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行列ぎょうれつmatrixせき意味いみ

date2026-07-14document_iddoc_af269e3f57433a74a4583289ac5163bbdescription行列の積を、サイズ条件・列ベクトルへの作用・線型写像の合成という三つの観点から整理する講義である。prerequisites行列のサイズ / ベクトルの基本演算type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/matrix-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/inverse-matrix-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/matrix-computation-and-linear-transformations.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

Meaning of the matrix product行列積ぎょうれつせき

1導入どうにゅう

この講義こうぎ重要じゅうようなのは、行列ぎょうれつmatrixせき成分せいぶんcomponentごとのざんではなく、線型写像せんけいしゃぞうlinear map合成ごうせい座標ざひょうあらわすように定義ていぎされた演算えんざんであるということである。

行列積ぎょうれつせき規則きそく不自然ふしぜんえやすいが、れつベクトルcolumn vector作用さようさせる操作そうさoperation写像しゃぞうmap合成ごうせい要求ようきゅうすると、このかたち自然しぜんあらわれる。

1Introduction

The product of matrices is not entrywise multiplication. It is defined so that matrices represent composition of linear maps線型写像せんけいしゃぞう in coordinates.

The rule for matrix multiplication can look unnatural at first, but it appears naturally once we require compatibility with the action on column vectors and with composition of maps.

2用語ようご定義ていぎ

Am×n 行列ぎょうれつmatrixBn×p 行列ぎょうれつmatrixとする。このときせき ABm×p 行列ぎょうれつmatrixであり、成分せいぶんcomponent

(AB)ij=k=1naikbkj

定義ていぎされる。内側うちがわのサイズ n一致いっちすることが必要ひつようである。

この成分公式せいぶんこうしきは、暗記あんきする規則きそくではない。Bだい j れつcolumnb(j)くと、ABだい j れつcolumn

Ab(j)

である。つまり、B標準基底ひょうじゅんきていstandard basisだい j 方向ほうこうb(j)おくり、その結果けっかA作用さようさせたものが、ABだい j れつcolumnになる。ここからだい i 成分せいぶんcomponentると、Aだい i ぎょうrowb(j)内積的ないせきてきになり、

(AB)ij=ai1b1j+ai2b2j++ainbnj=k=1naikbkj

られる。したがって、れつcolumnへの作用さよう写像しゃぞうmap合成ごうせいさきかんがえると、成分公式せいぶんこうしきあとから必然的ひつぜんてきみちびかれる。

3方針ほうしん

まず数表すうひょうとして計算けいさんし、つぎにれつベクトルcolumn vectorへの作用さようとして解釈かいしゃくする。最後さいごに、行列積ぎょうれつせき線型写像せんけいしゃぞうlinear map合成ごうせい表現ひょうげんすることを確認かくにんする。

data/lecture/math/linear-algebra/matrix-operations.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

Aれつcolumna1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],an とする。x=(x1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],xn)Tたいして

Ax=x1a1++xnan

である。つまり、行列ぎょうれつmatrix入力にゅうりょく成分せいぶんcomponent係数けいすうcoefficientとして、れつベクトルcolumn vector線型結合せんけいけつごうlinear combinationする装置そうちである。

この装置そうちを 2 かい連続れんぞく作用さようさせると、行列積ぎょうれつせきあらわれる。したがって ABx は「まず B作用さようさせ、つぎに A作用さようさせる」ことを意味いみする。

5厳密げんみつ説明せつめい

B:KpKnA:KnKm考察こうさつする。xKpたいして

xBxA(Bx)

となるため、合成写像ごうせいしゃぞうAB であり、その表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixAB である。記号きごう順序じゅんじょみぎから作用さようするため、さき実行じっこうする行列ぎょうれつmatrix右側みぎがわかれる。

2Terms and definitions

Let A be an m×n matrix行列ぎょうれつ and B an n×p matrix. Then AB is an m×p matrix with entries

(AB)ij=k=1naikbkj.

The inner sizes must match.

This formula is not merely a rule to memorize. If b(j) is the j-th columnれつ of B, then the j-th column of AB is

Ab(j).

Thus B first sends the j-th standard-basis direction to b(j), and then A acts on that result. Reading the i-th component gives

(AB)ij=ai1b1j+ai2b2j++ainbnj=k=1naikbkj.

3Strategy

First calculate matrix products as tables of numbers, then interpret them as actions on column vectorsれつベクトル. Finally, check that matrix multiplication represents composition of linear maps線型写像せんけいしゃぞう.

data/lecture/math/linear-algebra/matrix-operations.lecture.n.md

4Intuitive explanation

Let the columns of A be a1,,an. For x=(x1,,xn)T,

Ax=x1a1++xnan.

A matrix therefore uses the components of the input as coefficients係数けいすう and forms a linear combination線型結合せんけいけつごう of its columns.

Applying this device twice produces matrix multiplication. Thus ABx means: apply B first, then apply A.

5Precise explanation

Regard B:KpKn and A:KnKm. For xKp,

xBxA(Bx).

Therefore the composite map is AB, and its representation matrix表現行列ひょうげんぎょうれつ is AB. Since matrices act from the right on vectors, the matrix applied first appears on the right.

6れつcolumnによる解釈かいしゃく

Aれつcolumna1,,anx=(x1,,xn)T とすると、

Ax=x1a1++xnan

である。つまり、行列ぎょうれつmatrix入力にゅうりょく成分せいぶんcomponent係数けいすうcoefficientとして、れつcolumn線型結合せんけいけつごうlinear combinationつくる。Bだい j れつcolumnb(j) とすると、ABだい j れつcolumn

Ab(j)

である。

7合成ごうせいによる解釈かいしゃく

B:KpKnA:KnKmると、

xBxA(Bx)

である。したがって合成写像ごうせいしゃぞうABあらわされる。ABx では、Bさき作用さようし、Aあと作用さようする。

8具体例ぐたいれい

A=(1201),B=(3012)

とする。このとき

AB=(5412),BA=(3614)

である。したがって一般いっぱんAB=BA ではない。順序じゅんじょわると、合成ごうせいする写像しゃぞうmap順序じゅんじょ変化へんかする。

6Column interpretation

If the columns of A are a1,,an and x=(x1,,xn)T, then

Ax=x1a1++xnan.

So a matrix uses the components of the input as coefficients and forms a linear combination線型結合せんけいけつごう of its columns. If b(j) is the j-th column of B, then the j-th column of AB is

Ab(j).

7Composition interpretation

Regard B:KpKn and A:KnKm. Then

xBxA(Bx),

so the composite map is represented by AB. In ABx, B acts first and A acts second.

8Worked example

Let

A=(1201),B=(3012).

Then

AB=(5412),BA=(3614).

Thus AB and BA are generally different because the order of composition is different.

9定理ていり証明しょうめい行列積ぎょうれつせき合成ごうせいあらわ

Am×nBn×p とする。Bれつcolumnb1,,bpく。xKpたいして

Bx=x1b1++xpbp

である。A作用さようさせ、線型性せんけいせいlinearity使つかうと

A(Bx)=x1Ab1++xpAbp

となる。ABれつcolumnAb1,,Abp なので、(AB)x=A(Bx) である。

10よくある誤解ごかい

  • 行列積ぎょうれつせき対応たいおうする成分せいぶんcomponentどうしのせきではない。
  • サイズ条件じょうけん確認かくにんせずにせき計算けいさんしてはならない。
  • ABBA一般いっぱん一致いっちしない。合成ごうせい順序じゅんじょことなるためである。

9Theorem and proof: matrix product行列積ぎょうれつせき represents composition

Let A be m×n and B be n×p. Write the columns of B as b1,,bp. For xKp,

Bx=x1b1++xpbp.

Applying A and using linearity gives

A(Bx)=x1Ab1++xpAbp.

The columns of AB are exactly Ab1,,Abp, so (AB)x=A(Bx).

10Common misunderstandings

  • matrix product行列積ぎょうれつせき is not the product of corresponding entries.
  • Size compatibility must be checked before calculating.
  • AB=BA is not expected unless there is a special reason.

11どこまで成立せいりつするか

行列積ぎょうれつせきは、線型写像せんけいしゃぞうlinear map合成ごうせい整合せいごうするように定義ていぎされる。成分せいぶんcomponentごとのせき使用しようするべつ演算えんざん存在そんざいするが、それは標準的ひょうじゅんてき行列積ぎょうれつせきとは別物べつものである。

12最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")](AB)ij=kaikbkj
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ABx=A(Bx)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]行列積は写像の合成を表す

11Scope

Matrix multiplication is defined so that it agrees with composition of linear maps線型写像せんけいしゃぞう. There are other operations that multiply corresponding entries componentwise, but those are different from the standard matrix product.

12Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")](AB)ij=kaikbkj
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ABx=A(Bx)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Matrixmultiplicationrepresentscompositionofmaps[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")]

13定理ていり証明しょうめい行列積ぎょうれつせき線型写像せんけいしゃぞう合成ごうせいである

Am×n 行列ぎょうれつBn×p 行列ぎょうれつとする。このとき、AB は「まず B作用さようさせ、つぎに A作用さようさせる」線型写像せんけいしゃぞうあらわす。

証明しょうめいする。xFp とする。Bれつb1,,bpくと、

Bx=x1b1++xpbp

である。A作用さようさせると、線型性せんけいせいより

A(Bx)=x1Ab1++xpAbp

である。一方いっぽうABだい j れつAbj である。したがって (AB)xおなしきになる。よって

(AB)x=A(Bx)

である。

この証明しょうめいにより、行列積ぎょうれつせき順番じゅんばん合成ごうせい順番じゅんばん反映はんえいしていることがかる。

14演習えんしゅうリンク

data/exercise/math/linear-algebra/matrix-computation-and-linear-transformations.exercise.n.md

13Theorem and proof: matrix product is composition of linear maps

Let A be an m×n matrix and B an n×p matrix. Then AB represents the linear map that applies B first and then A.

To prove this, take xFp. If the columns of B are b1,,bp, then

Bx=x1b1++xpbp.

Applying A and using linearity線型性せんけいせい gives

A(Bx)=x1Ab1++xpAbp.

On the other hand, the j-th column of AB is Abj, so (AB)x has the same expression. Hence

(AB)x=A(Bx).

This proof explains why the order of matrix multiplication reflects the order of composition.

14Exercise links

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