核が線型写像の「破壊するもの」——ゼロに送る入力——を捉えるのに対して、像は「生み出すもの」を捉える:写像が生成できるすべての出力の集まりだ。像を知れば、どの目標ベクトルに「到達できるか」がわかり、その次元であるランクは写像が余域をどれだけ「埋める」かを測る。
定義
線型写像 T:V→W の像(image、値域(range)とも)とは、T が生成できるすべての出力の集合だ:
im(T):={T(v):v∈V}={w∈W:∃v∈V で T(v)=w}.
像は余域 W の中に住む。w∈W が im(T) に属することは、方程式 T(v)=w が少なくとも一つの解 v∈V を持つことと同値だ。
像は部分空間
主張:im(T) は W の線型部分空間だ。
証明:T(0V)=0W より 0W∈im(T)。w1,w2∈im(T) と c,d∈F を任意に取る。T(v1)=w1 かつ T(v2)=w2 となる v1,v2∈V が存在する。線型性から:
cw1+dw2=cT(v1)+dT(v2)=T(cv1+dv2)∈im(T).
したがって im(T) は線型結合について閉じており、部分空間だ。□
列空間
行列 A∈Mm,n(F) について、A=[a1∣a2∣⋯∣an] と書く(aj∈Fm が A の列)。対応する写像 TA(x)=Ax の像は:
im(A)={Ax:x∈Fn}.
積 Ax はすべて A の列の線型結合だ:
Ax=x1a1+x2a2+⋯+xnan.
したがって A の像はその列のスパンに等しい。Fm のこの部分空間を A の列空間(column space)と呼び、しばしば col(A) と書く:
col(A)=span(a1,a2,…,an).
b∈Fm が col(A) に属することは、方程式系 Ax=b が少なくとも一つの解を持つこと——線型方程式系で議論した無矛盾性の条件——と同値だ。
全射性
写像 T:V→W が全射(surjective、onto)であることは im(T)=W——W のすべてのベクトルに到達できる——と同値だ。行列 A∈Mm,n(F) に対して、全射性は列空間が Fm 全体を埋めることを意味し、A の RREF がすべての行にピボットを持つ場合にちょうど起こる。
ランク
線型写像 T のランク(rank)とはその像の次元だ:
rank(T):=dim(im(T)).
行列に対して、rank(A) は A の RREF のピボット行の数に等しく、これはまた A の線型独立な列の数にも等しい。
重要な定理(その証明は RREF の議論を使う)として、行列のランクは列空間の次元と行空間の次元の両方に等しい。すなわち:線型独立な列の数は常に線型独立な行の数に等しい。
像とランクの計算
im(A) と rank(A) を求めるには、A にガウス・ジョルダン消去法を適用する:
- A を RREF に簡約する。
- ピボットの数を数える——これが rank(A) だ。
- A(RREF からではなく元の A)のピボット列(RREF でピボット位置に対応する列)が col(A) の基底をなす。
重要:行変換は列ベクトルを変えるが、どの列がピボット列かは保存する。したがって、ピボット列はRREF からではなく元の行列 A から取らなければならない。
計算例
A=121242132.
ガウス・ジョルダンを適用する。R2←R2−2R1、R3←R3−R1:
100200111.
R3←R3−R2:
100200110.
R1←R1−R2(後退掃引):
100200010.
これが RREF だ。2 個のピボット(列 1 と列 3)があるので rank(A)=2。元の A の第 1 列と第 3 列が col(A) の基底をなす:
col(A)=span⎩⎨⎧121, 132⎭⎬⎫.
まとめ
- 像 im(T)={T(v):v∈V} は常に余域 W の部分空間だ。
- 行列 A に対して、像は列空間 col(A)=span(a1,…,an) に等しく、Ax=b が無矛盾であることと b∈col(A) は同値だ。
- T が全射であることは im(T)=W(すべての出力に到達できる)と同値だ。
- ランク rank(T)=dim(im(T)) は A の RREF のピボットの数に等しい。
- ピボット列は元の行列から取る必要がある。
- ランクは列空間と行空間の両方の次元に等しい。