行列 A がエンコードする線型写像 TA はすべてのベクトル x を Ax に変換する。常に元に戻せるだろうか?正則行列(invertible matrix)とはまさにその答えが「はい」の場合——変換を完全に元に戻せる場合だ。
定義
体 F 上の n×n 正方行列 A が正則(invertible、非特異(non-singular)とも)であるとは、n×n 行列 B が存在して:
AB=InかつBA=In(1)
が成り立つことをいう(In は n×n 単位行列)。行列 B を A の逆行列(inverse)と呼び A−1 と書く。
正則でない行列を特異行列(singular matrix)という。
正方行列だけが正則になれる:m=n の非正方 m×n 行列は異なる次元の空間の間の写像を表し、同じ型の両側逆行列を持てない。
逆行列の一意性
B と C がともに (1) を満たすとする。すると:
B=BIn=B(AC)=(BA)C=InC=C.
したがって B=C——すべての正則行列はちょうど一つの逆行列を持つ。記法 A−1 は曖昧でない。
正則性と線型写像
線型写像と行列の乗法から、n×n 行列 A は線型写像 TA:Fn→Fn を表すことがわかる。AB=BA=In という条件は TB が TA の(関数としての)左・右逆写像であることを言う。したがって:
A が正則であることと TA:Fn→Fn が全単射であることは同値だ。
TA が全単射なら、その逆関数 TA−1 もまた線型であり、その行列が A−1 だ。
ガウス・ジョルダンによる正則性の判定
ガウス・ジョルダン消去法から、行列の行簡約は n 個のピボット列(一列につき一つ)を生成するか、少なくとも一つの自由列を残すかのどちらかだ。正方 n×n 行列では、この二つの結果は相互に排他的で網羅的だ——中間はない。これにより完全な判定基準が得られる:
F 上の n×n 行列 A に対して、次の主張はすべて同値だ:
- A は正則だ。
- A の RREF は In だ。
- A は n 個のピボット列を持つ。
- Ax=0 の唯一の解は x=0 だ。
- すべての b∈Fn に対して方程式系 Ax=b はちょうど一つの解を持つ。
- A の列は線型独立だ。
特異行列の例. B=(1224):R2←R2−2R1 を適用すると (1020)。第 2 列にピボットがないので B は特異だ。写像 TB は平面全体を直線に潰す——元に戻すことはできない。
ガウス・ジョルダン消去法による逆行列の計算
A が正則なら、A に単位行列を付け加えてブロック全体を行簡約することで A−1 を計算できる:
[A∣In]RREF[In∣A−1].(2)
なぜ機能するか. すべての基本行変換は可逆な基本行列による左乗算だ。A を In に簡約する操作の列が左乗算 E に対応するなら EA=In よりつまり E=A−1 だ。同じ操作を In に適用すると EIn=E=A−1 が得られる。
左辺にゼロ行が現れたら A は特異であり逆行列を持たない。
例. A=(1324) の逆行列を計算する:
(13241001)R2←R2−3R1(102−21−301)
R2←−21R2(10211230−21)R1←R1−2R2(1001−2231−21)
したがって A−1=(−2231−21)。検証:AA−1=(1324)(−2231−21)=(1001)。
2×2 の公式
R 上の A=(acbd) に対して、公式は簡略化される:
A−1=ad−bc1(d−c−ba),(3)
ただし ad−bc=0 のとき。量 ad−bc は行列式 det(A) であり、A が正則なとき非ゼロだ。3×3 以上ではガウス・ジョルダン消去法が系統的なアプローチだ(一般論は行列式を参照)。
逆行列の性質
次の等式はすべて定義 AA−1=A−1A=In から直接従う:
| 等式 | 説明 |
|---|
| (A−1)−1=A | A は A−1 の逆行列 |
| (AB)−1=B−1A−1 | 合成を元に戻すと順序が逆になる |
| (AT)−1=(A−1)T | 転置と逆行列は可換 |
| (cA)−1=c−1A−1(c=0) | スケーリングは逆数で元に戻す |
積の規則 (AB)−1=B−1A−1 は日常的な可逆性を反映する:靴下をはいてから靴をはいた場合、元に戻すには靴を先に脱がなければならない。
まとめ
- n×n 行列 A が正則であるとは、AB=BA=In を満たす B が存在することであり;この B は一意で A−1 と書く。
- 正則性は次と同値だ:A の RREF が In である;A が n 個のピボット列を持つ;Ax=0 の解が自明解のみ;すべての b に対し Ax=b が唯一解を持つ。
- A−1 の計算:[A∣In] を [In∣A−1] にガウス・ジョルダン行簡約する。
- 主要等式:(A−1)−1=A、(AB)−1=B−1A−1、(AT)−1=(A−1)T。
- 2×2 行列では:det(A)=ad−bc=0 のとき A−1=det(A)1(d−c−ba)。