線型写像 の階数 と退化次数
Rank and nullity 退化次数 たいかじすう of a linear map 線型写像 せんけいしゃぞう
1導入 どうにゅう
ここで
したがって、
1Introduction
The previous rank lecture read the rank of a matrix as the dimension of its column space. This lecture generalizes that definition to linear maps: rank is the dimension of the image of the map. This does not create a new quantity; after choosing bases and writing a representation matrix, the two definitions agree.
2用語 ようご と定義 ていぎ
を
で
で
ここで
2Terms and definitions
Let be a
The
The
The generalized definition of rank is
and the
Do not confuse the two levels of definition. For a matrix, rank was introduced as the dimension of the column space. For a linear map, rank is the dimension of the image. Their agreement is a theorem.
3方針 ほうしん
- と が
部分空間 ぶぶんくうかん subspace であることを示 しめ す。 - の
表現行列 ひょうげんぎょうれつ representation matrix について、 を証明 しょうめい する。 階数 かいすう ・退化 たいか 次数 じすう 定理 ていり rank-nullity theorem を証明 しょうめい する。可逆性 かぎゃくせい との関係 かんけい を整理 せいり する。
3Plan
The proof strategy is to choose bases and compare the image of a linear map with the column space of its representation matrix. Then we prove rank-nullity and connect it to invertibility.
4直感的 ちょっかんてき な説明 せつめい
4Intuitive explanation
A linear map sends input vectors to output vectors. Some input directions survive as output directions; others collapse to zero. The image is the space of surviving outputs. The kernel is the space of collapsed inputs. Rank counts the surviving dimension, and nullity counts the collapsed dimension.
5厳密 げんみつ な説明 せつめい
5.11. 像 ぞう image と核 かく kernel は部分空間 ぶぶんくうかん subspace である
まず を
である。
である。したがって も に
つぎに を
である。
となる。したがって である。よって も
5.22. 行列版 ぎょうれつばん の階数 かいすう rank との一致 いっち
の
の
である。つまり
が
この
5.33. 階数 かいすう ・退化 たいか 次数 じすう 定理 ていり rank-nullity theorem
を
である。
の
とする。これを の
へ
が の
と
となる。したがって は を
つぎに
と
であるから、 である。したがって、ある
と
である。しかし は の
である。よって は
したがって は の
が
5.44. 可逆性 かぎゃくせい との関係 かんけい
を
- は
可逆 かぎゃく invertible である。 - である。
- である。
- である。
5Precise explanation
5.11. Image and kernel are subspaces
If and are in , then for scalars ,
so the image is a subspace. If , then
so the kernel is also a subspace.
5.22. Agreement with matrix rank
Let be the representation matrix of . The columns of are the coordinate vectors of in the basis . Therefore the column space of is the coordinate representation of . Since coordinate maps are dimension-preserving isomorphisms,
5.33. Rank-nullity theorem
Let be a basis of , and extend it to a basis
of . Then is a basis of . Spanning follows by writing any in this basis and using . Independence follows because any relation among gives an element of , and uniqueness of the basis expression forces all coefficients to be zero. Hence
5.44. Relation to invertibility
For a linear map on a finite-dimensional vector space, the following are equivalent: is invertible, , , and . Rank-nullity supplies the bridge between kernel and image.
6具体例 ぐたいれい
を
で
である。
を
となる。したがって である。
が
6Worked example
Define by
In standard bases,
Its columns span , so . The kernel is given by
so and . Thus
7見分 みわ け方 かた
行列 ぎょうれつ matrix が主役 しゅやく なら、まず列空間 れつくうかん column space の次元 じげん dimension として階数 かいすう rank を読 よ む。線型写像 せんけいしゃぞう linear map が主役 しゅやく なら、像 ぞう image の次元 じげん dimension として階数 かいすう rank を読 よ む。基底 きてい を選 えら んで表現行列 ひょうげんぎょうれつ representation matrix に戻 もど したら、2 つの定義 ていぎ definition が一致 いっち するかを確認 かくにん する。可逆性 かぎゃくせい invertibility を調 しら べるときは、核 かく kernel が 0 だけか、像 ぞう image が全体 ぜんたい か、階数 かいすう rank が最大 さいだい かを同時 どうじ に確認 かくにん する。
7How to recognize the right definition
Use column-space rank when a matrix is the main object. Use image dimension when a linear map is the main object. After bases are chosen, the two definitions agree. For invertibility, check kernel zero, full image, or full rank.
8どこまで成立 せいりつ するか
また、
8Scope
Rank-nullity is used here for finite-dimensional vector spaces. Determinants enter only for square matrices or maps . Rank is defined for rectangular matrices and maps , but the same determinant criterion is not.
9最終形 さいしゅうけい
9Final forms
10一言 ひとこと でいうと
行列版 ぎょうれつばん の階数 かいすう rank は、列空間 れつくうかん column space の次元 じげん dimension である。一般化後 いっぱんかご の階数 かいすう rank は、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。階数 かいすう ・退化 たいか 次数 じすう 定理 ていり rank-nullity theorem は、入力 にゅうりょく の次元 じげん dimension が「残 のこ る次元 じげん 」と「潰 つぶ れる次元 じげん 」に分 わ かれることを表 あらわ す。
11演習 えんしゅう リンク
data/exercise/math/linear-algebra/vector-spaces-bases-and-rank.exercise.n.md
10In one sentence
- Matrix rank is the dimension of the column space.
- Linear-map rank is the dimension of the image.
- Rank-nullity says input dimension splits into surviving dimension and collapsed dimension.