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像、核、次元定理

\renewcommand{\b} when command \b does not yet exist; use \newcommand

% 太字のalias
\renewcommand{\b}[1]{\boldsymbol{#1}}
% 演算子の定義
\DeclareMathOperator{\im}{ \text{Im} }
\DeclareMathOperator{\rank}{ \text{rank} }
\DeclareMathOperator{\span}{ \text{Span} }
\DeclareMathOperator{\Ker}{ \text{Ker} }

像 Im\text{Im}

Aで移れる範囲を像\im Aという。値域(range)と言うこともあるらしい。より正確には:

集合XXから集合YYへの写像

f:X⟶Yf: X \longrightarrow Y

におけるXXを 定義域、YYを値域という。

x∈Xx \in Xにy∈Yy \in Yが対応するとき、yyをffによるxxの 像 といい、

y=f(x)y = f(x)

と書く。

xxがXXのすべての元をわたるとき、f(x)f(x)全体の作るYYの部分集合をffの 像 といい、Imf\text{Im} fと表す。

Imf={f(x)∣x∈X}\mathop{\text{Im}} f = \{f(x) \mid x \in X \}

Imf=Y\mathop{\text{Im}} f = Yのとき、ffは 全射 であるという。またx1,x2∈X,x1≠x2x_1, x_2 \in X, x_1 \neq x_2に対してf(x1)≠f(x2)f(x_1) \neq f(x_2)が成り立つとき、ffは 単射 であるという。

Im = Span

数x1,…,xnx_1, \dots, x_nを色々な値にしたときの線形和x_1 \b{a}_1 + \cdots + x_n \b{a}_n = A \b{x}が\im Aであり、\b{a}_1, \dots, \b{a}_nが張る線型部分空間\span \{ \b{a}_1, \dots, \b{a}_n \}でもある

Undefined control sequence: \im at position 1: \̲i̲m̲ ̲A = \span \{ \b…

\im A = \span \{ \b{a}_1, \dots, \b{a}_n \} = x_1 \b{a}_1 + \cdots + x_n \b{a}_n = A\b{x}

核

Ax=0A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0}に移ってくるようなx\boldsymbol{x}の集合をAAの 核(kernel) あるいは 零空間(null space) と呼び、KerA\mathop{ \text{Ker} } Aと書く

KerA={x∣Ax=0}\mathop{ \text{Ker} } A = \{ \boldsymbol{x} \mid A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} \}

核はベクトル空間であり、その次元は 退化次数(nullity)とも呼ばれる(つまり、\dim \Ker A = \mathop{\text{nullity}} A)

幾何学的な解釈としては、カーネルは写像AAで結果がぺちゃんこに潰される方向。 ぺちゃんこに潰れない行列の場合、\Ker Aは0次元(原点0\boldsymbol{0}のみ)

ランク

m×nm\times n行列AAに対し、AAが定義する線形写像

A:Rn→RmA: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^m

の像空間の次元のことを ランク(階数) といい、\rank Aと表す。

Undefined control sequence: \rank at position 1: \̲r̲a̲n̲k̲ ̲A := \dim \im A…

\rank A := \dim \im A
= \dim \span\{ \boldsymbol{a}_1, \dots, \boldsymbol{a}_n \}

A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m\times n}なら、mm次元の定義域からnn次元の値域に移す写像なので、

Undefined control sequence: \rank at position 1: \̲r̲a̲n̲k̲ ̲A \leq m\\
\ran…

\rank A \leq m\\
\rank A \leq n\\
\therefore \rank A \leq \min (m,n)

ランクの求め方

線形写像を定める行列に行基本変形を行って階段行列を作ったとき、零ベクトルでない行の数がランクに相当する。

例(ランクの求め方)

3次実正方行列AAにより定められる線形写像f(x)=Ax (x∈R3)f(x) = Ax \ (x\in \mathbb{R}^3)があるとする。

ここでAAは

A=(123234345)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3\\ 2 & 3 & 4\\ 3 & 4 & 5\\ \end{pmatrix}

とする。この線形写像ffのランク(行列AAのランク)を求めたいとする。

1. 行基本変形で階段行列を作る

1行目を2倍して2行目から引く

(1230−1−2345)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3\\ 0 & -1 & -2\\ 3 & 4 & 5\\ \end{pmatrix}

1行目を3倍して3行目から引く

(1230−1−20−2−4)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3\\ 0 & -1 & -2\\ 0 & -2 & -4\\ \end{pmatrix}

2行目を2倍して3行目から引く

(1230−1−2000)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3\\ 0 & -1 & -2\\ 0 & 0 & 0\\ \end{pmatrix}

階段行列になった。

2. 零ベクトルでない行ベクトルの数を数える

零ベクトルでない行の数は2であるので、rank⁡f=rank⁡A=2\operatorname{rank} f = \operatorname{rank} A = 2

2

次元

ベクトル空間の1次独立なベクトルの最大個数を次元という

次元定理

m×nm\times n行列AAについて、

Undefined control sequence: \Ker at position 6: \dim \̲K̲e̲r̲ ̲A + \dim \im A …

\dim \Ker A + \dim \im A = n

が成り立つ。

Undefined control sequence: \Ker at position 59: …derbrace{ \dim \̲K̲e̲r̲ ̲A }_{ぺちゃんこに潰れる次…

\begin{align}
\underbrace{ n }_{元の次元}
- \underbrace{ \dim \Ker A }_{ぺちゃんこに潰れる次元}
= \underbrace{ \dim \im A }_{残った次元}
\end{align}

次元定理(線形写像ver.)

nn次元ベクトル空間XXとmm次元ベクトル空間YYがあるとして、

f:X→Yf: X \to Y

を線形写像とすると、次元定理は以下のように表される。

dim⁡Imf+dim⁡Kerf=dim⁡X\dim \mathop{\text{Im}} f + \dim \mathop{\text{Ker}} f = \dim X

また

  • rankf=dim⁡Imf\mathop{\text{rank}} f = \dim \mathop{\text{Im}} f

  • nullityf=dim⁡Kerf\mathop{\text{nullity}} f = \dim \mathop{\text{Ker}} f

  • n=dim⁡Xn = \dim X

から、同値の定理として

rankf+nullityf=n\mathop{\text{rank}} f + \mathop{\text{nullity}} f = n

とも表される