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線型性せんけいせいlinearity基本きほん

Basics of linearity線型性せんけいせい

1導入どうにゅう

線型性せんけいせいlinearityは、線型代数せんけいだいすうlinear algebra全体ぜんたい入口いりぐちである。ここでいう「線型せんけい」とは、ベクトルvectorざんスカラー倍scalar multiplicationを、写像しゃぞう前後ぜんご矛盾むじゅんなくあつかえるという意味いみである。

さきにこの見方みかた置くterm理由りゆうは、後でtermてくる行列ぎょうれつmatrix基底きていbasis階数かいすうrankかくkernelぞうimageが、すべて「線型写像せんけいしゃぞうlinear mapなに保ちtermなに潰すtermか」という同じterm問いterm理解りかいできるからである。

1Introduction

Linearity線型性せんけいせい is the entrance to linear algebra線型代数せんけいだいすう. A map is linear when it is compatible with vectorベクトル addition and scalar multiplicationスカラー倍: doing the operation before the map gives the same result as mapping first and then doing the corresponding operation.

This viewpoint is placed first because later objects such as matrices行列ぎょうれつ, bases基底きてい, rank階数かいすう, the kernelかく, and the imageぞう are all understood through the same question: what does a linear map線型写像せんけいしゃぞう preserve, and what does it collapse?

2用語ようご定義ていぎ

集合しゅうごう V, W同じtermたい K うえベクトルvector空間くうかんであるとする。写像しゃぞう T:V->W線型写像せんけいしゃぞうlinear mapであるとは、任意にんいu,vinV任意にんいcinK について、つぎの2条件じょうけん満たすtermことである。

T(u+v)=T(u)+T(v)
T(cv)=cT(v)

前者ぜんしゃ加法性かほうせいadditivity後者こうしゃ同次性どうじせいhomogeneityという。この2つを合わせterm性質せいしつ線型性せんけいせいlinearityである。

2Terms and definition

Let V and W be vector spaces[ベクトル空間] over the same fieldたい K. A map T:V->W is a linear map線型写像せんけいしゃぞう when the following two conditions hold for every u,vinV and every cinK.

T(u+v)=T(u)+T(v)
T(cv)=cT(v)

The first condition is additivity加法性かほうせい; the second is homogeneity同次性どうじせい. Together they are called linearity線型性せんけいせい.

3方針ほうしん

この講義こうぎでは、線型せんけいせいを「公式こうしき満たすterm条件じょうけん」として暗記あんきしない。つぎじゅん理解りかいする。

  1. 足し算term保つtermので、平行四辺形へいこうしへんけいparallelogram足しterm合わせtermかた保たtermれる。
  2. スカラーばい保つtermので、原点げんてんからの伸びterm縮みterm保たtermれる。
  3. したがって、線型結合せんけいけつごうlinear combinationがそのまま移るterm
  4. その結果けっか基底きていbasisベクトルのぞうimageだけで写像しゃぞう全体ぜんたい決まるterm

このじゅん見るtermと、行列ぎょうれつれつが「基底きていベクトルの行きtermさき」であることも自然しぜん導かtermれる。

3Plan

In this lecture, linearity is not treated as a formula to memorize. We use the following order.

  1. Additivity preserves how vectors are added, so the parallelogram rule is preserved.
  2. Homogeneity preserves scalar stretching from the origin.
  3. Therefore every linear combination線型結合せんけいけつごう is carried to the corresponding linear combination of images.
  4. As a consequence, the whole map is determined by the imagesぞう of the basis基底きてい vectors.

With this order, the columns of a matrix naturally become the destinations of the basis vectors.

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

4.11. 線型せんけいせい骨組みterm保つterm

線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは、原点げんてん基準きじゅんにした「まっすぐな構造こうぞう」を保つterm曲げるterm平行へいこう移動いどうする、二乗にじょうする、といった操作そうさ一般いっぱん線型せんけいではない。なぜなら、足し算termやスカラーばい通しtermのち関係かんけい変わるtermからである。

4.22. 線型せんけい結合けつごうがそのまま移るterm

線型せんけいせい一番いちばん重要じゅうよう帰結きけつは、有限ゆうげんベクトルvector v1,...,vn とスカラー c1,...,cn について、つぎ成立するtermことである。

T(c1v1++cnvn)=c1T(v1)++cnT(vn)

つまり、材料ざいりょう混ぜtermてから写しtermても、材料ざいりょうさき写しtermてから同じterm係数けいすう混ぜtermても同じtermになる。

4.33. 基底きていベクトルのぞうだけで全体ぜんたい決まるterm

基底きていbasis e1,...,en取るtermと、任意にんいv一意いちい

v=x1e1++xnen

書けるterm線型せんけいせいより、

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

である。したがって、T(e1),...,T(en)分かれtermば、すべての v に対するterm T(v)分かるterm

4Intuitive explanation

4.11. Linearity preserves the skeleton

A linear map線型写像せんけいしゃぞう preserves the straight structure measured from the origin. Operations such as bending, translating, or squaring are usually not linear, because they change the relationships created by addition and scalar multiplication.

4.22. Linear combinations are transported unchanged

The central consequence of linearity is that, for finitely many vectorsベクトル v1,...,vn and scalars c1,...,cn, we have

T(c1v1++cnvn)=c1T(v1)++cnT(vn).

In words, mixing the ingredients first and then applying the map gives the same result as mapping the ingredients first and then mixing them with the same coefficients.

4.33. The images of basis vectors determine the whole map

If e1,...,en is a basis基底きてい, every vector v has a unique expression

v=x1e1++xnen.

By linearity,

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

Therefore, once T(e1),...,T(en) are known, T(v) is known for every v.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. れいベクトルはれいベクトルへ移るterm

線型せんけい写像しゃぞう T では、T(0)=0必ずterm成立するterm理由りゆうは、どうつぎせいc=0入れるtermと、任意にんいv について

T(0v)=0T(v)

となるからである。左辺さへんT(0)、は 0 である。ここでは割り算termをしていないので、追加ついかれい条件じょうけん不要ふようである。る。

5.22. 線型せんけい結合けつごう保存ほぞん

2こう場合ばあい定義ていぎそのものである。多項たこう場合ばあいは、加法かほうせい繰り返しtermてからどうつぎせい使うterm

T(c1v1++cnvn)=T(c1v1)++T(cnvn)=c1T(v1)++cnT(vn)

この事実じじつ後でterm張る空間span列空間れつくうかんcolumn space階数かいすうrank説明せつめい使わtermれる。

5.33. 基底きていぞうによる決定けってい

V基底きていe1,...,en とする。もし2つの線型せんけい写像しゃぞう S,T:V->W がすべての基底きていベクトルで一致いっちするなら、任意にんいv=x1e1++xnen について、

S(v)=x1S(e1)++xnS(en)=x1T(e1)++xnT(en)=T(v)

である。よって S=T である。

5Formal explanation

5.11. The zero vector is sent to the zero vector

For a linear map T, the identity T(0)=0 always holds. Substituting c=0 into homogeneity gives, for any v,

T(0v)=0T(v).

The left side is T(0), and the right side is 0. No division is used here, so no extra nonzero condition is needed.

5.22. Preservation of linear combinations

For two terms this is exactly the definition. For several terms, repeat additivity and then use homogeneity.

T(c1v1++cnvn)=T(c1v1)++T(cnvn)=c1T(v1)++cnT(vn).

This fact will be used later to explain the span張る空間, the column space列空間れつくうかん, and rank階数かいすう.

5.33. Determination by images of a basis

Let e1,...,en be a basis of V. If two linear maps S,T:V->W agree on every basis vector, then for every v=x1e1++xnen,

S(v)=x1S(e1)++xnS(en)=x1T(e1)++xnT(en)=T(v).

Hence S=T.

6例題れいだい基底きていぞうから行列ぎょうれつ作るterm

6.1問題もんだい

T:R2->R2

T(e1)=(21),T(e2)=(-13)

満たすterm線型せんけい写像しゃぞうであるとする。T表すterm標準ひょうじゅん基底きていでの行列ぎょうれつ求めterm、さらに v=(4,5)Tぞう求めtermよ。

6.2解説かいせつ

標準ひょうじゅん基底きていでは、行列ぎょうれつだい1れつT(e1)れつT(e2) である。したがって、て、

A=(2-113)

である。v=4e1+5e2 なので、線型せんけいせいより

T(v)=4T(e1)+5T(e2)=4(21)+5(-13)=(319).

これは行列ぎょうれつせきでも同じtermである。

Av=(2-113)(45)=(319)

この例題れいだい目的もくてきは、行列ぎょうれつを「かずひょう」ではなく、「基底きていベクトルのぞうれつ並べtermたもの」と見るtermことである。この見方みかた線型写像と行列linear maps and matrices基底変換きていへんかんchange of basis固有値こゆうちeigenvalue理解りかいにつながる。

6Worked example: building a matrix from basis images

6.1Problem

Let T:R2->R2 be a linear map satisfying

T(e1)=(21),T(e2)=(-13).

Find the matrix of T in the standard basis, and then find the image of v=(4,5)T.

6.2Explanation

In the standard basis, the first column of the matrix is T(e1), and the second column is T(e2). Therefore

A=(2-113).

Since v=4e1+5e2, linearity gives

T(v)=4T(e1)+5T(e2)=4(21)+5(-13)=(319).

The same result is obtained by matrix multiplication.

Av=(2-113)(45)=(319).

The point of this example is to view a matrix not merely as a table of numbers, but as a list of the images of the basis vectors. This viewpoint prepares for linear maps and matrices線型写像と行列, change of basis基底変換きていへんかん, and eigenvalues固有値こゆうち.

7操作そうさ変わるtermもの・保存ほぞんされるもの

線型せんけい写像しゃぞうは、線型せんけい結合けつごう部分ぶぶん空間くうかん構造こうぞうれいベクトルを保つterm一方いっぽうで、ながさ、角度かくど面積めんせき次元じげん常にterm保つtermわけではない。たとえば射影しゃえい平面へいめんじょう情報じょうほう直線ちょくせん潰すtermので、線型せんけいではあるが次元じげん減らすterm

この区別くべつ重要じゅうようである。直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrixユニタリ行列unitary matrixながさや角度かくど保つterm特別とくべつ線型せんけい写像しゃぞうであり、階数かいすうrank潰れtermずに残るterm方向ほうこうかず表すterm

射影しゃえい直交行列ちょっこうぎょうれつorthogonal matrix、ユニタリ行列ぎょうれつあと定義ていぎする。ここでは、線型せんけいであってもなに保存ほぞんするかは操作そうさごとにことなる、という見通みとおしとしてめばよい。

7What changes and what is preserved

A linear map preserves linear combinations, subspace structure, and the zero vector. It does not necessarily preserve length, angle, area, or dimension. For example, a projection can collapse information from a plane onto a line; it is linear, but it reduces dimension.

This distinction matters. An orthogonal matrix直交行列ちょっこうぎょうれつ or a unitary matrixユニタリ行列 is a special linear map that also preserves lengths and angles, while rank階数かいすう measures the number of directions that survive without being collapsed.

Projection, orthogonal matrices, and unitary matrices are defined later. Here they are only a preview of the fact that being linear does not determine which additional quantities an operation preserves.

8定理ていり証明しょうめいかくぞう線型せんけい構造こうぞう保つterm

8.1定理ていり

線型せんけい写像しゃぞう T:V->W に対してtermkerTV部分ぶぶん空間くうかんであり、imTW部分ぶぶん空間くうかんである。

8.2証明しょうめい

まず kerT=vinV|T(v)=0考えるtermT(0)=0 なので 0inkerT である。u,vinkerT なら、

T(u+v)=T(u)+T(v)=0+0=0

だから u+vinkerT である。また cinK について、

T(cu)=cT(u)=c0=0

だから cuinkerT である。よって kerT部分ぶぶん空間くうかんである。

次にterm imT=T(v)|vinV考えるtermT(0)=0 なので 0inimT である。y1=T(v1), y2=T(v2)書けるtermとき、

y1+y2=T(v1)+T(v2)=T(v1+v2)

だから y1+y2inimT である。同様どうように、

cy1=cT(v1)=T(cv1)

だから cy1inimT である。よって imT部分ぶぶん空間くうかんである。

8Theorem and proof: the kernel and image preserve linear structure

8.1Theorem

For a linear map T:V->W, kerT is a subspace of V, and imT is a subspace of W.

8.2Proof

First consider kerT=vinV|T(v)=0. Since T(0)=0, we have 0inkerT. If u,vinkerT, then

T(u+v)=T(u)+T(v)=0+0=0,

so u+vinkerT. Also, for cinK,

T(cu)=cT(u)=c0=0,

so cuinkerT. Hence kerT is a subspace.

Next consider imT=T(v)|vinV. Since T(0)=0, we have 0inimT. If y1=T(v1) and y2=T(v2), then

y1+y2=T(v1)+T(v2)=T(v1+v2),

so y1+y2inimT. Similarly,

cy1=cT(v1)=T(cv1),

so cy1inimT. Hence imT is a subspace.

9最終形さいしゅうけい

線型せんけいせいとは、加法かほうせいどうつぎせい同時にterm満たすtermことである。

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

本質ほんしつは、線型せんけい結合けつごうがそのまま移るtermことにある。

T(c1v1++cnvn)=c1T(v1)++cnT(vn)

このため、基底きていベクトルのぞう指定していすれば線型せんけい写像しゃぞう全体ぜんたい決まりterm標準ひょうじゅん基底きていではそのぞう行列ぎょうれつれつになる。

9Final form

Linearity means satisfying additivity and homogeneity at the same time.

T(u+v)=T(u)+T(v),T(cv)=cT(v).

The essence is that linear combinations are transported unchanged.

T(c1v1++cnvn)=c1T(v1)++cnT(vn).

Therefore, specifying the images of the basis vectors determines the whole linear map, and in the standard basis those images become the columns of the matrix.

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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