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行列の標準形  
(舞台設定)
R実数をすべて集めた集合実数体) 
A(m,n)型実行列 

(主張の確認)
任意の(m,n)型実行列Aにたいして、   
    ある有限個の
m基本行列をかけあわせた行列積Pmと、
    ある有限個の
n基本行列をかけあわせた行列積Pnと、  
    ある「0を含めた自然数」
rが存在し、  
 
Pm A Pn =D(m,n,r)  
  

  
  
 を満たす。 

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(証明) 

次の手順にしたがうことで、基本行列とのだけで、あらゆる行列を標準形に至らせることができる。 
ただし、ここでは、
(m,n)型実行列Am>nである場合のみをとりあげる。 

Step0:  
 
(m,n)型実行列Aが、零行列であるか否かをチェック。 
  
(i) (m,n)型実行列Aが、零行列であるケース     
    →
Aは、もともと、D(m,n,r)である。1になっている成分の個数r (rankA)=0。 
     このとき、
Im A In=D(m,n,) 
     なお、
Imは、m次基本行列type1cij=1としたもの、m次基本行列type3c=1としたもの  
        
Inは、n次基本行列type1cij=1としたもの、n次基本行列type3c=1としたもの 
     であるから、  
     このケースで、  
      
Aにたいして、 
      
Imという、m基本行列Pmと、Inという、n基本行列Pnと、自然数r=0が存在し、 
        
Pm A Pn =D(m,n,r)   
      が満たされていることが確認された。 
  
(ii) (m,n)型実行列Aが、零行列ではないケース 
      →
step1へ進む。   

Step1:     

 Step1-1:  
 
(i) (m,n)型実行列A(1,1)成分が非0である場合 
  
A1=Aとおく。 
 
(ii) (m,n)型実行列A(1,1)成分が0である場合 
  
行列積Qm[1]AQn[1](1,1)成分が非0となるように、   
  
m次基本行列type2のみを有限個かけ合わせた行列積Qm[1] 、  
  
n次基本行列type2のみを有限個掛け合わせた行列積Qn[1]  
  をとることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
Step0を経ているので、A零行列ではなく、どこかに、非0の成分を有す。  
    | したがって、  
    | 
の入れ替えを行う列基本変形type2 と、  
    | 
の入れ替えを行う行基本変形type2 だけを、それぞれ有限回用いて、  
    | 
Aを、(1,1)成分が非0の(m,n)型実行列に、変形することができる。  
    |・ある
行列の入れ替えを行う列基本変形type2 は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type2をかけることに等しい。()    
    |・ある
行列の入れ替えを行う行基本変形type2は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type2をかけることに等しい。()   
    |・以上三点より、
Aの右に、適当なn次基本行列type2を有限個かけ、 
    |        
Aの左に、適当なm次基本行列type2を有限個かけることによって、  
    |        
(1,1)成分が非0の(m,n)型実行列を得ることができる。 
    |・つまり、
行列積Qm[1]AQn[1](1,1)成分が非0となるように、  
    |       
m次基本行列type2のみを有限回かけた行列積Qm[1]、  
    |       
n次基本行列type2のみを有限回かけた行列積Qn[1]  
    └ をとることができる。 

   このQm[1]Qn[1]にたいして、    
   
A1=Qm[1]AQn[1]   
   とおく。なお、
A1も、(m,n)型実行列である。 

 Step1-2: 
  
行列積Pm[1]A1Pn[1]が、   
        
  
  というかたちになるように、
     
m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[1]    
     
n次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pn[1]   
  を定めることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
(m,n)型実行列A1(1,1)成分を要として第1行を掃き出す。  
    | それから、
(m,n)型実行列A(1,1)成分を要として第1列も掃き出す。  
    | すると、
A1は、 
    |   
(1,1)成分1(1,1)成分を除く第1行第1列が全て0  
    | という
(m,n)型実行列に変形される。→詳細   
    |・上記の操作は、  
    |   たとえば、 
    |     
1回の列基本変形type3、有限回の列基本変形type1、有限回の行基本変形type1  
    |   によって構成される。→
詳細 
    |・ある
行列列基本変形type3は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type3かけることに等しい。()    
    |・ある
行列列基本変形type1は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type1かけることに等しい。()   
    |・ある
行列行基本変形type1は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type1かけることに等しい。()   
    |・以上
4点より、Aの右に、有限個の適当なn次基本行列かけ、 
    |        
Aの左に、有限個の適当なm次基本行列かけることによって、  
    | 「
(1,1)成分1(1,1)成分を除く第1行第1列が全て0」を満たす(m,n)型実行列を 
    | 得ることができることがわかる。 
    |・つまり、
行列積Pm[1]A1Pn[1](1,1)成分1(1,1)成分を除く第1行第1列が全て0となるように、  
    |      
m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[1]  、  
    |      
n次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pn[1]   
    └ を定めることができる。 

  このPm[1]Pn[1]にたいして、    
     
A1'=Pm[1]A1Pn[1]   
  とおく。
  すると、
A1'=Pm[1]A1Pn[1]=Pm[1]APn[1] であるか、       
      
A1'=Pm[1]A1Pn[1]=Pm[1](Qm[1]AQn[1])Pn[1]=Pm[1]Qm[1]AQn[1]Pn[1]= (Pm[1]Qm[1]) A (Qn[1]Pn[1])
  なお、
A1'も、(m,n)型実行列である。 

Step1-3(m,n)型実行列A1'から、第1行第1列を取り去った残りの(m1,n1)型実行列が、
      
零行列であるか否かをチェック。        
        
(i) (m1,n1)型実行列零行列であるケース     
          →
A1'D(m,n,r)に到達。r=1。 
          
 
          このとき、
A1'=Pm[1]A1Pn[1]=Pm[1]APn[1]またはA1'= (Pm[1]Qm[1]) A (Qn[1]Pn[1])だから、 
          
Aにたいして、 
          
Pm[1]ないし(Pm[1]Qm[1])という、有限個のm基本行列をかけあわせた行列積Pmと、
          
Pn[1]ないし(Qn[1]Pn[1])という、有限個のn基本行列をかけあわせた行列積Pnと、
          自然数
r=1が存在し、      
            
Pm A Pn =D (m,n,r)   
          が満たされていることが、このケースで確認されたことになる。   
        
(ii) (m1,n1)型実行列零行列ではないケース 
          このとき、
A1'=Pm[1]A1Pn[1]=Pm[1]APn[1]またはA1'= (Pm[1]Qm[1]) A (Qn[1]Pn[1])だから、 
          
A1'は、Aの左から、有限個のm基本行列をかけあわせた行列積を、 
             
Aの右から、有限個のn基本行列をかけあわせた行列積を、 
             
かけたものである。 
            この点を確認したうえで、
step2へ進む。   

Step2: 

 Step2-1:  

 (i) (m,n)型実行列A1'(2,2)成分が非0である場合 
   
A2=A1'とおく。 
 
(ii) (m,n)型実行列A1'(2,2)成分が0である場合(下図) 
        
   
行列積Qm[2] A1' Qn[2] (2,2)成分が非0となるように、   
   
m次基本行列type2のみを有限個かけ合わせた行列積Qm[2] 、 
   
n次基本行列type2のみを有限個掛け合わせた行列積Qn[2]  
   をとることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
Step1-3を経ているので、
    | 
A1'から、第1行第1列を取り去った残りの(m1,n1)型実行列零行列ではなく、
    | 
2m2nのどこかに、非0の成分を有す。  
    | したがって、  
    | 
の入れ替えを行う列基本変形type2 と、  
    | 
の入れ替えを行う行基本変形type2 だけを、それぞれ有限回用いて、  
    | 
A1'を、(2,2)成分が非0の(m,n)型実行列に、変形することができる。  
    |・ある
行列の入れ替えを行う列基本変形type2 は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type2をかけることに等しい。()    
    |・ある
行列の入れ替えを行う行基本変形type2は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type2をかけることに等しい。()   
    |・以上三点より、
A1'の右に、適当なn次基本行列type2を有限個かけ、 
    |        
A1'の左に、適当なm次基本行列type2を有限個かけることによって、  
    |        
(2,2)成分が非0の(m,n)型実行列を得ることができる。 
    |・つまり、
行列積Qm[2] A1' Qn[2] (2,2)成分が非0となるように、  
    |       
m次基本行列type2のみを有限回かけた行列積Qm[2]、  
    |       
n次基本行列type2のみを有限回かけた行列積Qn[2]  
    └ をとることができる。 

   このQm[2]Qn[2]にたいして、    
   
A2=Qm[2] A1' Qn[2]    
   とおく。なお、
A2も、(m,n)型実行列である。 

 Step2-2: 
  
行列積Pm[2]A2Pn[2]が、   
       Image1431.gif
 
  というかたちになるように、
     
m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[2]    
     
n次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pn[2]   
  を定めることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
(m,n)型実行列A2(2,2)成分を要として第2行を掃き出す。  
    | それから、
(m,n)型実行列A2(2,2)成分を要として第2列も掃き出す。  
    | すると、
A2は、 
    |   
(2,2)成分1(2,2)成分を除く22が全て0  
    | という
(m,n)型実行列に変形される。→詳細   
    |・上記の操作は、  
    |   たとえば、 
    |     
1回の列基本変形type3、有限回の列基本変形type1、有限回の行基本変形type1  
    |   によって構成される。→
詳細 
    |・ある
行列列基本変形type3は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type3かけることに等しい。()    
    |・ある
行列列基本変形type1は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type1かけることに等しい。()   
    |・ある
行列行基本変形type1は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type1かけることに等しい。()   
    |・以上
4点より、A2の右に、有限個の適当なn次基本行列かけ、 
    |        
A2の左に、有限個の適当なm次基本行列かけることによって、  
    | 「
(2,2)成分1(2,2)成分を除く22が全て0」を満たす(m,n)型実行列を 
    | 得ることができることがわかる。 
    |・つまり、
行列積Pm[2]A2Pn[2](2,2)成分1(2,2)成分を除く22が全て0となるように、  
    |      
m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[2]  、  
    |      
n次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pn[2]   
    └ を定めることができる。 

  このPm[2]Pn[2]にたいして、    
     
A2'=Pm[2]A2Pn[2]      
  とおく。
  すると、
A2'=Pm[2]A2Pn[2]=Pm[2] A1' Pn[2] であるか、 
      
A2'=Pm[2]A2Pn[2]=Pm[2](Qm[2]A1' Qn[2])Pn[2]=Pm[2]Qm[2]A1' Qn[2]Pn[2]= (Pm[2]Qm[2])A1' (Qn[2]Pn[2]))   
  なお、
A2'も、(m,n)型実行列である。 

 Step2-3(m,n)型実行列A2'から、
      
第1行・第2第1列・第2を取り去った残りの(m2,n2)型実行列が、
      
零行列であるか否かをチェック。  
        
(i) (m2,n2)型実行列零行列であるケース     
            →
A2'標準形D(m,n,r)に到達。r=2。 
            Image1432.gif
  
            このとき、
step1-3-(ii) と、step2-2より、
            
Aにたいして、 
            有限個の
m基本行列をかけあわせた行列積Pmと、
            有限個の
n基本行列をかけあわせた行列積Pnと、
            自然数
r=2が存在し、      
            
Pm A Pn =D (m,n,r)   
            が満たされていることが、このケースで確認されたことになる。   
        
(ii) (m2,n2)型実行列零行列ではないケース 
            このとき、
step1-3-(ii) と、step2-2より、
            
A2'は、Aの左から、有限個のm基本行列をかけあわせた行列積を、 
               
Aの右から、有限個のn基本行列をかけあわせた行列積を、 
               
かけたものであることを確認したうえで、 
            
step3へ進む。   
Step3:         
 : 
 :   
 :    
Step (n-1):  
 
Step (n-1)-1:    
 
(i) (m,n)型実行列A'n-2(n-1,n-1)成分が非0である場合 
   
An-1=A'n-2とおく。 
 (ii)(m,n)型実行列A'n-2( n−1,n−1)成分が0である場合(下図)  
          Image1402.gif 
   行列積Qm[n-1] A'n-2 Qn[n-1] ( n1,n1)成分が非0となるように、   
   
m次基本行列type2のみを有限個かけ合わせた行列積Qm[n-1] 、 
   
n次基本行列type2のみを有限個掛け合わせた行列積Qn[n-1]   
   をとることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
Step(n-2)-3を経ているので、
    | 
A'n-2から、
    | 
第1行(n2)第1列(n2)を取り去った残りの(mn1,2)型実行列
    | 零行列ではなく、
    | 
(n1)m(n1)nのどこかに、非0の成分を有す。  
    | したがって、  
    | 
(n-1)nとの入れ替えを行う列基本変形type2 と、  
    | 
(n-1)nmとの入れ替えを行う行基本変形type2 だけを、
    | それぞれ有限回用いて、  
    | 
A'n-2を、( n1,n1)成分が非0の(m,n)型実行列に、変形することができる。  
    |・ある
行列の入れ替えを行う列基本変形type2 は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type2をかけることに等しい。()    
    |・ある
行列の入れ替えを行う行基本変形type2は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type2をかけることに等しい。()   
    |・以上三点より、
A'n-2の右に、適当なn次基本行列type2を有限個かけ、 
    |        
A'n-2の左に、適当なm次基本行列type2を有限個かけることによって、  
    |        
( n1,n1)成分が非0の(m,n)型実行列を得ることができる。 
    |・つまり、
行列積Qm[n-1] A'n-2 Qn[n-1] ( n1,n1)成分が非0となるように、  
    |       
m次基本行列type2のみを有限回かけた行列積Qm[n-1]、  
    |       
n次基本行列type2のみを有限回かけた行列積Qn[n-1]  
    └ をとることができる。 

   この Qm[n-1] Qn[n-1] にたいして、    
   
An-1=Qm[n-1] A'n-2 Qn[n-1]    
   とおく。なお、
An-1も、(m,n)型実行列である。   

 Step(n-1)-2: 
  
行列積Pm[n-1]An-1Pn[n-1]が、
     Image1403.gif  
  というかたちになるように、
     m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[n-1]    
     n次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pn[n-1]   
  を定めることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
(m,n)型実行列An-1( n1,n1)成分を要として第(n1)行を掃き出す。  
    | それから、
(m,n)型行列An-1( n1,n1)成分を要として第(n1)列も掃き出す。  
    | すると、
An-1は、 
    |   
( n1,n1)成分1( n1,n1)成分を除く(n1)(n1)が全て0  
    | という
(m,n)型実行列に変形される。→詳細  
    |・上記の操作は、  
    |   たとえば、 
    |     
1回の列基本変形type3、有限回の列基本変形type1、有限回の行基本変形type1  
    |   によって構成される。→
詳細 
    |・ある
行列列基本変形type3は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type3かけることに等しい。()    
    |・ある
行列列基本変形type1は、          
    | その
行列の右からn次基本行列type1かけることに等しい。()   
    |・ある
行列行基本変形type1は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type1かけることに等しい。()   
    |・以上
4点より、An-1の右に、有限個の適当なn次基本行列かけ、 
    |        
An-1の左に、有限個の適当なm次基本行列かけることによって、  
    | 「
( n1,n1)成分1( n1,n1)成分を除く(n1)(n1)が全て0」
    | を満たす
(m,n)型実行列を得ることができることがわかる。 
    |・つまり、
行列積Pm[n-1]An-1Pn[n-1]( n1,n1)成分1、 
    | 
( n1,n1)成分を除く(n1)(n1)が全て0となるように、  
    |      
m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[n-1]  、  
    |      
n次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pn[n-1]   
    └ を定めることができる。 

  このPm[n-1]Pn[n-1]にたいして、    
     
A'n-1=Pm[n-1]An-1Pn[n-1]      
  とおく。
  すると、
A'n-1=Pm[n-1]An-1Pn[n-1]=Pm[n-1] A'n-2 Pn[n-1] であるか、 
      
A'n-1=Pm[n-1]An-1Pn[n-1]=Pm[n-1](Qm[n-1]A1' Qn[n-1])Pn[n-1]      
        =Pm[n-1]Qm[n-1]A'n-2Qn[n-1]Pn[n-1]=(Pm[n-1]Qm[n-1])A'n-2 (Qn[n-1]Pn[n-1]))   
  なお、
A'n-1も、(m,n)型実行列である。 

 Step(n-1)-3(m,n)型実行列A'n-1から、
        
第1行〜第(n-1)第1列〜第(n-1)を取り去った残りの(mn+1,1)型行列が、  
        
零行列であるか否かをチェック。  
        
(i) (mn+1,1)型実行列零行列であるケース     
            →
A'n-1標準形D(m,n,r)に到達。r = (n1)
          Image1404.gif
            このとき、step(n-2)-3-(ii) と、step(n-1)-2より、
            
Aにたいして、 
            有限個の
m基本行列をかけあわせた行列積Pmと、
            有限個の
n基本行列をかけあわせた行列積Pnと、
            自然数
r= (n1)が存在し、      
            
A'n-1Pm A Pn =D (m,n,r)   
            が満たされていることが、このケースで確認されたことになる。   
        
(ii) (mn+1,1)型実行列零行列ではないケース 
            このとき、
step(n-2)-3-(ii) と、step(n-1)-2より、
            
A'n-1は、
              
Aの左から、有限個のm基本行列をかけあわせた行列積かけ、 
              
Aの右から、有限個のn基本行列をかけあわせた行列積かけた 
              ものであることを確認したうえで、 
              
stepnへ進む。   
Step n:  
 
Step n-1:    
 
(i) (m,n)型実行列A'n-1(n-1,n-1)成分が非0である場合 
   
An=A'n-1とおく。 
 
(ii)(m,n)型実行列A'n-1( n,n)成分が0である場合(下図)
            Image1405.gif    
   行列積Qm[n] A'n-1 ( n,n)成分が非0となるように、   
   
m次基本行列type2のみを有限個かけ合わせた行列積Qm[n]  
   をとることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
Step(n-1)-3を経ているので、
    | 
A'n-1から、
    | 
第1行(n1)第1列(n1)を取り去った残りの(mn1,1)型実行列
    | 零行列ではなく、
    | 
n(n+1)mのどこかに、非0の成分を有す。  
    | したがって、  
    | 
n(n+1)mとの入れ替えを行う行基本変形type2 だけを用いて、
    | 
A'n-1を、( n,n)成分が非0の(m,n)型実行列に、変形することができる。  
    |・ある
行列の入れ替えを行う行基本変形type2は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type2をかけることに等しい。()   
    |・以上
2点より、A'n-1の左に、適当なm次基本行列type2かけることによって、  
    |        
( n,n)成分が非0の(m,n)型実行列を得ることができる。 
    |・つまり、
行列積Qm[n] A'n-1 ( n,n)成分が非0となるように、  
    |       
m次基本行列type2のみを有限回かけた行列積Qm[n]  
    └ をとることができる。 

   この Qm[n] にたいして、    
   
An=Qm[n] A'n-1   
   とおく。なお、
Anも、(m,n)型実行列である。   

  Step n-2
  
行列積Pm[n]Anが、   
     Image1396.gif  
  というかたちになるように、
     
m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[n]    
  を定めることができる。 

   (なぜなら)  
    |・
(m,n)型実行列An( n,n)成分を要として第n列を掃き出す。  
    | すると、
Anは、 
    |   
( n,n)成分1( n,n)成分を除くnが全て0  
    | という
(m,n)型実行列に変形される。→詳細  
    |・上記の操作は、  
    |   たとえば、 
    |     
1回の行基本変形type3、有限回の行基本変形type1  
    |   によって構成される。→
詳細 
    |・ある
行列行基本変形type3は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type3かけることに等しい。()    
    |・ある
行列行基本変形type1は、          
    | その
行列の左からm次基本行列type1かけることに等しい。()   
    |・以上
3点より、Anの左に、有限個の適当なm次基本行列かけることによって、  
    | 「
( n,n)成分1( n,n)成分を除くnが全て0」
    | を満たす
(m,n)型実行列を得ることができることがわかる。 
    |・つまり、
行列積Pm[n]An( n,n)成分1、 
    | 
( n,n)成分を除くnが全て0となるように、  
    | 
m次基本行列のみを有限個かけ合わせた行列積Pm[n]   
    └ を定めることができる。 

  このPm[n]にたいして、    
     
A'n=Pm[n]An    
  とおく。  
  すると、
A'n=Pm[n]An-1=Pm[n] A'n-1 であるか、 
      
A'n=Pm[n]An-1=Pm[n](Qm[n]An-1' )=Pm[n-1]Qm[n-1]A'n-1)   
  なお、
A'nも、(m,n)型実行列である。 

 Step n-3

  A'n標準形D(m,n,r)に到達。r = n
  
step(n-1)-3-(ii) と、stepn-2より、
  
Aにたいして、 
  有限個の
m基本行列をかけあわせた行列積Pmと、
  有限個の
n基本行列をかけあわせた行列積Pnと、
  自然数
r= nが存在し、      
     
A'nPm A Pn =D (m,n,r)   
  が満たされていることが、このケースで確認されたことになる。

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