実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像の行列表示と標準化
・定理:標準基底に関する一次写像の行列表示/一次写像の行列と基本ベクトルのうつしかたの関連/任意基底に関する一次写像の行列表示/一次写像の行列表示の標準形/一次写像の合成写像と行列
・定理:標準基底に関する一次変換の行列表現/任意の基底に関する一次変換の行列表現/一次変換の行列表示の標準形は得られない/

※関連ページ:
 ・一次写像「f:Rn→Rm」と行列の関係について:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像/基底変換と一次写像の行列表示/  
 ・一般化:一般の実ベクトル空間のあいだの一次写像の行列表示と標準化 
 ・具体化:実2次元数ベクトル空間R2上の一次変換の行列表示と標準化    
※線形代数目次・総目次


定理:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像・線形写像の、標準基底に関する行列表示

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
A:(m,n)型実行列 
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
v:実n次元縦ベクトル。
Rm:実m次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rm=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vm)|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvm∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
  ただし、Rmに属すすべての実m次元数ベクトルは、m次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。

[文献−線型代数]
・佐武『線形代数学』�T§4定理2(pp.17-18):数ベクトル空間限定。証明つき。
・木村『線形代数:数理科学の基礎』3.4(p.58)
・永田『理系のための線形代数の基礎』(p.26-7);
・斎藤『線形代数入門』2章§3(pp.44-6);
・佐武『線形代数学』�T§4(pp.17-19);
・志賀『線形代数30講』7講:R2→R2; (pp.42-5);10講:R3→R3; (p.63);12講(p.77):R2→R3;
・ホフマン・クンツェ『線形代数学I』3.4例13(p.91);
[文献−解析学]
・松坂『解析入門4』15.1-E命題11(p.10);F注(p.13);標準基底に関する表現行列

※特殊例:標準基底に関する一次変換の行列表示 
※一般化:
 ・数ベクトル空間のあいだの一次写像の、任意基底に関する行列表示 
 ・実ベクトル空間のあいだの一次写像の行列表示
※発展事項:一次写像の行列表示の標準形/基底変換行列/基底変換公式  
本論1 実n次元数ベクトル空間Rnから実m次元数ベクトル空間Rmへの
任意の一次写像f:Rn→Rmにたいして、
  (∀v∈Rn) ( f (v)=(Av) )
を満たす(m,n)型実行列Aが一意的に存在する。 
証明 ※なぜ?→佐武『線形代数学』�T§4定理2の前段(pp.17-18)
本論2 (m,n)型実行列Aを用いて、
実n次元数ベクトル空間Rnから、実m次元数ベクトル空間Rmへの写像f:Rn→Rmを、
次式で定義する。   
  任意の実n次元縦ベクトルv∈Rnにたいして、f (v)=(Av) 
つまり、
Rnの元である実n次元数ベクトルvを、Rmの元である実m次元数ベクトル(Av)にうつす写像を、
写像f:Rn→Rm として定義する  
     *Aは(m,n)型実行列、vは実n次元縦ベクトル(つまり、(n,1)型実行列)だから、
      行列積の定義により、(Av)は、実m次元数ベクトル(つまり、(m,1)型実行列)となる。
すると、
任意の(m,n)型実行列Aに対して、
  (∀v∈Rn) ( f(v)=(Av) )で定義した写像f:Rn→Rm は、一次写像となる。
 
証明 ※なぜ?→佐武『線形代数学』�T§4定理2の前段(p.17)
本論3 ・上記の(m,n)型実行列Aを、
  「一次写像fに対応する行列」、「一次写像fの行列」、
 厳密には、
  「Rnの標準基底{ e1, e2, …, en }, Rmの標準基底{ e1, e2, …, em }に関する一次写像fの表現行列」
 などと呼ぶ。
 上記の一次写像fを、「Aによって定義される一次写像」などと呼ぶ。
・「Rnの標準基底{ e1, e2, …, en }, Rmの標準基底{ e1, e2, …, em }に関する一次写像fの表現行列」が、
 「任意基底に関する一次写像fの表現行列」といかなる関係にあるのかは、
 基底変換公式を参照せよ。
※特殊例:標準基底に関する一次変換の行列表示 
※一般化:
 ・数ベクトル空間のあいだの一次写像の、任意基底に関する行列表示 
 ・実ベクトル空間のあいだの一次写像の行列表示
※発展事項:一次写像の行列表示の標準形/基底変換行列/基底変換公式  
→[トピック一覧:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像の表現行列]
→線形代数目次・総目次

 
定理:行列によって定義される一次写像は、基本ベクトルをどのように写すか

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
A:(m,n)型実行列 
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
v:実n次元縦ベクトル。
Rm:実m次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rm=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vm)|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvm∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
  ただし、Rmに属すすべての実m次元数ベクトルは、m次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。


[文献−線型代数]
・永田『理系のための線形代数の基礎』1.4行列と一次写像:注意1(p.29);
・志賀『線形代数30講』7講:R2上の一次変換のケース(p.44)
[文献−解析学]
・松坂『解析入門4』15.1-E命題11 (p.10)

本論 (m,n)型実行列  
      
によって定義された一次写像を、f:Rn→Rmで表すと、  
Rnの基本ベクトルe1, e2, …, enのfによる像 f(e1) , f(e2) , …, f(en) ∈Rm は、  
  
  
   :
  
となる。
 
証明 ※なぜ?→行列と基本ベクトルとの積。
 
→[トピック一覧:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像の表現行列]
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定理:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像・線形写像の、任意基底に関する行列表示・行列表現

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
A:(m,n)型実行列 
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
{ p1, p2, …, pn }:Rnの基底をなす実n次元数ベクトルの集合  
Rm:実m次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rm=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vm)|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvm∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
  ただし、Rmに属すすべての実m次元数ベクトルは、m次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
{ q1, q2, …, qm }:Rmの基底をなす実m次元数ベクトルの集合  

     

※特殊例:
 ・標準基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示
 ・任意基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示 
 ・標準基底に関する一次写像f:Rn→Rmの行列表示 
※一般化: 
 ・実ベクトル空間のあいだの一次写像の行列表示
※発展事項:一次写像の行列表示の標準形/基底変換行列/基底変換公式  
本論1 Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}と、
一次写像「f:Rn→Rm」にたいして、 
  f (p1)=a11q1+a21q2+…+am1qm   
  f (p2)=a12q1+a22q2+…+am2qm   
   :     : 
  f (pn)=a1nq1+a2nq2+…+amnqm   
を満たす(m,n)型実行列 
      
が一意的に存在する。 
 ※
  |f (p1)=a11q1+a21q2+…+am1qm
  |f (p2)=a12q1+a22q2+…+am2qm   
  | :     : 
  |f (pn)=a1nq1+a2nq2+…+amnqm   
 を、行列の乗法風に、
   
 と書く簡便法が、頻繁に用いられる。 
 この簡便法を用いると、上記の命題は、次のように、簡潔に表せる。
  | Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}と、一次写像「f:Rn→Rm」にたいして、
  |      f (p1, p2, …, pn)=(q1, q2, …, qm)A  
  | を満たす(m,n)型実行列Aが一意的に存在する 
   
※ポイント
 一次写像「f :Rn→Rm」の行列表示は、
  Rnの基底のとりかた, Rmの基底のとりかたの二点から、定まる。
 これに対して、
 一次変換の行列表示は、Rnの基底のとりかたのみから、定まる。
 この違いは、
 基底の取り替えが、行列表示に及ぼす影響を、
 考察する際に、重要になる。
証明 ※なぜ?→証明
 
本論2 Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}と、
(m,n)型実行列
  
にたいして、 
  f (p1)=a11q1+a21q2+…+am1qm   
  f (p2)=a12q1+a22q2+…+am2qm   
   :     : 
  f (pn)=a1nq1+a2nq2+…+amnqm   
を満たす一次写像「f:Rn→Rm」がきまる。   
※
  |f (p1)=a11q1+a21q2+…+am1qm
  |f (p2)=a12q1+a22q2+…+am2qm   
  | :     : 
  |f (pn)=a1nq1+a2nq2+…+amnqm   
 を、行列の乗法風に、
   
 と書く簡便法が、頻繁に用いられる。 
 この簡便法を用いると、上記の命題は、次のように、簡潔に表せる。
  | Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}と、
  | (m,n)型実行列Aにたいして、
  |      f (p1, p2, …, pn)=(q1, q2, …, qm)A  
  | を満たす一次写像「f:Rn→Rm」がきまる 
    

証明 ※なぜ?→証明
本論3 ・上記の(m,n)型実行列Aを、
 「Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}
                   
  に関する一次写像fの行列表示」  
 「Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}
                     
に関する一次写像fの表現行列」  
 「Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}
                     を
定めたとき一次写像fに対応する行列」
 などと呼ぶ。
・(m,n)型実行列Aが、
 「『Rnの基底』α={ p1, p2, …, pn },『Rmの基底』β={ q1, q2, …, qm }
                        
に関する一次写像fの表現行列」
 であることを、  
  
 という記号で表すことがある。
・「Rnの基底{ p1, p2, …, pn }、Rmの基底{ q1, q2, …, qm}
                      
に関する一次写像fの行列表示」
 が、
 「標準基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示」
 と、いかなる関係にあるかは、
 基底変換公式を見よ。
※特殊例:
 ・標準基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示
 ・任意基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示 
 ・標準基底に関する一次写像f:Rn→Rmの行列表示 
※一般化: 
 ・実ベクトル空間のあいだの一次写像の行列表示
※発展事項:一次写像の行列表示の標準形/基底変換行列/基底変換公式   
※ このように「一次写像f : Rn→Rm」の行列表示は、Rnの基底のとりかた, Rmの基底のとりかたの二点から、定まる。
これに対して、一次変換の行列表示は、Rnの基底のとりかたのみから、定まる。
この違いは、基底の取り替えが、行列表示に及ぼす影響を、
考察する際に、重要になる。
本論4 [一次写像y=f (x)の行列表現]
・実n次元数ベクトル空間Rn に属す任意の実n次元数ベクトルxは、
  『Rnの基底』α={ p1, p2, …, pn }の一次結合として一意的に表せる(∵基底の定義)。
 つまり、
  任意のx∈Rnに対して、ある実数x1 , x2 ,…, xnが一意に存在して、
    x=x1 p1+x2 p2+…+xn pn 
  を満たす。
 この実数の組(x1 , x2 ,…, xn) の縦ベクトルを、
  xの《Rnの基底α={ p1, p2, …, pn }》に関する座標ベクトルと呼び、
   [x]α 
  と表す。
・実m次元数ベクトル空間Rmに属す任意の実m次元数ベクトルyは、
  『Rmの基底』β={ q1, q2, …, qm }の一次結合として一意的に表せる(∵基底の定義)。
 つまり、
  任意のy∈Rmに対して、ある実数y1 , y2 ,…, ymが一意に存在して、
    y = y 1 q1+ y 2 q2+…+ y m qm 
  を満たす。
 この実数の組(y1 , y2 ,…, ym)の縦ベクトルを、
  yの《Rmの基底β={ q1, q2, …, qm }》に関する座標ベクトルと呼び、
   [y]β 
  と表す。
・すると、一次写像y=f (x)は、
  xの《Rnの基底α={ p1, p2, …, pn }》に関する座標ベクトル [x]α
  yの《Rmの基底β={ q1, q2, …, qm}》に関する座標ベクトル [y]β
 「『Rnの基底』α={ p1, p2, …, pn },『Rmの基底』β={ q1, q2, …, qm }
                        
に関する一次写像fの表現行列」
 を用いて、
  [y]β=A [x]α 
 と表せる。
 
 

※なぜ?
・
y=f (x)= f (x1 p1+x2 p2+…+xn pn)   ∵基底の定義 
  
= x1 f (p1) + x2 f (p2) +…+xn f (pn )  ∵一次写像の定義 
  
= x1 (a11q1+a21q2+…+am1qm) +x2 (a12q1+a22q2+…+am2qm) +…+xn (a1nq1+a2nq2+…+amnqm)  ∵一次写像の行列表現[本論1] 
  
= (a11 x1q1+a21 x1q2+…+am1 x1qm) + (a12 x2q1+a22 x2q2+…+am2 x2qm) +…+ (a1n xn q1+a2n xn q2+…+amn xn qm)  
  
= (a11 x1q1 +a12 x2q1+…+a1n xn q1) + (a21 x1q2+ a22 x2q2+…+a2n xnq2) +…+ (am1 x1qm+am2 x2qm+…+amn xnqm) 
  
= (a11 x1 +a12 x2+…+ a1n xn) q1 + (a21 x1+ a22 x2+…+ a2n xn) q2+…+ (am1 x1+am2 x2+…+amn xn) qm 
 他方
・
y=y1q1+y2q2+…+ymqm   ∵基底の定義 
・上記二点から、
 
y1q1+y2q2+…+ymqm=(a11 x1 +a12 x2+…+ a1n xn) q1 + (a21 x1+ a22 x2+…+ a2n xn) q2+…+ (am1 x1+am2 x2+…+amn xn) qm 
 つまり、
 
y1=a11 x1 +a12 x2+…+ a1n xn 
 
y2=a21 x1+ a22 x2+…+ a2n xn
 :
 
ym=am1 x1+am2 x2+…+amn xn 
 
(y1 , y2 ,…, ym)の縦ベクトルを[y]βで表し、(x1 , x2 ,…, xn) の縦ベクトルを[x]βで表し、
  
 と置くと、
 これは、
  
[y]β=A [x]α 
 に他ならない。
 


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定理:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像の行列表示の標準形

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、
      n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
Rm:実m次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rm=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vm)|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvm∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
  ただし、Rmに属すすべての実m次元数ベクトルは、
      m次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
「f : Rn→Rm」:RnからRmへの一次写像 
rank f :一次写像 f の階数

[文献]
・志賀『線形代数30講』26講(pp.164-6);

※一般化:実ベクトル空間のあいだの一次写像の標準形
本論1 一次写像「f : Rn→Rm」には、
   f (p1)=q1, f (p2)=q2, …, f (prankf )=qrankf , f (prankf+1)=0, f (prankf+2)=0,…, f (pn)=0  
を満たす
 『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }、『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm }
が存在する。 

証明 ※なぜ?→証明 
本論2 したがって、
[本論1]で存在が示された、『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }、『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm }をとると、
これらの基底に関する一次写像fの行列表示は、 
     
となる。
ただし、
この行列D (m,n, rankf )は、 (m,n)型実行列であって、
   (1,1)成分, (2,2)成分, …, (rank f,rank f)成分という(rank f )個の成分が1  
   それ以外の成分はすべて0 
となる行列を表すものとする。 
Cf.一次変換の行列表示のケースでは、うまく標準化できない。
  →一次変換の行列表示の標準化の問題 
※ここで利用されている事項:基底に関する一次写像fの行列表示  
 

※なぜ?
 ・一般に、
  「『
Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }、『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm}に関する一次写像f:Rn→Rmの行列表示」とは、
    
f (p1)=a11q1+a21q2+…+am1qm   
    
f (p2)=a12q1+a22q2+…+am2qm   
     :     : 
    
f (pn)=a1nq1+a2nq2+…+amnqm   
  を満たす
(m,n)型実行列 
    
  と定義された(→
任意基底に関する一次写像の行列表示)。
 ・「
f (p1)=q1, f (p2)=q2, …, f (prankf )=qrankf , f (prankf+1)=0, f (prankf+2)=0,…, f (pn)=0 」 
  を満たす『
Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }、『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm }とは、
    
f (p1)=a11q1+a21q2+…+am1qm   
    
f (p2)=a12q1+a22q2+…+am2qm   
     :     : 
    
f (pn)=a1nq1+a2nq2+…+amnqm   
    
a11=a22=…=arankfrankf=1
    
a11,a22,…,arankfrankfを除く係数は全て零
  を満たす『
Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }、『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm }である。
 ・したがって、  

  「『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }、『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm}に関する一次写像f:Rn→Rmの行列表示」
    
  は、
   
(1,1)成分, (2,2)成分, …, (rank f,rank f)成分という(rank f )個の成分が1  
   それ以外の
成分はすべて0 
  となる行列
D (m,n, rankf )になる。 


   

※ [階数との関連]
少なくとも上記の基底に関する一次写像fの行列表示D (m,n, rankf )の階数は、
一次写像fの階数(rank f )と等しいことが確認できる。 
では、他の基底に関する一次写像fの行列表示の階数も、  
一次写像fの階数に等しいといえるのだろうか。
⇒一次写像の階数と行列の階数の関係 
 
本論3 「『Rnの標準基底』{ e1, e2, …, en },『R mの標準基底』{ e'1, e'2, …, e'm }に関する一次写像fの行列表示」Aにたいして、
ある実行列P,Qが存在し、
  
を満たす。
ただし、
この行列D (m,n, rankf )は、 (m,n)型実行列であって、
   (1,1)成分, (2,2)成分, …, (rank f,rank f)成分という(rank f )個の成分が1
   それ以外の成分はすべて0
となる行列を表すものとする。

※一次変換の行列表示のケースとの違い: 
※ここで利用されている事項:
   基底に関する一次写像fの行列表示/基底変換の行列/基底変換公式 
 
証明

※なぜ?
 ・「『
Rnの標準基底』{ e1, e2, …, en },『R mの標準基底』{ e'1, e'2, …, e'm }に関する一次写像fの行列表示」をAとおく。
 ・『
Rnの標準基底』{ e1, e2, …, en },から、[本論1]で存在が示された『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }へ変える基底変換行列が一意的に存在し(∵)、
  これを、
Pとおく。Pは正則行列である(∵)。
 ・
{ e'1, e'2, …, e'm } から、1.で存在が示された『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm }へ変える基底変換行列が一意的に存在し(∵)、
  これを、
Qとおく。Qは正則行列である(∵)。
 ・
基底変換公式より、「『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn },『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm }に関する一次写像fの行列表示」は、Q−1AP。
 また、
[本論2]より、「『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn },『Rmの基底』{ q1, q2, …, qm }に関する一次写像fの行列表示」は、
   
    
 したがって、
   
Q−1AP= D (m,n, rankf ) 
 が成り立つ。


→[トピック一覧:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像の表現行列]
→線形代数目次・総目次
   

定理:実n次元数ベクトル空間Rn上の一次変換の、標準基底に関する行列表示


設定


この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
A:(m,n)型実行列 
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
v:実n次元縦ベクトル

[文献−線型代数]
・志賀『線形代数30講』7講:R2上の一次変換のケース(pp.42-5)10講(p.63);
・佐武『線形代数学』�T§4(p.20)
[文献−解析学]
・松坂『解析入門4』15.1-E命題11(p.10);F注(p.13); 18.1-A (pp.84-5);標準基底に関する表現行列
 

本論1

実n次元数ベクトル空間Rn上の任意の一次変換「f:Rn→Rn」にたいして、   
  (∀v∈Rn) ( f (v)=(Av) ) 
を満たすn次正方行列Aが一意的に存在する。 

本論2

n次正方行列Aを用いて、
実n次元数ベクトル空間Rnから実n次元数ベクトル空間Rnへの写像f:Rn→Rnを、
次式で定義する。
  任意の実n次元縦ベクトルv∈Rnにたいして、f (v)=(Av) 
つまり、
実n次元縦ベクトルvを、実n次元数ベクトル(Av)にうつす写像を、
写像f:Rn→Rnとして定義する  
     *Aはn次正方行列、vは実n次元縦ベクトル(つまり、(n,1)型実行列)だから、
      行列積の定義により、(Av)は、実n次元数ベクトル(つまり、(n,1)型実行列)となる。
すると、
任意のn次正方行列Aに対して、
  (∀v∈Rn) ( f (v)=(Av) )で定義した写像「f:Rn→Rn」は、一次変換となる。
 
本論3 ・上記のn次正方行列Aを、
  「一次変換fに対応する行列」、「一次変換fの行列」、
 厳密には、
  「Rnの標準基底{ e1, e2, …, en }に関する一次変換fの表現行列」
 などと呼ぶ。
 上記の一次変換fを、「Aによって定義される一次変換」などと呼ぶ。
・「Rnの標準基底{ e1, e2, …, en }に関する一次変換fの表現行列」が、
 任意基底に関する一次変換fの表現行列と、
 いかなる関係にあるかは、
 基底変換公式を見よ。  
※具体例:R2上の一次変換の標準基底に関する行列表示  
※一般化: 
 ・任意基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示 
 ・標準基底に関する一次写像f:Rn→Rmの行列表示 
 ・任意基底に関する一次写像f:Rn→Rmの行列表示
 ・実ベクトル空間のあいだの一次写像の行列表示  
※発展事項:一次変換の行列表示の標準形/基底変換の行列  
図解
[図解:2次正方行列によって定義される一次変換の挙動]
2次正方行列
( )
によって定義される一次変換の挙動は、x-y平面上に、以下のように図示できる。

R2上の一次変換の挙動の図示


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定理:任意の基底に関する一次変換の行列表示・行列表現

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、
   Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }
  に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、
       n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする
{ p1, p2, …, pn }:Rnの基底をなす実n次元数ベクトルの集合


[文献]
・松坂『解析入門4』15.1-E命題11(p.10);F注(p.13); 18.1-A (pp.84-5);

※具体例―基底の具体化:
 ・標準基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示
※具体例―Rnの具体化:
 ・R2上の一次変換の任意基底に関する行列表示  
※一般化: 
 ・任意基底に関する一次写像f:Rn→Rmの行列表示
 ・実ベクトル空間のあいだの一次写像の行列表示  
※発展事項:
 ・一次変換の行列表示の標準形
 ・基底変換の行列
 ・基底変換公式


本論1 Rnの基底{ p1, p2, …, pn }と、一次変換「f:Rn→Rn」にたいして、 
   f (p1)=a11 p1+a21 p2+…+an1 pn
   f (p2)=a12 p1+a22 p2+…+an2 pn   
   :     : 
   f (pn)=a1n p1+a2n p2+…+ann pn   
を満たす実n次正方行列
     
が一意的に存在する。 
 ※
  | f (p1)=a11 p1+a21 p2+…+an1 pn   
  | f (p2)=a12 p1+a22 p2+…+an2 pn   
  | :     : 
  | f (pn)=a1n p1+a2n p2+…+ann pn   
 を、行列の乗法風に、
   
 と書く簡便法が、頻繁に用いられる。
 この簡便法を用いると、上記の命題は、次のように、簡潔に表せる。   
      | Rnの基底{ p1, p2, …, pn }と、一次変換「f:Rn→Rn」にたいして、 
      |      f (p1, p2, …, pn)=(p1, p2, …, pn)A  
      | を満たす実n次正方行列Aが一意的に存在する 

本論2 Rnの基底{ p1, p2, …, pn }と、
実n次正方行列
    
にたいして、
   f (p1)=a11 p1+a21 p2+…+an1 pn
   f (p2)=a12 p1+a22 p2+…+an2 pn   
   :     : 
   f (pn)=a1n p1+a2n p2+…+ann pn   
 を満たす一次変換「f:Rn→Rn」がきまる。   
※      

  | f (p1)=a11 p1+a21 p2+…+an1 pn   
  | f (p2)=a12 p1+a22 p2+…+an2 pn   
  | :     : 
  | f (pn)=a1n p1+a2n p2+…+ann pn  
 を、行列の乗法風に、
   
 と書く簡便法が、頻繁に用いられる。
  (数ベクトル空間のケースだと、便利さが引き立つらしい) 
 この簡便法を用いると、上記の命題は、次のように、簡潔に表せる。   
      | Rnの基底{ p1, p2, …, pn }と、実n次正方行列Aにたいして、 
      |      f (p1, p2, …, pn)=(p1, p2, …, pn)A   
      | を満たす一次変換「f:Rn→Rn」がきまる。 

   

証明 ※なぜ?→証明
本論3 ・上記の実n次正方行列Aを、 
  基底{ p1, p2, …, pn }に関する一次変換fの行列表示、  
  基底{ p1, p2, …, pn }に関する一次変換fの表現行列、  
  基底{ p1, p2, …, pn }を定めたとき一次変換fに対応する行列  
 などと呼ぶ。
・基底{ p1, p2, …, pn }に関する一次変換fの表現行列が、
 標準基底に関する一次変換fの表現行列と、
 いかなる関係にあるかは、
 基底変換公式を見よ。  
 
※発展事項:一次変換の行列表示の標準化の問題/基底変換の行列/基底変換公式 
※具体例―基底の具体化:
 ・標準基底に関する一次変換f:Rn→Rnの行列表示
※具体例―Rnの具体化:
 ・R2上の一次変換の任意基底に関する行列表示    

※

要するに、

「『Rnの基底』α={ p1, p2, …, pn }, 『Rmの基底』β={q1, q2, …, qm}に関する一次写像『f: Rn→Rm』の表現行列」
   
のうち、
  [条件1] n=mであること、
  [条件2] 『Rmの基底』β={ q1, q2, …, qm }が、α={ p1, p2, …, pn  }であること
を満たす特殊例
  すなわち、

   「『Rnの基底』α={ p1, p2, …, pn }, 『Rnの基底』α={ p1, p2, …, pn }に関する一次写像『f: Rn→Rn』の表現行列」
    
が、
「基底{ p1, p2, …, pn }に関する『一次変換f: Rn→Rn』の表現行列」
に他ならない。  


本論4 [一次変換y=f (x)の行列表現]
・実n次元数ベクトル空間Rnに属す任意の実n次元数ベクトルxは、
 『Rnの基底』α={ p1, p2, …, pn }の一次結合として一意的に表せる(∵基底の定義)。
 したがって、
  任意のx∈Rnに対して、ある実数x1 , x2 ,…, xnが一意に存在して、
    x=x1p1+x2p2+…+xnpn 
  を満たす。
 この実数の組(x1,x2,…,xn) の縦ベクトルを、
  xの《Rnの基底α={ p1, p2, …, pn }》に関する座標ベクトルと呼び、
   [x]α 
  と表す。
  また、
  任意のy∈Rnに対しても、ある実数y1,y2,…,ynが一意に存在して、
    y=y1p1+y2p2+…+ynpn 
  を満たす。
 この実の組(y1,y2,…,yn)の縦ベクトルを、
  yの《Rnの基底α={ p1, p2, …, pn }》に関する座標ベクトルと呼び、
   [y]α 
  と表す。
・すると、一次変換y=f (x)は、
   xの《Rnの基底α={ p1, p2, …, pn }》に関する座標ベクトル [x]α 
   yの《Rnの基底α={ p1, p2, …, pn }》に関する座標ベクトル [y]α 
   《Rnの基底α={ p1, p2, …, pn }》に関する一次変換fの表現行列A
 を用いて、
  [y]α=A[x]α 
 と表せる。
[文献]
・斎藤『線形代数入門』4章§5(p.117);
→[トピック一覧:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像の表現行列]
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定理:一次変換の行列表示の標準形は得られない

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
   すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする
「f:Rn→Rn」:一次変換 
rank f :一次変換 f の階数

[文献−線型代数]
・志賀『線形代数30講』26講(pp.166-167);
・斎藤『線形代数入門』4章§5 (p.117);
本論1 一次変換「f:Rn→Rn」には、
   f (p1)= p1 , f (p2)= p2, …, f (prankf )=prankf , f (prankf+1)=0, f (prankf+2)=0,…, f (pn)=0 
を満たす
『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }
が存在する
とはいえない。 
証明  
本論2 したがって、
ある 『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn } をとると、
これらの基底に関する一次変換fの行列表示は、 
   
となる
とはいえない。
なお、
この行列D(n,n,rankf )は、(n,n)型実行列であって、
   (1,1)成分, (2,2)成分, …, (rank f, rank f)成分という(rank f )個の成分が1  
   それ以外の成分はすべて0 
となる行列を表すものとする。 

Cf 
※ここで利用されている事項:基底に関する一次変換fの行列表示 

※一次写像一般では、一次写像の行列表示の標準形が得られるのに、
 なぜ、ここで、一次変換の行列表示の標準形が得られなくなるのか?
 [・志賀『線形代数30講』20講Teatime(p.131);26講(pp.164-167);
   斎藤『線形代数入門』4章§5 (p.117);]

 

本論3 「『Rnの標準基底』{ e1, e2, …, en },『Rmの標準基底』{ e'1, e'2, …, e'm }に関する一次変換fの行列表示」Aにたいして、
ある実行列Pが存在し、
    
を満たす
とはいえない。

※一次変換の行列表示のケースとの違い: 
※ここで利用されている事項:
   基底に関する一次変換fの行列表示/基底変換の行列/基底変換公式 
 
本論4

ところが、
ある種の一次変換「f:Rn→Rn」には、
   f (p1)=λ1 p1, f (p2)=λ2 p2, …, f (pn)=λn pn (λ1,λ2,…,λnはfの固有値)
を満たす 『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn } が存在する。

したがって、
ある種の一次変換「f:Rn→Rn」に対して、
ある 『Rnの基底』{ p1, p2, …, pn }をとると、
これらの基底に関する一次変換fの行列表示は、

となる。
だから、
ある種の一次変換「f:Rn→Rn」については、
「『Rnの標準基底』{ e1, e2, …, en } に関する一次変換fの行列表示Aにたいして、
ある実行列Pが存在し、
 P−1AP= diag(λ1,λ2,…,λn) 
を満たす。
そこで、一次変換では、
標準化にかわって、このようなかたちに変形することが課題として浮上する。
一次変換の行列表示を、このようなかたちにできることを対角化可能といい、
一次変換の行列表示が対角化可能となる条件を求める問題は、固有値問題と呼ばれる。

 
→[トピック一覧:実n次元数ベクトル空間から実m次元数ベクトル空間への一次写像の表現行列]
→線形代数目次・総目次
   

 
定理:実行列との乗法による一次写像の合成写像

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
A:(m,n)型実行列 
B:(l,m)型実行列 
v:実n次元縦ベクトル。
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rn=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vn )|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvn∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 
  ただし、Rnに属すすべての実n次元数ベクトルは、n次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
Rm:実m次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rm=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vm)|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvm∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
  ただし、Rmに属すすべての実m次元数ベクトルは、m次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
Rl:実l次元数ベクトル空間。 
  すなわち、Rl=R×R×…×R={ ( v1, v2, …, vl)|v1∈Rかつv2∈Rかつ…かつvl∈R }に、
        ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
  ただし、Rlに属すすべての実l次元数ベクトルは、l次元縦ベクトルの形式で表されているものとする。
「A:Rn→Rm」:(m,n)型実行列Aと実n次元縦ベクトルとの乗法による
         実n次元数ベクトル空間Rnから、実m次元数ベクトル空間Rmへの
         一次写像 
「B:Rm→Rl」:(l,m)型実行列Bとm次元縦ベクトルとの乗法による
         実m次元数ベクトル空間Rmから、実l次元数ベクトル空間Rlへの
         一次写像



[文献−線型代数]
 永田『理系のための線形代数の基礎』(p.26-7);
 斎藤『線形代数入門』2章§3(p.45);
 佐武『線形代数学』�T§4(p.20)
[文献−解析学]
 松坂『解析入門4』15.1-E命題12 (p.11);
本論 一次写像A:Rn→Rmと、一次写像B:Rm→Rl の合成写像B〇Aは、  
行列積BA[(l,n)型実行列]とn次元縦ベクトルとの乗法で表せる。
 
解説 なぜなら、
合成写像B〇Aとは、
  n次元縦ベクトル ∈Rnに対して、
  B(Av) 
とすること。
ところが、結合則より、
  B(Av)=(BA)v 
 

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(reference)
日本数学会編集『岩波数学辞典(第三版)』 岩波書店、1985年、項目83行列L線形写像(p.222)
線形代数のテキスト
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年、7講線形写像と行列(pp.42-7)、10講R3上の線形写像(pp.62-7)、17講線形写像(pp.107-112)。
ホフマン・クンツェ『線形代数学I』培風館、1976年、3.4行列による一次変換の表現(p.89)。
永田雅宜『理系のための線形代数の基礎』紀伊国屋書店、1986年、1.4行列と一次写像(pp.23-31)。
藤原毅夫『理工系の基礎数学2:線形代数』岩波書店、1996年、4.3線形写像の階数と行列の階数(p.102)。
斎藤正彦『線形代数入門』東京大学出版会、1966年、第2章§3行列と線形写像(pp.44-5):実線形空間・複素線形空間のみ;。
佐武一郎『線形代数学(第44版)』裳華房、1987年、�Tベクトルと行列の演算§4一次写像(pp.17-19)。
代数学のテキスト
酒井文雄『共立講座21世紀の数学8:環と体の理論』共立出版、1997年、1.6ベクトル空間(p.22)。:数ページしか触れていないが、逆に、一般の線形空間の理論の骨組みだけを浮かびあがってくるので、何が重要事項なのかを見極める上で便利。
数理経済学のテキスト
神谷和也・浦井憲『経済学のための数学入門』東京大学出版会、1996年、§5.2.1線形写像の行列表現(p.165)。

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