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線型写像の階数と退化次数md 9b6694d
lecture/math/linear-algebra/rank-and-nullity-of-linear-maps.lecture.n.md
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線型写像せんけいしゃぞうlinear map階数かいすうrank退化次数たいかじすうnullity

date2026-07-14document_iddoc_868aa526a85c14560b087c2dd8bc1c19description行列の列空間として導入した階数を、線型写像の像と核の次元として定義し直し、行列表現との一致と階数・退化次数定理を証明する講義である。prerequisites階数の基本 / 線型写像と行列 / ベクトル空間と基底type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.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-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/vector-spaces-bases-and-rank.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

Rank階数かいすう 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

まえ講義こうぎでは、m×n 行列ぎょうれつmatrix A階数かいすうrankを、列空間れつくうかんcolumn space次元じげんdimensionとしてんだ。この講義こうぎでは、それを線型写像せんけいしゃぞうlinear mapそのものの言葉ことば一般化いっぱんかする。

ここで重要じゅうようなのは、一般化後いっぱんかご階数かいすうrankは、行列ぎょうれつではなく、線型写像せんけいしゃぞうlinear map出力側しゅつりょくがわ実際じっさいとどかせる部分空間ぶぶんくうかんsubspace次元じげんdimensionであるということである。

したがって、定義ていぎなおすがべつりょうつくるわけではない。基底きていえらんで表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixつくると、まえ行列版ぎょうれつばん階数かいすうrank一致いっちする。

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用語ようご定義ていぎ

T:VW線型写像せんけいしゃぞうlinear mapとする。

ぞうimageとは、T によって実際じっさい到達とうたつできる出力しゅつりょく集合しゅうごうである。

imT={T(v)vV}

かくkernelとは、T によって 0 へおくられる入力にゅうりょく集合しゅうごうである。

kerT={vVT(v)=0}

一般化後いっぱんかご階数かいすうrank

rank(T)=dimimT

定義ていぎする。また、退化次数たいかじすうnullity

nullity(T)=dimkerT

定義ていぎする。

ここで混同こんどうしてはいけない。行列版ぎょうれつばんでは「れつ空間くうかんspace次元じげんdimension」として定義ていぎした。一般化後いっぱんかごでは「線型写像せんけいしゃぞうlinear mapぞうimage次元じげんdimension」として定義ていぎする。この 2 つが一致いっちすることは定理ていりとして証明しょうめいする。

2Terms and definitions

Let T:VW be a linear map線型写像せんけいしゃぞう.

The imageぞう is

imT={T(v)vV}.

The kernelかく is

kerT={vVT(v)=0}.

The generalized definition of rank is

rank(T)=dimimT,

and the nullity退化次数たいかじすう is

nullity(T)=dimkerT.

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

証明しょうめい中心ちゅうしんは、基底きていbasisえらんで線型写像せんけいしゃぞうlinear map行列ぎょうれつmatrixあらわしたとき、表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix列空間れつくうかんcolumn spaceが、もとの線型写像せんけいしゃぞうlinear mapぞうimage座標表示ざひょうひょうじcoordinate representationになる、というてんである。

つぎ順序じゅんじょ確認かくにんする。

  1. imTkerT部分空間ぶぶんくうかんsubspaceであることをしめす。
  2. T表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix A について、rank(T)=rank(A)証明しょうめいする。
  3. 階数かいすう退化たいか次数じすう定理ていりrank-nullity theorem証明しょうめいする。
  4. 可逆性かぎゃくせいとの関係かんけい整理せいりする。

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説明せつめい

線型写像せんけいしゃぞうlinear mapは、入力空間にゅうりょくくうかんから出力空間しゅつりょくくうかんベクトルvectorおくる。そのとき、入力にゅうりょく方向ほうこうのうち、出力しゅつりょくのこ方向ほうこうと、0 へつぶれる方向ほうこうがある。

ぞうimageは「のこった出力方向しゅつりょくほうこう全体ぜんたい」であり、かくkernelは「つぶれた入力方向にゅうりょくほうこう全体ぜんたい」である。階数かいすうrankのこった次元じげんdimension退化次数たいかじすうnullityつぶれた次元じげんdimensionかぞえる。

有限次元ゆうげんじげんでは、入力にゅうりょく次元じげんdimensionえるわけではない。出力しゅつりょくのこ部分ぶぶんと、かくとしてつぶれる部分ぶぶんかれる。この分解ぶんかいしきにしたものが、階数かいすう退化たいか次数じすう定理ていりrank-nullity theoremである。

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厳密げんみつ説明せつめい

5.11. ぞうimageかくkernel部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである

まず imT確認かくにんする。y1,y2imT とする。すると、ある v1,v2V存在そんざいして

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

である。任意にんいスカラーscalar a,b について、線型性せんけいせいlinearityより

ay1+by2=aT(v1)+bT(v2)=T(av1+bv2)

である。したがって ay1+by2imTぞくする。よって imT部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。

つぎに kerT確認かくにんする。u1,u2kerT なら

T(u1)=0,T(u2)=0

である。任意にんいスカラーscalar a,b について、

T(au1+bu2)=aT(u1)+bT(u2)=0

となる。したがって au1+bu2kerT である。よって kerT部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。

5.22. 行列版ぎょうれつばん階数かいすうrankとの一致いっち

V基底きていbasisB=(v1,,vn)W基底きていbasisC=(w1,,wm) とし、T:VW表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixA=[T]CB とする。

Aだい j れつcolumnは、T(vj)Cかんする座標ざひょうcoordinateである。したがって、A列空間れつくうかんcolumn spaceは、imT基底きていbasis C座標表示ざひょうひょうじした集合しゅうごうである。

座標写像ざひょうしゃぞう同型どうけいisomorphism、すなわち次元じげんたも可逆かぎゃくinvertible線型写像せんけいしゃぞうlinear mapである。よって

dimimT=dimCol(A)

である。つまり

rank(T)=rank(A)

成立せいりつする。

この定理ていりが、一般化前いっぱんかまえ行列版ぎょうれつばん階数かいすうrankと、一般化後いっぱんかご線型写像せんけいしゃぞうlinear map階数かいすうrank接続せつぞくしている。

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

定理ていり
V有限次元ゆうげんじげんベクトル空間くうかんvector spaceとし、T:VW線型写像せんけいしゃぞうlinear mapとする。このとき

dimV=rank(T)+nullity(T)

である。

証明しょうめい
kerT基底きていbasis

u1,,uk

とする。これを V基底きていbasis

u1,,uk,v1,,vr

拡張かくちょうする。このとき k=nullity(T) であり、dimV=k+r である。

T(v1),,T(vr)imT基底きていbasisであることをしめす。まず生成せいせいしめす。任意にんいyimTると、ある xV存在そんざいして y=T(x) である。xうえ基底きていbasis

x=a1u1++akuk+b1v1++brvr

く。uikerT なので T(ui)=0 であり、

y=T(x)=b1T(v1)++brT(vr)

となる。したがって T(v1),,T(vr)imT生成せいせいする。

つぎに一次独立性いちじどくりつせいしめす。

c1T(v1)++crT(vr)=0

仮定かていする。線型性せんけいせいlinearityより

T(c1v1++crvr)=0

であるから、c1v1++crvrkerT である。したがって、あるスカラーscalar d1,,dk存在そんざいして

c1v1++crvr=d1u1++dkuk

ける。左辺さへん右辺うへん移項いこうすると、

d1u1++dkuk-c1v1--crvr=0

である。しかし u1,,uk,v1,,vrV基底きていbasisなので、係数けいすうはすべて 0 でなければならない。したがって

c1==cr=0

である。よって T(v1),,T(vr)一次独立いちじどくりつである。

したがって T(v1),,T(vr)imT基底きていbasisであり、rank(T)=r である。ゆえに

dimV=k+r=nullity(T)+rank(T)

成立せいりつする。

5.44. 可逆性かぎゃくせいとの関係かんけい

T:VV有限次元ゆうげんじげんベクトル空間くうかんvector spaceうえ線型写像せんけいしゃぞうlinear mapとする。このとき、つぎ同値どうちである。

  1. T可逆かぎゃくinvertibleである。
  2. kerT={0} である。
  3. rank(T)=dimV である。
  4. imT=V である。

証明しょうめいする。T可逆かぎゃくinvertibleなら、T(v)=0T-1適用てきようして v=0 だから kerT={0} である。kerT={0} なら nullity(T)=0 なので、階数かいすう退化たいか次数じすう定理ていりrank-nullity theoremより rank(T)=dimV である。これは imT次元じげんdimensionVおなじで、しかも imTV であることを意味いみするため、imT=V である。

最後さいごimT=V かつ kerT={0} なら、任意にんいyVたいして T(x)=yたす x存在そんざいし、さらに kerT={0} によりその x一意いちいである。この一意解いちいかいT-1(y)=x定義ていぎすれば、T-1存在そんざいする。

5Precise explanation

5.11. Image and kernel are subspaces

If y1=T(v1) and y2=T(v2) are in imT, then for scalars a,b,

ay1+by2=T(av1+bv2),

so the image is a subspace. If u1,u2kerT, then

T(au1+bu2)=aT(u1)+bT(u2)=0,

so the kernel is also a subspace.

5.22. Agreement with matrix rank

Let A=[T]CB be the representation matrix of T:VW. The columns of A are the coordinate vectors of T(v1),,T(vn) in the basis C. Therefore the column space of A is the coordinate representation of imT. Since coordinate maps are dimension-preserving isomorphisms,

rank(T)=rank(A).

5.33. Rank-nullity theorem

Let u1,,uk be a basis of kerT, and extend it to a basis

u1,,uk,v1,,vr

of V. Then T(v1),,T(vr) is a basis of imT. Spanning follows by writing any xV in this basis and using T(ui)=0. Independence follows because any relation among T(vi) gives an element of kerT, and uniqueness of the basis expression forces all coefficients to be zero. Hence

dimV=nullity(T)+rank(T).

5.44. Relation to invertibility

For a linear map T:VV on a finite-dimensional vector space, the following are equivalent: T is invertible, kerT={0}, rank(T)=dimV, and imT=V. Rank-nullity supplies the bridge between kernel and image.

6具体例ぐたいれい

T:R3R2

T(x,y,z)=(x+y,y+z)

定義ていぎする。標準基底ひょうじゅんきていstandard basisでの表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrix

A=(110011)

である。列空間れつくうかんcolumn spaceR2 全体ぜんたいるので、rank(T)=2 である。

かくkernel

x+y=0,y+z=0

たす (x,y,z)集合しゅうごうである。y=tくと

(x,y,z)=(-t,t,-t)=t(-1,1,-1)

となる。したがって nullity(T)=1 である。

実際じっさい

dimR3=3=2+1=rank(T)+nullity(T)

成立せいりつしている。

6Worked example

Define T:R3R2 by

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

In standard bases,

A=(110011).

Its columns span R2, so rank(T)=2. The kernel is given by

x+y=0,y+z=0,

so (x,y,z)=t(-1,1,-1) and nullity(T)=1. Thus

3=2+1.

7見分みわかた

  • 行列ぎょうれつmatrix主役しゅやくなら、まず列空間れつくうかんcolumn space次元じげんdimensionとして階数かいすうrankむ。
  • 線型写像せんけいしゃぞうlinear map主役しゅやくなら、ぞうimage次元じげんdimensionとして階数かいすうrankむ。
  • 基底きていえらんで表現行列ひょうげんぎょうれつrepresentation matrixもどしたら、2 つの定義ていぎdefinition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調しらべるときは、かくkernelが 0 だけか、ぞうimage全体ぜんたいか、階数かいすうrank最大さいだいかを同時どうじ確認かくにんする。

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

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、有限次元ゆうげんじげんベクトル空間くうかんvector space使つか定理ていりである。無限次元むげんじげんでは、次元じげんあつかいにべつ注意ちゅうい必要ひつようになる。この講義こうぎ線型代数せんけいだいすうでは有限次元ゆうげんじげんだけを対象たいしょうにする。

また、行列式ぎょうれつしきdeterminantとの関係かんけいは、正方行列せいほうぎょうれつsquare matrixT:VV場合ばあいあらわれる。長方行列ちょうほうぎょうれつVWdimVdimW場合ばあい階数かいすうrank定義ていぎできるが、おな意味いみ行列式ぎょうれつしきdeterminant定義ていぎしない。

8Scope

Rank-nullity is used here for finite-dimensional vector spaces. Determinants enter only for square matrices or maps T:VV. Rank is defined for rectangular matrices and maps VW, but the same determinant criterion is not.

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank(T)=dimimT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]nullity(T)=dimkerT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dimV=rank(T)+nullity(T)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank(T)=rank([T]CB)

9Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank(T)=dimimT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]nullity(T)=dimkerT
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dimV=rank(T)+nullity(T)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank(T)=rank([T]CB)

10一言ひとことでいうと

  • 行列版ぎょうれつばん階数かいすうrankは、列空間れつくうかんcolumn space次元じげんdimensionである。
  • 一般化後いっぱんかご階数かいすうrankは、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。
  • 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、入力にゅうりょく次元じげんdimensionが「のこ次元じげん」と「つぶれる次元じげん」にかれることをあらわす。

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.

11Exercise links

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