2MathB.moc

Transcription

1 線形独立と線形従属 ベクトル空間 部分空間 次元 r 個のベクトル に対して ++a r a r を の線形結合または 次結合という ただし a i i,,,r ある また ++a r a r を 次関係式という はスカラーで の 次関係式 ++a r a r について (i) a r 以外に 次関係式が成り立たない場合 は線形独立であるという (ii),,,a r のうち少なくとも つは でない値で 次関係式が成り立つ場合 は線形従属であるという 線形結合との関連は次のようになる は線形独立 のどのベクトルも残りのベクトルの線形結合で表せない は線形従属 のうち少なくとも つのベクトルが残りのベクトルの線形結合で表せる 部分空間 V をベクトル空間とする V の空でない部分集合 W が次の条件を満たすとき W を V の部分空間と いう () Œ W fi + ŒW () a は任意のスカラー a ŒW fi aa ŒW (),() は次と同値 Œ W fi の任意の線形結合は W の要素である 即ち 任意のスカラー に対して Σ a k a k ŒW k 例 : R 3 の部分集合 W ( x,y,z) z はR 3 の部分空間である 例 : R 3 の部分集合 W ( x,y,z) x +y +z はR 3 の部分空間である いずれも証明してごらん 張られる空間 基底 次元 r ベクトル空間 部分空間 次元 - -

2 をベクトル空間 V の要素 つまりベクトルとする このとき の線形結 合全体を集めた集合は V の部分空間になる ( 証明してごらん ) この部分空間を で 生成される または張られる空間といい 記号で L す このとき を生成元という 即ち または r L Σ a k a k k は任意のスカラー 例 3: e (,, ),e (,, ),e 3 (,,) とすれば R 3 Le,e,e 3 例 4: (,,- ) (,,-) とすれば L は例 のW である 確認してごらん ベクトル空間 ( または部分空間でもよい ) V が で生成されかつ が線形独立であるとき をベクトル空間 V の基底という V が有限個のベクトルで生 成されるとき その基底の個数は V に固有な値で一定であることが知られている この個数を V の次元 といい 記号で dimv と表す 例 5: dim R 3 3, dim R n n 例 6: 例 の W は dimw である ( 確認してごらん ) ベクトル空間が有限個のベクトルで生成されるとき 有限次元 そうでないとき無限次元であるという 共通部分 和空間 直和 ベクトル空間 V の つの部分空間 W,W に対して 集合としての共通部分 W «W は V の部分 空間になる ( 確認してごらん ) これを W と W の共通部分といい 同じ記号 W «W で表す 例 7: 例 の W 例 の W について W «W は z かつ x+y+z だから x +y と いう条件を満たす R 3 のベクトル ( x,y,z ) 全体だから 始点を原点とすれば終点が直線 y -x 上に あるベクトル全体となる また W に属する任意のベクトルと W に属する任意のベクトル W «W の和全体の集合はやはり V の部分空間になる ( 確認してごらん ) これを W と W の和空間といい 記号で W +W と表す 即ち W +W w +w w Œ W, w ŒW 例 8: 例 の W 例 の W について W +W R 3 になる この証明はなれないとむずかしい 共通部分 和空間とそれぞれの部分空間の次元の関係として次の関係が成り立つ これはとても大切な式であるから覚え 使えるようにすること 証明は省略する dim W +W dimw +dimw -dim W «W 例 9: 例 の W 例 のW について dimw,dimw,dim W «W ( 確認してごらん ) dim W +W +-3 y x と表 だから ベクトル空間 部分空間 次元 - -

3 W と W の和空間でとくに共通部分の要素が零ベクトルだけのとき つまり W «W のとき その和空間を直和といい 記号で W W と表す 例 : W ( x,y,z)z, W 3 ( x,y,z) x y とすればW 3 はR 3 の部分空間 で W «W 3 であり W W 3 R 3 となる ( 確認してごらん ) 例 : W ( x,y,z)x+y+z,w 4 ( x,y,z)xyz とすればW 4 は R 3 の部 分空間で W «W 4 であり W W 4 R 3 となる ( 確認してごらん ) 内積 大きさ ( ノルム ) ベクトル空間 R n の標準内積というものを次のように定義する 左辺が内積を表す記号で 右辺がその計 算式を表す a,,a n,b b,b,,b n Œ R n に対して その標準内積を a b Σ a k b k k n と定義する この内積は以下の 4 つの性質を満たす ( 確認してごらん ) () a b b a () a +bc a c +b c (3) aab aa b a ŒR (4) a a ( 等号成立 a ) この性質の (4) より ベクトルの大きさ ( またはノルムという ) を次のように定義する 左辺が大きさを表 す記号で 右辺がその計算式を表す a aa または記号として a を用いる ノルムという場合は後者の記号を用いることが 多い a b のとき a,b は直交するという Basic: 実は上の 4 つの性質は内積の 公理 である 内積も抽象的な概念で 標準内積以外の内 積も定義することがある その定義は上の 4 つの性質を満たすことが要求される さらにスカラーが複素 数であるベクトル空間では内積の値も複素数であり さらに () のかわりに a b b a が性質と して要求される 右辺は共役複素数である 数学は対象とする もの を集合としてとらえ その集合に 構造 をいれて研究する学問である この スタイルは 構造主義 と呼ばれ 9 世紀末から始まった近代数学をへて現代数学もそのスタイルをと っている この場合 ベクトル空間を考察するとき内積は明確に定義しない限り内積と呼ばれる計算その ものを考えないことにしている 内積が定義された ( 構造として入っている ) ベクトル空間を計量ベクトル 空間とよび 内積が入っていないベクトル空間と明確に区別している 内積を考えなくても成り立つ性質は多くある そのような性質だけを議論するとき いらない内積は構造として入れない 線形独立などは本質的に内積の構造を必要としない概念である 正規直交基底 R n に標準内積および上記大きさの構造を入れる r 個のベクトルの組 がどのベクト ルも零ベクトルでなくかつ異なる つのベクトルが直交するとき を直交系という ベクトル空間 部分空間 次元 - 3 -

4 Claim: が直交系ならば 線形独立である ( 証明してごらん ) が直交系でかつすべてのベクトルの大きさが であるとき これを正規直交系という V がベクトル空間 ( 部分空間でもよい ) で が正規直交系かつ V を生成するとき つ まり V L のとき を V の正規直交基底という 例 : e (,, ),e (,, ),e 3 (,,) とすれば R 3 Le,e,e 3 で明 らかに e,e,e 3 は正規直交系であるから これらは R 3 の正規直交基底である 例 3: 例 4 から (,,- ) (,,-) とすればW L であり この つのベクトルは線形独立である よって は W の基底であるが W の正規直交基底では ない ( 一般の基底から正規直交基底をつくる手順がある これは Gram-Schmidt の直交化法とい われている ) 直交補空間 V を計量ベクトル空間 W をその部分空間とする このとき W の任意のベクトルに垂直な V のベクト ル全体を集めた集合は V の部分空間になる ( 確認してごらん ) これを W の直交補空間といい 記号 で W ^ と表す 即ち W ^ y Œ V x y for every x Œ W Claim: W«W^ ( 証明してごらん ) Claim: V が有限次元 W を V の部分空間とすれば V W W^ 例 4: 例 の W,W 3 で W 3 W ^ である ( 確認してごらん ) 例 5: 例 の W,W 4 で W 4 W ^ である ( 確認してごらん ) V が有限次元のとき V の部分空間 W に対して W^ ^W, また W,W を同じく部分空間と すれば W +W ^ W ^ «W ^, W «W ^ W ^ +W ^ が成り立つ ( 証明してごらん ) V が有限次元 W がその部分空間ならば V W W ^ となるから V の任意のベクトル a は a + ŒW, ŒW ^ と一意 ( ただ一通り ) に表せる このとき を a の W への正射影という 例 6: 例 5 において R 3 W W 4 W W ^ である 一方 例 4 から (,,- ), (,,-) とすれば これらは W の基底となる R 3 の任意のベクトル x ( x,y,z) に対し て x +v とすれば v x - - Œ W ^ W 4 だから x - - a + x x a x + x-z, + y-z これを解けば が求まる ( 最後までやってごらん ) ベクトル空間 部分空間 次元 - 4 -

5 例題例題 : R 3 の部分集合 W ( x,y,z) z はR 3 の部分空間であることを証明せよ [ 証明 ] x,y, Œ W, x,y, Œ W とすれば 任意のスカラー に対して x,y, +x,y, x + x, y + y,œ W 従って W は R 3 の部分空間である 例題 : (,,- ) (,,-) とすればL は例 のW であることを示 せ [ 証明 ] まず W が部分空間であることを示す 例題 と同じように示せばよい x x,y,z Œ W, x x,y,z Œ W とすれば x k +y k +z k ( k,) であるこ とに注意する 任意のスカラー に対して x + x x,y,z +x,y,z x + x, y + y, z + z ここで x + x + y + y + z + z x +y +z +x +y +z x + x ŒW 従って W は R 3 の部分空間である さて 本題に入る W L せばよいことから まず L を示すには つの集合 A,B で A B を証明するには A ÃB かつ B ÃA を示 à W を示す 明らかに Œ W だから上記考察より成り立 つ つぎに W ÃL を示す x ( x,y,z) Œ W とすれば x +y +z より z -x-y x ( x,y,-x-y ) ( x,,-x ) +(,y,-y ) x(,,- ) +y(,,-) x +y Œ L W の任意のベクトルが L のベクトルであることが示されたので W à L つ 従って W L 例題 3: 例 の W は dimw であることを示せ [ 解答 ] 上の例題 から W L い 次関係式 を解く 成分で考えれば が成り立 が示せたので が線形独立であることを示せばよ,,- +,-,- - (,,) 従って は線形独立となり dimw が示せた Remark: W の基底は だけではない x +y +z から y-x-z と考えれば b (,-, ),b (,-,) も基底になる このようにベクトル空間の基底は 通りではないが 有限次元ならばその基底を構成するベクトルの個数は考察しているベクトル空間に固有の値となる ここ から次元の概念が出てくる ベクトル空間 部分空間 次元 - 5 -

6 例題 4: 例 の W 例 の W について W +W R 3 になることを証明せよ [ 証明 ] c (,, ),c (,,) とすれば これは W の基底である 実際 W のベクトル は x ( x,y, ) x(,, ) +y(,,) Œ Lc,c W ÃLc,c また明らかに c,c Œ W だから Lc,c à W W L c,c さらに c,c は明らかに線形独 立である 従って W +W L,c ( は例題 3 にある W の基底 ) 視察から +c -c が成り立つので W +W L,c W +W L,c だから x ŒW +W fi x +g c +g c + +c -c +g c +g c + +g - c + +g c ŒL,c W +W L,c ÃL,c, W +W L,c L,c は明らか,c が線形独立であることは容易に確かめることができる さて W +W à R 3 は明らかだ から W +W R 3 を示す x ( x,y,z) ŒR 3 に対して a +bc +g c x を満たす a,b,g を求めれば a -z,b x+z,g y 即ち x ( x,y,z ) -z(,,- ) +( x+z )(,, ) +y(,,) Œ L,c W +W W +W R 3 以上より W +W R 3 が示せた 例題 5: W ( x,y,z)x+y+z,w 4 ( x,y,z)xyz とすればW 4 はR 3 の 部分空間で W «W 4 であり W W 4 R 3 となることを証明せよ [ 証明 ] d (,,) とすれば明らかに W 4 Ld である よって部分空間である x ( x,y,z) ŒW «W 4 とすれば x +y +z かつ xyz だから容易に x y z が導け る 従って W «W 4 が示せた 例題 4と同じでW W 4 L,dとなり,d は線形独立である つぎに任意の x ( x,y,z) Œ R 3 に対して x a +b +g d を満たすa,b,g を求めれば a ( x -y -z),b ( y -x -z),g ( x +y +z) とな る つまり W W 4 L,d R 3 となり W W 4 R 3 が示せた Remark: V が有限次元で W が V の部分空間ならば V W dimvdimw であることが 知られている 証明は比較的簡単である V W fi dimvdimw は明らか つぎに V W,V W とすれば V のベクトルで W に入らないものがある これを a とすれば W の基底 にこのベクトル加えたものも線形独立である よって dimv>dimw この事実を用いてよいなら例題 4,5 はもっと簡単に証明できる 上の Remark の の部分を証明してごらん ベクトル空間 部分空間 次元 - 6 -

7 例題 6: が直交系ならば 線形独立であることを証明せよ [ 証明 ] が直交系だからi j fi a i a j,a i a i である 次関係式 ++a r a r を考える ++a r a r a i a i 左辺は a i a i a i a i a i だから ai a i, a i より ai これが i,,,r で成り立つから は線形独立である 例題 7: 例題,3 において (,,- ) (,,-) とすれば W L であり は W の基底であった このとき e a, f - e e, e f f とすれば e,e は W の正規直交基底であることを証明せよ [ 証明 ] の成分が与えられているが一般的な証明を となり e e e は と同じ向きの単位ベクトルとなる つぎに f である 示す まず線形独立であるから 従って もし f ならば - e e e e fi f e e e a となり は線形従属になる これは仮定に反する f となったので e は f と同じ向きの単位ベクトルである つぎに e e - f 最後に L e f - e e e Le,e を示す a だから e Œ L f + e 以上より L e e - e f e e また e だから Œ Le,e e e e - a だから f Œ L e ŒL e f e + e e だから Œ Le,e Le,e ++ f ( ) (,,- ) が示せた この場合具体的に e,e を求めてみると (,,- ), a e,,- - (,,- ) -,,- e (-,,-) 6 Basic Points: W が部分空間のとき ŒW ならば L ベクトル空間 部分空間 次元 à W

8 ただし Œ W はすべての が W に属することを表す Remark: から正規直交基底 e,e を作る上の手順が Gram-Schmidt の直交化法 例題 8: W を計量ベクトル空間の部分空間とする このとき W «W ^ を証明せよ [ 証明 ] a Œ W «W ^ とする a ŒW かつ a ŒW ^ だから a a 即ち a となり a W «W ^ 例題 9: 例 の W,W 4 で W 4 W ^ であることを証明せよ [ 証明 ] x ( x,y,z) Œ W ^ とすれば x x だから x -z, y -z x y z W ^ à W 4 一方 d (,,) とすれば例題 5 から W 4 Ld ここで d, d だから W 4 à W ^ Basic Points: WL ならば x Œ W ^ a i x i,,,r 例題 : W,W を有限次元計量ベクトル空間 V の部分空間とすれば W «W ^ W ^ +W ^ が成り立つことを証明せよ ^ [ 証明 ] b b +b ŒW ^ +W ^ b i ŒW i ; i, とする 任意の a Œ W «W に対 して a Œ W, a Œ W だから a b a b +a b + b ŒW «W W ^ +W ^ ÃW «W ^ a ŒW a ŒW と考える 逆はむずかしい 本来なら証明が必要なことを用いるがそこは勘弁 な おここまでの証明は有限次元である仮定を用いていないことに注意せよ,,a p を W «W の正規直交基底 これに加えて,,a p,b,b,,b q を W の正規直交基底 同じく,,a p,c,,c r を W の正規直交基底,,a p,b,b,,b q, c,c,,c r,d,d,,d s を V の正規直交基底とす る ( このように基底をつくることができることを本当なら証明する必要がある ) ^ x ŒW «W とする x ŒV であるから x Σ i p ai a i +Σ j q r bj b j +Σ k s g k c k +Σ l と表せる 任意の a i に対して a i x a i だから a i i,,,p x Σ j b j r Σ k r Σ k q r bj b j +Σ k g k c k +Σ l s g k c k +Σ l s s g k c k +Σ l d l d l r Σ k d l d l s g k c k +Σd l d l l +Σ j j,,,q, c k Σ j q bj b j ここで d l d l q bj b j k,,,r q d l d l ŒW ^, Σ bj b j ŒW ^ j W «W ^ ÃW ^ +W ^ 以上より W «W ^ W ^ +W ^ が示せた 証明の中で述べたが 有限次元を仮定しなくても W ^ +W ^ ÃW «W ベクトル空間 部分空間 次元 ^ は成り立つ ^

9 問題 問題 : ベクトル が線形独立ならば b, b +,, k b k Σ i ( 熊本大 ) r a i,,b r Σa i とするとき b,b,,b r も線形独立であることを証明せよ i 問題 : をベクトル W,W,W をベクトル空間 V の部分空間とするとき 次の 集合が部分空間であることを証明せよ () L () W «W (3) W +W (4) W^ 問題 3: 3 つのベクトル a ( 4,, ),b(,,3 ),c(,-,-3) がある 次の問いに 答えよ ( 東工大 ) () WLa,bとする このとき W ^ を求めよ ( 基底を求めればよい ) () c x +y x ŒW, y ŒW^ である x,y を求めよ ( 答 )() v (,-4,) とすれば W ^ Lv () x ( -,-4,-5),y(,-8,) 問題 4: x (,, ),x (,, ),x 3 (,, ),x 4 ( -,,) について Lx,x L x 3,x 4 であることを証明せよ ( 九大 ) 問題 5: R 3 の部分空間 W ( x,y,z) x +y+z,w ( x,y,z)y+z について W +W, W «W の次元と 組の基底を求めよ ( 岐阜大 ) ( 答 ) (,,- ) (,-, ),a 3 (,,) とすれば W +W L,a 3 R 3, W «W L となる dim W +W 3 dim W «W ちなみに基底はあくまで一例である また W L, W L,a 3 である 問題 6: R 3 の部分空間 W ( x,y,z) x -y -z, W ( x,y,z) x +y -4z について 次の問いに答えよ なお R 3 には標準内積を入れて計量ベクトル空間とする () W,W の 組の基底を求めよ また次元も求めよ () W «W の 組の基底を求めよ また次元も求めよ (3) W ^,W ^ の 組の基底を求めよ また次元も求めよ ^ (4) W «W の 組の基底を求めよ また次元も求めよ ( 答 )() 例えば W の基底は (,, ),b (,, ) dimw W の基底は ( 4,, ),b (,4, ) dimw ベクトル空間 部分空間 次元 - 9 -

10 () 4 +4b 3 +b が成り立つ 左辺は W のベクトル 右辺は W のベクトルだから 4 +4b 3 +b ŒW «W である dim W «W dimw +dimw -dim W +W +-3 よって dim W «W で 組の基底は +b ( 3,,) (3) dimw ^, dimw ^ 基底はそれぞれ c (,-,- ),c (,,-4) (4) W «W ^ W ^ +W ^ Lc,c で c,c は線形独立 dim W «W ^ で 組の基底は c,c 問題 7: 変数 x の 3 次以下の整式全体 ( 係数は実数 ) を P 3;R と表す 通常の関数の和と定 数倍によりP3;R はベクトル空間になる ( これは認める ) このとき 次の問いに答えよ () 関数,x,x,x 3 は P 3;R の基底であることを証明せよ () p() x ŒP3;R,q( x) ŒP3;R に対して内積 p( x) q() x を p() x q() x - p() x q() x dx で定義する ( これが内積の公理を満たすことも認める ) これにより関数 p( x) の大きさ ( ノルム ) を p() x p() x p() x p() x dx と定義する このとき基底,x,x,x 3 - から Gram-Schmidt の直交化法により P3;R の正規直交基底を求めよ ( 答 )() 3 3, x, 5 x - 3, 5 7 x x 補足 : Gram-Schmidt の直交化法について詳しく述べる 例題 7 で つのベクトルからなる基底か ら正規直交基底をつくる方法 ( Gram-Schmidt の直交化法 ) を示したが 一般に r 個のベクトルから なる基底から正規直交基底をつくる方法は次の手順による 考え方は つの場合と同じである : 基底とする f, u f f a k f k f - u f k a k -Σ i Σ i u, u k- a k u i u i, u k f k k - f f Σ i fk k,3, k- a k u i u i はa k のLu,u,,u k- f r a r -Σ i fr r- a r u i u i, u r f r への正射影 ベクトル空間 部分空間 次元 - - a k u i u i Lu,u,,u k-

11 問題 8: W は計量ベクトル空間の部分空間で はその基底とする このとき 上の手 順で作ったベクトル u,u,,u r は W の正規直交基底であることを証明せよ 問題 9: 上の問題 7 と同じ計量ベクトル空間 P 3;R の部分空間 W を W Lx,x このとき 次の問いに答えよ () W ^ の 組の基底を求めよ () h() x 5x 3-7x -x+6 のW への正射影を求めよ ( 答 )() g () x 5x 3-3x, g () x 5x -3 がW ^ の基底 () 3x +x とする 問題 : ベクトル空間 P 3;R の部分空間 W p( x) p() p() の次元と 組の基底 を求めよ ( 答 ) dimw, W Lx 3-7x +6,x -3x+ 問題 : (,,-3,-4 ) (,,,3 ),a 3 (,,, ),a 4 ( 3,4,3,5 ), b( 3,6,,) とする R 4 の部分空間を W L, W La 3,a 4 とするとき R 4 W W が成り立つことを証明せよ また b を W,W のベクトルの和として表せ ( 答 ) 前半は,a 3,a 4 が線形独立であることを示せばよい 後半の答えは b + + 3a 4-4a 3 (,,-5,-5 ) +(,4,5,5) Œ W +W 問題 : すべての項が実数である ( 無限 ) 数列全体 S を考える つの数列 a n, b n に対して 和を a n + b n a n +b n と定義し スカラー倍を a a n aa n a ŒR と定義すれば S はベクトル空間になることが知られている ( これは認める ) このとき S の部分空間 W a n a n+ a +ba n+ -ab a n の次元と 組の基底を求めよ ただし a,b は異 なる実数とする (W が部分空間であることは容易に確認できるので ここではそれを証明しなくて よい ) ( 答 ) dims, 基底は例えばa n, b n ヒント : a n+ a +ba n+ -ab a n は a n+ -aa n+ ba n+ -aa n と変形できる b n a n + -aa n と表せば b n + bb n, b -a つまり b n は初項 -a, 公比 b の等比数列である また a n + -ba n+ aa n+ -ba n とも変形できる これらの問題を解いていくと次のことに気がつく n 次元 ( 抽象 ) ベクトル空間 + 基底 n 次元数ベクトル空間 R n 基底が決まれば任意の ( 抽象的な ) ベクトルはその基底の線形結合で一意に表せる そのときの係数 と R n のベクトルを対応させればよいのである ベクトル空間 部分空間 次元 - -

12 行列の階数 ( 部分空間と次元の観点から ) 行列の階数について部分空間と次元の観点から解説する まず行列を列ベクトルを用いて表すことを考 a ij える A をm n 行列とする 行列を列で区切って考える A の第 j 列成分を列ベクトルとみて a j と表す 即ち a j j j a mj - 例 7: A A とすれば行列 A は A のとき a n と表せる 3,a とすれば a 3 注意 : 最後のところは列ベクトルの括弧を外して考える さて 行列の階数の定義である A a n のとき a j ŒR m ; j,,,n L,,a n rankadiml,,a n Claim: A とその転置行列 t A R m の部分空間 の次元を行列 A の階数といい 記号で ranka と表す つまり の階数は等しい つまり rankarank t A 証明は行列式をもちいるのが普通 よって証明は省略する 別のプリントで解説する A が m n 行列のとき 即ち A a n a j ŒR m ; j,,,n L,,a n は R m の部分空間だから diml,,a n m また,,a n は n 個のベクトルからなるので diml,,a n rankadiml,,a n min{ m,n} まとめて A: m n 型ならば rankamin{ m,n} 6 例題 : A [ 解法 ] Æ Æ の階数を求めよ 3 7 Æ n 以上より のとき 3 行目 - 行目 その後 と 3 行目を交換 行目から 行目の 倍を引く その後 3 行目に 行目を加え 最後に 行目に - を掛ける ( 実はこの時点で ranka という結論がでる ) ベクトル空間 部分空間 次元 - -

13 3 7 Æ 3 Æ 行目を で割った後 行目から 行目の 3 倍を引く A の列ベクトルを左から,a 3,a 4 とすれば 上の結果から a 3 -, a つまり a 3,a 4 が の線形結合で表せ 明らかに は線形独立だか ら rankadiml,a 3,a 4 diml 補足 : なぜ a 3 -,a の関係式が出てくるのか 説明はむずかしいの で手順だけ説明する 変形の最後の状態の a 3 の成分を見てほしい 第 成分とやはり最後の変形の 状態の の第 成分を見比べる 同じようにして第 成分とやはり最後の変形の状態の の第 成 分を見比べる これにより a 3 - という関係式を導く a も同様 a b b 例題 : b a b Ab b a の階数を求めよ a +b a +b a +b [ 解法 ] A Æ b a b b b a 行目および 3 行目を 行目に加える a +b Æ b a -b 列目および 3 列目から 列目を引く ( 注意 ) b a -b a +b,a b のとき Æ となるので ranka3 Æ a +b,a b 即ち a,a -b のとき となるので ranka a +b,a b 即ち a,a b のとき Æ となるので ranka Æ a +b,a b 即ち a b のとき となるので ranka ベクトル空間 部分空間 次元 - 3 -

14 a+b,a b a,a -b まとめて ranka3 a,a b ( a b ) 行列の核これは第 4 章線形写像の話としてするべきであるが 列ベクトルの左から行列を掛けることを線形写像 と ここでは考えて話を展開する A を m n 行列とし 列ベクトルを用いて A a n と表されているとする 各列ベクトルは R m のベクトル さて R n の任意のベクトル x x x x n に対し て R m のベクトル Ax を対応させることを考える 即ち x Æ Ax Σ i n xi a i x +x ++x n a n このようなベクトル全体の集合 n t Ax Σ xi a i x x x x n ŒR n i は R m の部分空間になる ( 確認してごらん ) これを行列 A の像空間といい 記号で ImA と表す 明らかに ImAL,,a n だから A の階数とは A の像空間の次元のことである 話しは変わって Ax となる R n のベクトル x 全体の集合を考えてみる 即ち x Œ R n n Ax Σ xi a i i こんどはこれは R n の部分空間になる ( 確認してごらん ) これを行列 A の核といい 記号で KerA と 表す さらに KerA の次元を記号で nula と表す つまり nuladim( KerA) 記号の意味をまとめてみると rankadim( ImA ), nuladim( KerA) となる さて 次元定理 と呼ばれる重要な定理がつぎのものである A が m n 行列であるとき ranka+nulan (A の列数 ) が成り立つ [ 証明 ] nulak とする 然らば k 個の ImA 線形独立な R n のベクトル u,u,,u k Ker A x Ax が存在して KerALu,u,,u k となる u,u,,u k に n -k 個のベク トル v,v,,v n - k を加えて u,u,,u k,v,v,,v n - k R n R m が R n の基底にすることができる ( この部分は以前も書いたが認める ) R n の任意のベクトルはこれら 基底の線形結合で表すことができ Au i i,,,k だから ベクトル空間 部分空間 次元 - 4 -

15 ImALAv,Av,,Av n-k となる よって Av,Av,,Av n - k が線形独立であること n-k を示せばよい 次関係式 Σ ai Av i Av + Av ++a n-k Av n-k を解くと i Av + Av ++a n - k Av n - k fi A v + v ++a n - k v n - k v + v ++a n - k v n - k ŒKerA となり v + v ++a n - k v n - k は KerA の基底 u,u,,u k の線形結合で表せるが u,u,,u k,v,v,,v n - k は線形独立であるから a n-k つまり Av,Av,,Av n - k は線形独立である rankadim( ImA ) n-k ranka+nula( n-k ) +kn ( 証終 ) 右図は次元定理のイメージである 証明のヒントにもなっている R n Ker A R m ImA 例 8: 例題 において A で ranka であった Ax, t x x y z u を解くと 消去法より A Æ x - z -u, y + z +3u fi x z +u, y - z-u t x z+u - z-u z u t z - KerAL t +u - t - u,u, u よって nula ranka+nula4 t z - z z t, u - t + u -u u ( 線形独立 ) 例題 3: n 行列 A n のとき ImAとKerA の 組の基底を求めよ [ 解答 ] ranka だからdim( ImA ) 明らかに ImAL[] つまり基底は 次元定理から nulan- Ax を解く Ax x +x ++nx n fi x -x -3x 3 --nx n ベクトル空間 部分空間 次元 - 5 -

16 -x -3x 3 --nx n n x x x +x 3 ++x n x 3 x n n 従って KerA の基底は,,, 問題 3: A のとき ImAとKerA の 組の基底を求めよ ( 答 ) ImAL, 3-5, KerAL n 次以下の実数係数の整式全体 Pn;R について次のような問題が編入試験に出題されることが あるので解説する Pn;R の 組の基底として,x,x,,x n を考える p( x) ŒPn;R で p( x ) + x+a 3 x ++a n+ x n のとき このp( x) をR n+ のベクトル x a n+ と考える むずかしく言えば同一視する ( できる ) さてこのとき p( x) に対してその導関数 p'( x) を対 応させることを考えると これは Pn;R からPn-;R への対応になる Pn -;R の 組 の基底を,x,x,,x n - とすれば p( x ) + x+a 3 x ++a n+ x n のとき p'( x ) +a 3 x++na n+ x n- となるから同様にこれを R n のベクトル y na n + a 3 と同 一視すれば x a n+ Æ y na n+ a 3 という R n + から R n への対応が導関数を対応さ ベクトル空間 部分空間 次元 - 6 -

17 せることを表している y Ax を満たす行列 A は n rankan, nula なお ImAL,x,x,,x n -, KerAL[] である となる 例題 4: P3;R から P3;R への対応 p( x ) Æ 答えよ ただし P3;R の基底を,x,x,x 3 とせよ p() x +p( -x) について 次の問いに 4 () p() x Σ ai x i- に対して i を満たす 4 次の正方行列 A を求めよ p( x ) +p( -x) 4 Σ bi x i- とするとき i Hint: 基底,x,x,x 3 がそれぞれどのような関数に写るか () ranka,nula を求めよ また ImA, KerA の 組の基底も求めよ b b b 3 b 4 A x -x [ 解答 ] () Æ, x Æ, x x +x Æ x, x 3 x 3 -x 3 Æ Æ Æ Æ Æ,,, A p() x +p( -x) 注意 : 実は p( x ) Æ がP3;R から P3;R への線形写像 ( 変換 ) で つまり あることをまず示さなければならないが ここではそれには触れないこととした () 明らかに ranka nula4-, ImAL,x, KerALx,x 3 問題 4: P3;R から P3;R への対応 p() x Æ p( x +3) について 次の問いに答え よ ただし P3;R の基底を,x,x,x 3 とせよ a 3 a 4 ベクトル空間 部分空間 次元 - 7 -

18 4 () p() x Σ ai x i- 4 に対して p( x +3 ) i Σ bi x i- とするとき i たす 4 次の正方行列 A を求めよ b b b 3 b 4 A () ranka,nula を求めよ また ImA, KerA の 組の基底も求めよ ( 答 ) () A () ranka4, nula これから基底は明らか a 3 a 4 を満 ベクトル空間 部分空間 次元 - 8 -