is being asked, interpret it as the image of a basis vector, or as the coordinates of that image in the codomain basis.
  • If the meaning of a matrix product becomes unclear, reduce it to a linear combination of column vectors.
  • If a basis change appears, distinguish the underlying map from its matrix representation.

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]線型写像は基底の像で決まる
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]行列は線型写像の座標表示である
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][T(x)]C=[T]CB[x]B
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]j=[T(vj)]C
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][T(v)]C=A[v]B
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][ST]DB=[S]DC[T]CB
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]基底変換と相似は別ページで詳しく扱う

10Final forms

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

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

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][T(x)]C=[T]CB[x]B

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]columnj=[T(vj)]C

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][T(v)]C=A[v]B

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][ST]DB=[S]DC[T]CB

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

11一言ひとことでいうと

  • 行列ぎょうれつmatrix本体ほんたい線型写像せんけいしゃぞうlinear mapであり、行列ぎょうれつmatrix基底きていbasis選択せんたくあと座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationである。
  • 一般いっぱん基底きていbasisでは、れつcolumn基底きていbasisぞうimage座標ざひょうcoordinateあらわす。
  • 基底きていbasis変更へんこうchangeすると、おな線型写像せんけいしゃぞうlinear mapであっても表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix変化へんかchangeする。

この補足ほそくは、この講義こうぎ本流ほんりゅう定義ていぎdefinitionではなく、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固有こゆうベクトルeigenvector」「最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomial」への先取さきどりである。ここでは、表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix基底きていbasis依存いぞんすることをるために必要ひつよう最小限さいしょうげんだけを使つかう。

P座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつchange-of-coordinates matrixであり、あたらしい基底きていbasisでの座標ざひょうcoordinateふる基底きていbasisでの座標ざひょうcoordinateなお行列ぎょうれつmatrixである。P-1ふる座標ざひょうcoordinateあたらしい座標ざひょうcoordinateもど行列ぎょうれつmatrixで、存在そんざい計算けいさん逆行列ぎゃくぎょうれつinverse matrix基底変換きていへんかんchange of basis講義こうぎあつかう。Anew=P-1AoldP というかたちむすばれる行列ぎょうれつmatrix相似そうじsimilarという。

固有値こゆうちeigenvalueAv=λv となる v0存在そんざいするときのスカラーscalar λ である。特性多項式とくせいたこうしきcharacteristic polynomialdet(tI-A)最小多項式さいしょうたこうしきminimal polynomialm(A)=0たす最小次数さいしょうじすうモニック多項式たこうしきmonic polynomialであり、相似そうじsimilarityわらないりょうとして後続こうぞくあつかう。

data/lecture/math/linear-algebra/inverse-matrix-basics.lecture.n.md 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/diagonalization-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/minimal-polynomial-basics.lecture.n.md

線型写像せんけいしゃぞうlinear map座標ざひょうcoordinateえらまえ対象たいしょうであり、行列ぎょうれつmatrix基底きていbasisえらんだあと座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationである。表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixれつcolumnには、定義域ていぎいきdomain基底きていbasisベクトルのぞうimage終域しゅういきcodomain基底きていbasisあらわした座標ざひょうcoordinateならぶので、基底きていbasisさきかれば写像しゃぞうmap全体ぜんたいまる。

確認かくにんすべきてんは、加法かほうadditionスカラーばいscalar multiplicationたもつこと、かくkernel0おくられる集合しゅうごうsetとしてむこと、ぞうimageれつcolumn空間くうかんspaceとしてむこと、そして合成ごうせいcomposition行列積ぎょうれつせきmatrix productゆる順序じゅんじょおこなうことである。定義域ていぎいきdomain終域しゅういきcodomain基底きていbasisえても、写像しゃぞうmapそのものはわらず、表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixだけがわる。

11In one sentence

  • The actual object behind a matrix行列ぎょうれつ is a linear map線型写像せんけいしゃぞう, and the matrix is its coordinate representation after a basis基底きてい has been chosen.
  • In a general basis, a column records the coordinate vector of the image of a basis vector.
  • When the basis changes, the same linear map線型写像せんけいしゃぞう can have a different representation matrix表現行列ひょうげんぎょうれつ.

This subsection is a preview of later lectures, not a primary definition for this lecture. It points ahead to change of basis and similarity, eigenvalues and eigenvectors, and minimal polynomials. Here we use only the minimum needed to see that a representation matrix depends on the chosen basis.

P is the change-of-coordinates matrix座標変換行列ざひょうへんかんぎょうれつ that converts new coordinates into old coordinates. P-1 converts old coordinates back into new coordinates; its existence and computation belong to the later lectures on inverse matrices and change of basis. Matrices related by Anew=P-1AoldP are called similar相似そうじ.

An eigenvalue固有値こゆうち is a scalar λ for which Av=λv has some v0. The characteristic polynomial特性多項式とくせいたこうしき is det(tI-A), and the minimal polynomial最小多項式さいしょうたこうしき is the monic polynomial of least degree such that m(A)=0. These are treated later as quantities preserved by similarity.

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A linear map線型写像せんけいしゃぞう is the coordinate-free object; a matrix行列ぎょうれつ is its coordinate representation after bases have been chosen. The columns of the representation matrix are the images of the domain basis vectors, written in the codomain basis, so the whole map is determined by what it does to a basis.

The main checks are therefore: preserve addition and scalar multiplication, read the kernelかく as the set sent to 0, read the imageぞう as the span of the columns, and compose maps in the same order as matrix multiplication permits. If the domain or codomain basis changes, the map has not changed, but the representing matrix has.

12定理ていり証明しょうめい基底きていさき線型写像せんけいしゃぞうめる

V基底きていe1,,en とする。線型写像せんけいしゃぞう T:VW は、T(e1),,T(en) によって一意いちいまる。

証明しょうめいする。任意にんいvV基底きてい使つかって

v=x1e1++xnen

一意いちいける。線型性せんけいせいより

T(v)=x1T(e1)++xnT(en)

である。したがって T(ei) たちがかれば、すべての vたいする T(v)かる。

この定理ていりから、行列ぎょうれつれつ基底きていベクトルvectorさきならべる理由りゆうかる。行列ぎょうれつ線型写像せんけいしゃぞう全部ぜんぶ情報じょうほうを、基底きていさきだけで記録きろくしている。

12Theorem and proof: images of a basis determine a linear map

Let e1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],en be a basis of V. A linear map線型写像せんけいしゃぞう T:VW is uniquely determined by the vectors T(e1),[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],T(en).

Indeed, every vV has a unique expression

v=x1e1++xnen.

By linearity,

T(v)=x1T(e1)++xnT(en).

Thus knowing the images of the basis vectors determines T(v) for every vector v, and hence determines the whole map.

14関連かんれんリンク

data/lecture/math/linear-algebra/vector-spaces-and-bases.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/linearity-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/elementary-column-operations.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/column-independence-and-rank.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/change-of-basis-and-similarity.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/determinants.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/diagonalization-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md

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