1導入
この講義で重要なのは、階段形は解を読むために行列を整理した形であり、pivot が本質的な変数と階数を示すということである。
掃き出し法では、行列をただ小さくするのではなく、主成分の位置を段階的に整理する。その整理後の形が階段形である。
1Introduction
The important point of this lecture is that row echelon form is a shape that organizes a matrix行列ぎょうれつ so that solutions can be read, and that pivots主成分しゅせいぶん indicate the essential variables and the rank階数かいすう.
In Gaussian elimination掃はき出だし法ほう, we do not merely make matrix entries smaller. We organize the positions of the pivots主成分しゅせいぶん step by step. The organized shape is row echelon form階段形かいだんけい.
2用語ようごと定義ていぎ
主成分しゅせいぶんPivot とは、各行かくぎょうで左ひだりから最初さいしょに現あらわれる非零成分ひぜろせいぶんである。
行階段形ぎょうかいだんけいRow echelon form とは、下したの行ぎょうrowへ進すすむほど主成分しゅせいぶんpivotが右みぎへ移動いどうし、零行れいぎょうが下したに集あつまる形かたちである。
簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけいReduced row echelon form とは、各主成分かくしゅせいぶんが 1 で、その列れつcolumnの他ほかの成分せいぶんcomponentがすべて 0 になった形かたちである。
2Terms and definitions
A pivot主成分しゅせいぶん is the first nonzero entry from the left in each nonzero row.
A matrix is in row echelon form行階段形ぎょうかいだんけい when the pivots move to the right as one goes down the rows and all zero rows are gathered at the bottom.
A matrix is in reduced row echelon form簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけい when, in addition, each pivot is 1 and every other entry in the pivot column is 0.
4直感的ちょっかんてきな説明せつめい
階段形かいだんけいrow echelon formでは、主役しゅやくになる変数へんすうが左ひだりから右みぎへ順じゅんに現あらわれる。pivot がある列れつcolumnは主変数しゅへんすうの列れつcolumnであり、pivot がない列れつcolumnは自由変数じゆうへんすうfree variableの列れつcolumnになる。
このため、階段形かいだんけいrow echelon formは計算途中けいさんとちゅうの形かたちであると同時どうじに、解かいの自由度じゆうどを確認かくにんする表ひょうとしても機能きのうする。
線型変換せんけいへんかんlinear transformationとして見みると、pivot は「入力方向にゅうりょくほうこうのうち、出力側しゅつりょくがわで独立どくりつindependentに効きいている方向ほうこう」を示しめす印しるしである。pivot のない列れつcolumnは、他ほかの pivot 列れつcolumnの組くみ合あわせで説明せつめいできる方向ほうこうであり、そこに自由度じゆうどが残のこる。
したがって階段形かいだんけいrow echelon formは、行列ぎょうれつmatrixを見みやすくする表計算ひょうけいさんではなく、写像しゃぞうmapがどの方向ほうこうを独立どくりつindependentに保たもち、どの方向ほうこうを他ほかの方向ほうこうへ従属じゅうぞくdependentさせるかを読よむための形かたちである。
data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md
4Intuitive explanation
In row echelon form階段形かいだんけい, the leading variables appear from left to right. A column with a pivot is a leading-variable column, and a column without a pivot becomes a free-variable自由変数じゆうへんすう column.
Thus row echelon form階段形かいだんけい is both an intermediate computational shape and a table for checking the degrees of freedom in the solution.
From the viewpoint of a linear transformation線型変換せんけいへんかん, a pivot marks an input direction that remains independently effective on the output side. A column without a pivot is a direction that can be explained by combinations of pivot columns, and freedom remains there.
Therefore row echelon form階段形かいだんけい is not merely spreadsheet tidying. It is a form for reading which directions a map写像しゃぞう keeps independent独立どくりつ and which directions become dependent従属じゅうぞく on other directions.
data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md
5厳密げんみつな説明せつめい
たとえば
\begin{pmatrix}
1&2&0\\
0&1&3\\
0&0&0
\end{pmatrix}
は行階段形ぎょうかいだんけいである。主成分しゅせいぶんpivotは 1 列目れつめと 2 列目れつめにあるため、pivot の個数こすうは 2 である。したがって階数かいすうrankは 2 である。
簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけいでは、さらに主成分列しゅせいぶんれつpivot columnの他成分たせいぶんを 0 にする。たとえば
\begin{pmatrix}
1&0&-6\\
0&1&3\\
0&0&0
\end{pmatrix}
は簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけいである。
5Precise explanation
For example,
\begin{pmatrix}
1&2&0\\
0&1&3\\
0&0&0
\end{pmatrix}
is in row echelon form行階段形ぎょうかいだんけい. The pivots主成分しゅせいぶん are in columns 1 and 2, so the number of pivots is 2. Therefore the rank階数かいすう is 2.
In reduced row echelon form簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけい, the other entries in each pivot column主成分列しゅせいぶんれつ are also made 0. For example,
\begin{pmatrix}
1&0&-6\\
0&1&3\\
0&0&0
\end{pmatrix}
is in reduced row echelon form簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけい.
6具体例ぐたいれいと矛盾むじゅんの判定はんてい
拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつaugmented matrix
\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&5\\
0&1&1
\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&5\\
0&1&1
\end{array}\right)
は階段形かいだんけいrow echelon formである。第二行だいにぎょうから y=1 を得える。第一行だいいちぎょうへ代入だいにゅうして x+2=5、すなわち x=3 を得える。階段形かいだんけいrow echelon formは下したから上うえへ解かいを戻もどす形かたちである。
拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつaugmented matrixでは、最後さいごの列れつcolumnだけに pivot が立たつ場合ばあいに注意ちゅういする。たとえば
\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&3\\
0&0&1
\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&3\\
0&0&1
\end{array}\right)
には行ぎょうrow 0x+0y=1 が含ふくまれる。これは 0=1 という矛盾むじゅんなので、解かいは存在そんざいしない。階数かいすうrankで言いえば、係数行列けいすうぎょうれつcoefficient matrixの階数かいすうrankは 1 だが、拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつaugmented matrixの階数かいすうrankは 2 であり、
\operatorname{rank}(A)<\operatorname{rank}(A\mid b)
となる。この不一致ふいっちが、右辺うへんright-hand side b が列空間れつくうかんcolumn spaceに入はいっていないことを表あらわす。
6Worked example and consistency check
The augmented matrix拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつ
\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&5\\
0&1&1
\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&5\\
0&1&1
\end{array}\right)
is in row echelon form階段形かいだんけい. The second row gives y=1. Substituting into the first row gives x+2=5, hence x=3. Row echelon form階段形かいだんけい is a shape for recovering the solution from bottom to top.
For an augmented matrix拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつ, pay attention to the case where a pivot appears only in the last column. For example,
\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&3\\
0&0&1
\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc|c}
1&2&3\\
0&0&1
\end{array}\right)
contains the row 0x+0y=1. This says 0=1, a contradiction, so no solution exists. In terms of rank階数かいすう, the coefficient matrix係数行列けいすうぎょうれつ has rank 1, but the augmented matrix拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつ has rank 2, so
\operatorname{rank}(A)<\operatorname{rank}(A\mid b)
This mismatch means that the right-hand side右辺うへん b is not in the column space列空間れつくうかん.
9最終形さいしゅうけい
\boxed{\text{rank}=\text{pivot の個数}}
\boxed{\text{pivot のない列が自由変数を与える}}
9Final forms
\boxed{\text{rank}=\text{number of pivots}}
\boxed{\text{columns without pivots give free variables}}