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階段形と簡約階段形md 2855dfe
lecture/math/linear-algebra/row-echelon-and-reduced-row-echelon-forms.lecture.n.md
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階段形かいだんけいrow echelon form簡約階段形かんやくかいだんけいreduced row echelon form

date2026-07-14document_iddoc_3a43a87a43d850108a508d65be4b64d4description行階段形と簡約行階段形を区別し、pivot が階数・自由変数・解の構造を読むための印であることを説明する講義である。prerequisites行基本変形 / 拡大係数行列type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-systems-and-gaussian-elimination.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/elementary-operations-and-linear-systems.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

Row echelon form階段形かいだんけい and reduced row echelon form簡約階段形かんやくかいだんけい

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、階段形かいだんけいrow echelon formかいむために行列ぎょうれつmatrix整理せいりしたかたちであり、pivot が本質的ほんしつてき変数へんすう階数かいすうrankしめということである。

ほうGaussian eliminationでは、行列ぎょうれつmatrixをただちいさくするのではなく、主成分しゅせいぶんpivot位置いち段階的だんかいてき整理せいりする。その整理後せいりごかたち階段形かいだんけいrow echelon formである。

1Introduction

The important point of this lecture is that row echelon form階段形かいだんけい 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用語ようご定義ていぎ

主成分しゅせいぶんPivot とは、各行かくぎょうひだりから最初さいしょ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、したぎょうrowすすむほど主成分しゅせいぶんpivotみぎ移動いどうし、零行れいぎょうしたあつまるかたちである。

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、そのれつcolumnほか成分せいぶんcomponentがすべて 0 になったかたちである。

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.

3方針ほうしん

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operation左下ひだりしたから非零成分ひぜろせいぶん消去しょうきょし、主成分しゅせいぶんpivot階段状かいだんじょう配置はいちする。かい完全かんぜんむなら、さらに主成分列しゅせいぶんれつpivot column上下じょうげを 0 にして簡約かんやくする。

data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md

3Strategy

Use elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい to eliminate nonzero entries below pivot positions and arrange pivots in a staircase pattern. If the solution must be read completely, reduce further by making the entries above and below each pivot column主成分列しゅせいぶんれつ zero.

data/lecture/math/linear-algebra/elementary-row-operations.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

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ひだりからみぎじゅんあらわれる。pivot があるれつcolumn主変数しゅへんすうれつcolumnであり、pivot がないれつcolumn自由変数じゆうへんすうfree variableれつcolumnになる。

このため、階段形かいだんけいrow echelon form計算途中けいさんとちゅうかたちであると同時どうじに、かい自由度じゆうど確認かくにんする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独立どくりつindependentいている方向ほうこう」をしめしるしである。pivot のないれつcolumnは、ほかの pivot れつcolumn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独立どくりつindependentたもち、どの方向ほうこうほか方向ほうこう従属じゅうぞくdependentさせるかをむためのかたちである。

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厳密げんみつ説明せつめい

たとえば

(120013000)

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他成分たせいぶんを 0 にする。たとえば

(10-6013000)

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,

(120013000)

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,

(10-6013000)

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具体例ぐたいれい矛盾むじゅん判定はんてい

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)

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る。第一行だいいちぎょう代入だいにゅうして x+2=5、すなわち x=3る。階段形かいだんけいrow echelon formしたからうえかいもどかたちである。

拡大係数行列かくだいけいすうぎょうれつaugmented matrixでは、最後さいごれつcolumnだけに pivot が場合ばあい注意ちゅういする。たとえば

\left(\begin{array}{cc|c} 1&2&3\\ 0&0&1 \end{array}\right)

にはぎょうrow 0x+0y=1ふくまれる。これは 0=1 という矛盾むじゅんなので、かい存在そんざいしない。階数かいすうrankえば、係数行列けいすうぎょうれつcoefficient matrix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階数かいすうrankは 2 であり、

rank(A)<rank(Ab)

となる。この不一致ふいっちが、右辺うへんright-hand side b列空間れつくうかんcolumn spaceはいっていないことをあらわす。

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)

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)

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

rank(A)<rank(Ab)

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.

7よくある誤解ごかい

  • pivot は任意にんい非零成分ひぜろせいぶんでよいわけではない。各行かくぎょうひだりから最初さいしょ非零成分ひぜろせいぶんである。
  • 階段形かいだんけいrow echelon form簡約階段形かんやくかいだんけいreduced row echelon form同一どういつではない。簡約かんやくでは pivot れつcolumn他成分たせいぶんも 0 にする。
  • 階数かいすうrank非零成分ひぜろせいぶん個数こすうではなく、pivot の個数こすうである。

7Common misunderstandings

  • A pivot is not just any nonzero entry. It is the first nonzero entry from the left in each nonzero row.
  • Row echelon form階段形かいだんけい and reduced row echelon form簡約階段形かんやくかいだんけい are not the same. In the reduced form, the other entries in pivot columns are also 0.
  • The rank階数かいすう is not the number of nonzero entries; it is the number of pivots.

8どこまで成立せいりつするか

行基本変形ぎょうきほんへんけいelementary row operationられる階段形かいだんけいrow echelon form一意いちいとはかぎらない。しかし簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけい一意いちいである。階数かいすうrankや pivot の個数こすうは、途中とちゅう操作そうさoperation選択せんたく依存いぞんしない。

8Scope of validity

A row echelon form階段形かいだんけい obtained by elementary row operations行基本変形ぎょうきほんへんけい is not necessarily unique. However, the reduced row echelon form簡約行階段形かんやくぎょうかいだんけい is unique. The rank階数かいすう and the number of pivots do not depend on the choices made during the operations.

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank=pivotの個数
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]pivotのない列が自由変数を与える

9Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]rank=numberofpivots

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]columnswithoutpivotsgivefreevariables

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