実数体上の正方行列に関する様々な定義

・定義: 対角成分・非対角成分/対角和・トレース  
・定義:
対角行列/スカラー行列/クロネッカーのδ/単位行列/直交行列/ベキ等行列 

実行列関連ページ:実行列の定義/行列和・スカラー倍の定義/行列積の定義/行列積の性質/逆行列・正則行列・特異行列の定義/転置行列の性質/行列の代数系
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定義:正方行列の対角成分・非対角成分


設定


An次正方行列  
 すなわち、     

[文献]
・斎藤『
線形代数入門2章§2(p.43);
・藤原『線形代数2.1(p.21) ;
・松坂『解析入門415.1-C (p. 6) ;
・戸田山田『計量経済学の基礎統計的手法の理論とプログラミング2.1.1(p.48)

定義

n次正方行列 A対角成分とは、
Aの対角線上にある成分a11, a22, ,annのこと。
n次正方行列 A非対角成分とは、
Aの対角線上にない成分aij (ij)のこと。 

定義:対角和・跡・トレースtrace・シュプールSpur 


設定


R実数をすべて集めた集合実数体) 
AR上のn次正方行列  
 すなわち、    

[文献]
・藤原『
線形代数2.1(p.29)

定義

n次正方行列 A対角和トレースtraceシュプールSpurとは、
A対角成分の和a11a22+…+annのこと。
 (なお、上記の+は、
実数体Rにおいて定義されている加法) 

記号

n次正方行列 Aの対角和・トレースは、記号「Tr A」などで表される。

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定義:対角行列diagonal matrix

[文献]
・『
岩波数学辞典83行列A(p.220);
・永田『理系のための線形代数の基礎5.1(p.133);
・斎藤『線形代数入門2章§2(p.43);
・藤原『線形代数2.5(p.52);
・グリーン『計量経済分析2.2行列の用語(p.12) ;
・戸田山田『計量経済学の基礎統計的手法の理論とプログラミング2.1.1(p.49) 
・松坂『
解析入門418.1-C (p.88):数ベクトル空間限定;

 

対角行列とは、すべての非対角成分が0である正方行列のことをいう。 
 すなわち、
      
 のこと。
対角行列 
      
を、
  
diag(a11, a22,, a n n) 
と表すこともある。

性質:対角行列の固有値・固有ベクトル 
活用例:
対角化可能 

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定義:スカラー行列scalar matrix

[文献]
・『
岩波数学辞典83行列(p.220);
・斎藤『線形代数入門2章§2(p.43);
・グリーン『計量経済分析2.2(p.12)

定義

スカラー行列とは、すべての対角成分が等しい対角行列のこと、
すなわち、すべての
対角成分が等しく、なおかつ、すべての非対角成分が0である正方行列のことをいう。 
 すなわち、
     
 のこと。

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定義:クロネッカーのデルタ Kronecker's delata

[文献]
・『
岩波数学辞典83行列A(p.220);
・永田『理系のための線形代数の基礎1.4(p.25);
・斎藤『線形代数入門2章§1(p.35);
・藤原『線形代数1.2(p.11)

定義

次のように定義したδijを、クロネッカーのデルタと呼ぶ。  
   

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[yahoo:yoko]

定義:単位行列 unit matrix, identity matrix

[文献]
・『
岩波数学辞典83行列(p.220);
・永田『理系のための線形代数の基礎1.4(p.26);
・斎藤『線形代数入門2章§1(p.35);
・藤原『線形代数2.1(p.27);
・グリーン『計量経済分析2.2(p.12) ;
・戸田山田『計量経済学の基礎統計的手法の理論とプログラミング2.1.1(p.49)
・高橋『経済学とファイナンスのための数学(p.16);
・松坂『解析入門415.1-C (p. 6)

 

(一般的な定義) 
 
n次単位行列とは、
 すべての
対角成分が「実数体Rにおける乗法の単位元1』」であり、
 
なおかつ
 すべての
非対角成分が「実数体Rにおける加法の単位元『0』」である、
 
n正方行列のことをいう。 
(クロネッカーのδをもちいた定義) 
 
n次単位行列とは、すべての( i, j )成分δijであるn正方行列のこと。
(具体的には) 
  
(記号) 
 
n次単位行列は、In, En 、あるいは略して、I , E と表す。
 したがって、
  上記定義を記号で表すと、
I=(δi j) となる。 
(性質) 
 
任意の(m,n)型実行列Aにたいして、
  
Im A= A
  A In= A
 が成り立つ。(∵行列の積の定義にもどって考えればわかる)  

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f

定義:直交行列 orthogonal matrix


設定


A n次正方行列 
 

[文献]
・永田『
理系のための線形代数の基礎1.8(p.43);
・佐武『線形代数学』V§7(p.123);
・佐和『回帰分析2.2.5(p.29);
・斎藤『線形代数入門2章§6(p.64)
・戸田山田『計量経済学の基礎統計的手法の理論とプログラミング2.8.2(p.112)

・松坂『解析入門418.2-A (p.100);
・杉浦『解析入門』U§8(p.154)

実行列は
   
RnからRmへの線型写像 
   
実ベクトル空間から実ベクトル空間への線形写像
 を表す(→
定理/定理)。
 だから、実行列のタイプが論じられる際には、
     それに対応する
線形写像のタイプに思いをめぐらせるのが、肝要。
 この「直交行列」というタイプの実行列は、
     
Rn上の直交変換
     
 というタイプの一次変換を表す。

定義

n次正方行列A直交行列である」とは、
その
転置行列とそれ自身との行列積 tA A , A tAが、単位行列等しい
      
tA A = A tA = In 
ことをいう。

性質

1. 直交行列は、正則行列であって、その逆行列は、その転置行列に等しい。
 
なぜ?→正則行列/逆行列の定義と、直交行列の定義から。
2. 直交行列行列式」は、±1
3. n次元数ベクトルとしての「直交行列の各」は、
  
n次元ユークリッド空間Rn正規直交系をなす。
  すなわち、
   
直交行列Aの各a1, a2,, anに対して、   
   
任意i,j=1,2,,nについて、aiaj =δij 
     (
δクロネッカーのデルタを表す。自然な内積を表す。)
 
なぜ?  
 
(step1)  
  
n次正方行列A1を、n次元縦ベクトルa1 
  
n次正方行列A2を、n次元縦ベクトルa2 
           
:            : 
  
n次正方行列Anを、n次元縦ベクトルan 
  とおく。  

 (step2)  
 ・
step1の設定にしたがうと、
   
tA1は、ta1    
   
tA2は、ta2    
      
:   : 
   
tAnは、tan    
  となる。
 ・
行列積の定義から、
    
行列積tA A ij列成分は、
       「
tAitaiと「Ajajとの行列積
               
tai aj     
    となる。 
 ・「
n次元ユークリッド空間Rn自然な内積」の定義より、
      「
tAitaiと「Ajajとの行列積
               
tai aj     
      と、
      
ai ,aj自然な内積aIaj  
      とは等しくなる。     
  したがって、    
    
行列積tA A ij列成分は、
    
aiaj 
  となる。  
 
(step3)  
 ・「
n次正方行列A直交行列である」とは、
   
tA A = In     
  と定義された。   
 ・
単位行列の定義により、
    
In ij列成分は、δij である。   
 ・したがって、
  「
n次正方行列A直交行列である」とは、
  「
tA A ij列成分は、δijである」ということに他ならない。
 
(step4)  
  
step2step3の結果より、  
  「
n次正方行列A直交行列である」とは、
  「
tA A ij列成分aiaj が、δijである」ということに他ならない。
    
[佐武p.133; 斉藤2章§6[6.4]' (p.65)証明は[6.4]を参考に]

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4.
次の二つの命題は同値
・「
n次正方行列A直交行列である」
・「
n次正方行列Aの各a1, a2,, anは、
   
n次元ユークリッド空間Rn正規直交基底をなす」
[松坂『解析入門418.2-A (p.100);杉浦『解析入門』U§8(p.154)]
なぜ?  
・「
n次正方行列A直交行列である」
 ⇒「
n次正方行列A正則行列である」 
  ⇒「
n次正方行列Aの各a1, a2,, anは、Rn基底をなす」(
・「
n次正方行列Aの各a1, a2,, anは、
   
n次元ユークリッド空間Rn正規直交基底をなす」
  ⇒      

関連事項:基底変換行列 

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定義:ベキ等行列・冪等行列 idempotent matrix


設定


An次正方行列  

[文献]
・佐武『
線形代数学』V-研究課題1.冪等行列射影子(p.125);
・佐和『回帰分析2.3.2(p.32);
・グリーン『計量経済分析』定義2.1(p.21)
・岩田『経済分析のための統計的方法』定理12.25;12.1(p.309)

定義

n次正方行列An次ベキ等行列であるとは、
それ自身との
行列積AAが、もとの行列A等しい
      
A2=A 
ことをいう。

性質

n次正方行列Aが、ベキ等行列であり、かつ対称行列であるならば
その
転置行列とそれ自身との行列積 tA Aは、A等しい
      
tA A =A  

 
 


・べき等行列の
固有値は、10のいずれか。
・べき等行列の
階数は、そのトレースに等しい。  

[文献]
・岩田『
経済分析のための統計的方法』定理12.25;12.1(p.309)

射影行列 

 

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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(pp.219-)
線形代数のテキスト

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.23-6)
佐武一郎『
線形代数学(44)』裳華房、1987年、I.ベクトルと行列の演算§2-3行列の演算(pp.4-16)V-研究課題1.冪等行列射影子(p.125)
砂田利一『現代数学への入門:
行列と行列式2003年、§2.2一般の行列(pp.54-60)、§2.3行列の演算(pp.60-65)、§2.4行列の操作(pp.66-70).
藤原毅夫『理工系の基礎数学2線形代数』岩波書店、1996年、2.1行列の定義と演算(pp.21-29)
斎藤正彦『
線形代数入門』東京大学出版会、1966年、第2章行列§1行列の定義と演算(pp.31-40);§6内積とユニタリ行列直交行列(pp.64-5)

ホフマン・クンツェ『
線形代数学I』培風館、1976年、一次方程式(pp.1-27)
志賀浩二『数学
30講シリーズ:線形代数30』朝倉書店、1988年、17講線形写像と行列(pp.107-112)


数理経済学のテキスト
西村和雄『
経済数学早わかり』日本評論社、1982年、2章線形代数§2行列と行列式(pp.46-72)
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章行列(pp.161-199):一次写像の行列表現を中心にしている。
高橋一『
経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、1.2ベクトルと行列(pp.6-25).

計量経済学のテキスト
William H. Greene(斯波・中妻・浅井訳) 『経済学体系シリーズ:グリーン計量経済分析I:改訂4版』エコノミスト社、2000年、第2章行列代数2.2行列の用語(pp.10-12);2.3行列の算法(pp.12-21)
岩田暁一『
経済分析のための統計的方法(2)』東洋経済新報社、1983年、12.1行列の演算(pp.269-277);12.4.2逆行列(pp.294-5)

佐和隆光『回帰分析 朝倉書店、1979年、2.ベクトルと行列。

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