本節では,基本行列を左から掛けることと行基本変形の各操作が対応することを見てきた. では,基本 行列を右から掛けると何が起こるのであろうか. それは列に関する変形に対応するというのが答えであ る. 次の命題は,命題5.2.2と同様に,計算によって確かめることができる.
命題 5.4.1. (m, n)-行列Aと基本行列の積について,次が成り立つ. (1) ASn(i;r)はAのi列目をr倍した行列である.
(2) AWn(i, j)はAのi列とj列を入れ替えた行列である.
(3) AKn(i, j;r)はAのi列目のr倍をj列目に加えた行列である.
6 行列の階数
連立1次方程式の解における任意定数の個数と関係する量として,行列の階数と呼ばれる概念がある. 実は,階数とは線形写像の像の次元として本来は定義されるものである. しかしながら,ここでは行列の 言葉に翻訳したうえでの定義を述べなければならず,そのためには簡約化の一意性について言及する必 要がある.
階数を用いると連立1次方程式の解に関する言明を簡潔に述べることができる(命題6.2.1). しかし, だからといって,階数を用いて述べられた命題を丸暗記しても理解が深まることはない. 階数という便利 な言葉に頼らずに, 連立1次方程式の解法がどんな手順であったか常に頭の中で意識しつつ命題を解釈 してもらいたい.
6.1 簡約化の一意性
定理 6.1.1. 行列の簡約化は唯一通りに定まる.
Proof. 列の数に関する帰納法で示す. まず,列の数が1の場合,すなわち列ベクトルxの簡約化について
考える. 列ベクトルのうちで簡約なものは,その定義から1行成分が1で他の成分がすべて0の列ベクト ルe1か0に限る. x=0の場合,0に基本変形をいくらほどこしても変化せず,0の簡約化は0自身以外 にありえない. また,x̸=0の場合, xを0に行基本変形することはできない. 何故なら,もし0がxの 簡約化であるならば,命題5.2.4により0を行基本変形してx̸=0が得られるが,先の議論によりこれは 不可能だからである. ゆえにxの簡約化はe1のみである. 以上より,列ベクトルの簡約化は唯一つであ ることが分かった.
列の数がnなる行列について簡約化が一意的であると仮定し, 列の数がn+ 1の行列についてもそう であることを示そう. Aを(m, n)-行列,aをm次列ベクトルとし, (m, n+ 1)-行列[A|a]の簡約化につい て考える. [B|b]および[C|c]を[A|a]の簡約化としよう. このとき, (m, n)-行列B, Cは共に簡約行列で あり,とくにAの簡約化であるから,帰納法の仮定によりB=Cである. Bの中にどの行の主成分も含 まない列がある場合とそうでない場合に分けて考えよう.
まずは,Bの第j列が主成分を含まない場合である. 各A, B, Cから第j列を除いた(m, n−1)-行列を それぞれA′, B′, C′とする. このとき, (m, n)-行列[B′|b]は簡約行列であり,これはとくに行列[A′|a]の 簡約化である. B =Cゆえ同様のことがCについても成り立ち, [C′|c]も[A′|a]の簡約化となる. した がって帰納法の仮定より, [B′|b] = [C′|c]である. すなわち,b=cゆえ[B|b] = [C|c].
次に,Bのどの列にも主成分が含まれている場合を考える. すなわち, [B|b]および[C|c]が次の形をし ている場合である:
1 ∗
. .. ∗ 1 ∗
∗
= [
En ∗
Om−n,n ∗ ]
.
更に次の二つに場合分けをして考える. (i) b,cがともに,ある主成分を含む場合.
この場合は簡約行列の定義から,b,cはn+ 1行目が1でそれ以外の成分が0の列ベクトルであり, b=cを得る.
(ii) (i)でない場合. すなわち,b,cのうち少なくともいずれか一方が主成分を含まない場合.
仮にbが主成分を含まないとして話を進める. このとき, [B|b]および[C|c]は次の形をしている. [B|b] =
[
En b′
Om−n,n Om−n,1
]
, [C|c] = [
En c′1 Om−n,n c′2
] .
[B|b],[C|c]はともに[A|a]に行基本変形を繰り返して得られる行列である. ゆえに[B|b]に行基 本変形を繰り返すことで[C|c]を得ることができる. したがって, あるm次可逆行列Xによって X[B|b] = [C|c]となる(命題5.2.4). Xを次のように分割する:
X = [
Pn,n Qn,m−n Rm−n,n Sm−n,m−n
]
= [
P Q
R S
] ,
ここで,上式の真ん中の行列に現れるP, Q, R, Sの添え字は行列のサイズを意味し, 煩雑ゆえ以降 は省略する. X[B|b]を計算すると次のようになる.
X[B|b] = [
P Q
R S
] [
En b′
Om−n,n Om−n,1 ]
= [
P Pb′ R Rb′
] . [C|c] =X[B|b]について成分を比較しよう.
[
En c′1 Om−n,n c′2
]
= [C|c] =X[B|b] = [
P Pb′ R Rb′
] .
上式よりP =En,R=Om−n,nが得られる. ゆえにc′1 =Pb′ =Enb′ =b′,c′2 =Rb′ =Om−n,nb′ = Om−n,1である. つまり,b=cが示された.
cが主成分を含まない場合は,bとcの役割を入れ替えていまと同様の議論を行えばよい.
以上により,いずれの場合においても[B|b] = [C|c]となる. すなわち, (m, n+ 1)-行列Aの簡約化は唯 一通りに定まる.
定義6.1.2. Aの簡約化をBとする. 次で定める三つの数はすべて同じ値となり,これをAの階数(rank) とよびrankAと書く.
(1) Bの零ベクトルでない行の数, (2) Bの主成分の個数,
(3) Bの主成分を含む列の数.
上で定める数のうち,一般の行列においても(1)と(2)は等しい. これらが(3)と等しいのは,簡約行列 Bにおいて主成分を二つ以上含む列は存在しないからである.
仮にAの簡約化が二通りあるとし,それらの主成分の個数が異なっていたとすればAの階数を定めよ うがない. また,これは連立1次方程式において任意定数の個数が異なる二通りの解の表示が存在するこ とも意味する. このようなことが起こり得ないという主張が簡約化の一意性にほかならない.
(m, n)-行列Aについて次は明らかである.
rankA≤min{m, n}. (6.1.1)
ここでminは最小値を表す記号である. すなわち, 実数を要素とする集合X に対して, Xの中で最も 小さい数が存在するとき, これをXの最小値(minimum)とよびminX と書く. 同様にXの最大値 (maximum)も定められ,これをmaxXと書く.
命題 6.1.3. Aを行基本変形することでCが得られるならば,AとCの簡約化は一致する. したがって, rankA= rankCである.
Proof. Aの簡約化をBとすれば,行基本変形により AをBに変形できる. 一方,仮定よりAをCに行 基本変形できることから, 命題5.2.4によりCをAに行基本変形できる. したがって次のような基本変 形ができる:
C −−−−−−→行基本変形 A−−−−−−→行基本変形 B.
ゆえに簡約行列BはCの簡約化である.