正則行列

Basis
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行列 AA がエンコードする線型写像 TAT_A はすべてのベクトル xxAxAx 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

FF 上の n×nn \times n 正方行列 AA正則(invertible、非特異(non-singular)とも)であるとは、n×nn \times n 行列 BB が存在して:

AB=InかつBA=In(1)AB = I_n \qquad \text{かつ} \qquad BA = I_n \tag{1}

が成り立つことをいう(InI_nn×nn \times n 単位行列)。行列 BBAA逆行列(inverse)と呼び A1A^{-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:mnm \ne n の非正方 m×nm \times 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

BBCC がともに (1) を満たすとする。すると:

B=BIn=B(AC)=(BA)C=InC=C.B = B I_n = B(AC) = (BA)C = I_n C = C.

したがって B=CB = 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 A1A^{-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×nn \times n 行列 AA は線型写像 TA:FnFnT_A: F^n \to F^n を表すことがわかる。AB=BA=InAB = BA = I_n という条件は TBT_BTAT_A 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:

AA が正則であることと TA:FnFnT_A: F^n \to F^n が全単射であることは同値だ。

TAT_A が全単射なら、その逆関数 TA1T_A^{-1} もまた線型であり、その行列が A1A^{-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 nn 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×nn \times 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:

FF 上の n×nn \times n 行列 AA に対して、次の主張はすべて同値だ:

  1. AA は正則だ。
  2. AA の RREF は InI_n だ。
  3. AAnn 個のピボット列を持つ。
  4. Ax=0Ax = \mathbf{0} の唯一の解は x=0x = \mathbf{0} だ。
  5. すべての bFnb \in F^n に対して方程式系 Ax=bAx = b はちょうど一つの解を持つ。
  6. AA の列は線型独立だ。

特異行列の例. B=(1224)B = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 4 \end{pmatrix}R2R22R1R_2 \leftarrow R_2 - 2R_1 を適用すると (1200)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}。第 2 列にピボットがないので BB は特異だ。写像 TBT_B 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

AA が正則なら、AA 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 A1A^{-1} を計算できる:

[AIn]RREF[InA1].(2)[A \mid I_n] \xrightarrow{\text{RREF}} [I_n \mid A^{-1}]. \tag{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。AAInI_n に簡約する操作の列が左乗算 EE に対応するなら EA=InEA = I_n よりつまり E=A1E = A^{-1} だ。同じ操作を InI_n に適用すると EIn=E=A1E I_n = E = A^{-1} が得られる。

左辺にゼロ行が現れたら AA は特異であり逆行列を持たない。

例. A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} の逆行列を計算する:

(12103401)R2R23R1(12100231)\left(\begin{array}{cc|cc} 1 & 2 & 1 & 0 \\ 3 & 4 & 0 & 1 \end{array}\right) \xrightarrow{R_2 \leftarrow R_2 - 3R_1} \left(\begin{array}{cc|cc} 1 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & -2 & -3 & 1 \end{array}\right) R212R2(1210013212)R1R12R2(1021013212)\xrightarrow{R_2 \leftarrow -\frac{1}{2}R_2} \left(\begin{array}{cc|cc} 1 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & \tfrac{3}{2} & -\tfrac{1}{2} \end{array}\right) \xrightarrow{R_1 \leftarrow R_1 - 2R_2} \left(\begin{array}{cc|cc} 1 & 0 & -2 & 1 \\ 0 & 1 & \tfrac{3}{2} & -\tfrac{1}{2} \end{array}\right)

したがって A1=(213212)A^{-1} = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ \tfrac{3}{2} & -\tfrac{1}{2} \end{pmatrix}。検証:AA1=(1234)(213212)=(1001)AA^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} -2 & 1 \\ \tfrac{3}{2} & -\tfrac{1}{2} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}

2×2 の公式

R\mathbb{R} 上の A=(abcd)A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} に対して、公式は簡略化される:

A1=1adbc(dbca),(3)A^{-1} = \frac{1}{ad - bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}, \tag{3}

ただし adbc0ad - bc \ne 0 のとき。量 adbcad - bc行列式 det(A)\det(A) であり、AA が正則なとき非ゼロだ。3×33 \times 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 AA1=A1A=InAA^{-1} = A^{-1}A = I_n から直接従う:

等式説明
(A1)1=A(A^{-1})^{-1} = AAAA1A^{-1} の逆行列
(AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}合成を元に戻すと順序が逆になる
(AT)1=(A1)T(A^T)^{-1} = (A^{-1})^T転置と逆行列は可換
(cA)1=c1A1(cA)^{-1} = c^{-1}A^{-1}c0c \ne 0スケーリングは逆数で元に戻す

積の規則 (AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-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×nn \times n 行列 AA正則であるとは、AB=BA=InAB = BA = I_n を満たす BB が存在することであり;この BB は一意で A1A^{-1} と書く。
  • 正則性は次と同値だ:AA の RREF が InI_n である;AAnn 個のピボット列を持つ;Ax=0Ax = \mathbf{0} の解が自明解のみ;すべての bb に対し Ax=bAx = b が唯一解を持つ。
  • A1A^{-1} の計算:[AIn][A \mid I_n][InA1][I_n \mid A^{-1}] にガウス・ジョルダン行簡約する。
  • 主要等式:(A1)1=A(A^{-1})^{-1} = A(AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}(AT)1=(A1)T(A^T)^{-1} = (A^{-1})^T
  • 2×22 \times 2 行列では:det(A)=adbc0\det(A) = ad - bc \ne 0 のとき A1=1det(A)(dbca)A^{-1} = \frac{1}{\det(A)}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}