線型方程式系

Basis
最終更新: タグ: Linear Algebra

科学と工学における計算問題のほぼすべては「これらの線型制約を満たす値を求めよ」に帰着する。加熱された棒の温度分布、電気回路の電流、市場を均衡させる価格——すべてが線型方程式系になる。線型方程式系の行列形式は、これらの問題を扱いやすくするレンズだ。

線型方程式系

FF 上の nn 個の未知数 x1,,xnx_1, \ldots, x_n に関する mm 本の線型方程式の系は次の形をしている:

{a11x1+a12x2++a1nxn=b1a21x1+a22x2++a2nxn=b2am1x1+am2x2++amnxn=bm\begin{cases} a_{11} x_1 + a_{12} x_2 + \cdots + a_{1n} x_n = b_1 \\ a_{21} x_1 + a_{22} x_2 + \cdots + a_{2n} x_n = b_2 \\ \quad \vdots \\ a_{m1} x_1 + a_{m2} x_2 + \cdots + a_{mn} x_n = b_m \end{cases}

ここで係数(coefficients)aijFa_{ij} \in F右辺(right-hand sides)biFb_i \in F は与えられており、mm 本の方程式すべてを同時に満たす組 (x1,,xn)Fn(x_1, \ldots, x_n) \in F^n をすべて求めたい。そのような組を(solution)、すべての解の集合を解集合(solution set)という。

行列形式:Ax=bAx = b

係数、未知数、右辺を行列にまとめると、方程式系はコンパクトな式になる:

Ax = b, \tag{1}

ここで:

  • AMm,n(F)A \in M_{m,n}(F)(A)ij=aij(A)_{ij} = a_{ij}係数行列(coefficient matrix)、
  • x=(x1,,xn)Fnx = (x_1, \ldots, x_n)^\top \in F^n未知数ベクトル(unknown vector)(列ベクトル)、
  • b=(b1,,bm)Fmb = (b_1, \ldots, b_m)^\top \in F^m右辺ベクトル(right-hand-side vector)。

AxAx は各方程式の左辺を正確に再現する。方程式系を解くことは、AxAxbb に等しくなるすべての xFnx \in F^n を求めることと同じだ。

拡大行列

(1) の両辺を別々に操作するのではなく、一つの行列にまとめる。拡大行列(augmented matrix)は:

[Ab]Mm,n+1(F),[A \mid b] \in M_{m,n+1}(F),

bbAA の右に追加の列として付け加えたものだ。nn 番目と (n+1)(n+1) 番目の列の間に縦棒を引き、最後の列が右辺であることを視覚的に示す。

[Ab][A \mid b]ガウス・ジョルダン消去法を適用すると、方程式系を単純化するために必要な基本行変換を、両辺を同時に追跡しながら実行できる。操作は解集合を変えないので、[Ab][A \mid b] の RREF は直接解を読み取れる等価な方程式系を与える。

RREF からの解の読み取り

[Ab][A \mid b] を RREF に簡約して [Rc][R \mid c] を得たとする。RR のピボット列に対応する変数が基本変数(basic variables)(自由変数を選べばその値が確定する)、自由列に対応する変数が自由変数(free variables)(FF の任意の値を取れる)だ。

ちょうど三つの結果が考えられる:

結果 1:不能(解なし)

RREF [Rc][R \mid c] が次の形の行を含む:

(0001),\begin{pmatrix} 0 & 0 & \cdots & 0 & \mid & 1 \end{pmatrix},

これは方程式 0=10 = 1 を表す。これは不可能なので、方程式系は解を持たない。幾何学的には、各方程式が定める超平面に共通点がない。

結果 2:唯一解

RREF に AA 部分のゼロ行がなく(RR の各列がピボット列)、bb 列にピボットがない。すべての変数が基本変数——自由変数がない。RREF の最後の列から唯一の値 x1,,xnx_1, \ldots, x_n を直接読み取れる。

結果 3:無数の解

RR の少なくとも一つの列が自由列(少なくとも一つの自由変数がある)で、bb 列にピボットがない。各自由変数は FF の任意の値を取れ、それぞれが異なる解を与える。完全な解集合は特殊解(particular solution)と AA(kernel)の任意の元の和だ(を参照):

x=xparticular+xhomogeneous,xhomogeneousker(A).x = x_{\text{particular}} + x_{\text{homogeneous}}, \qquad x_{\text{homogeneous}} \in \ker(A).

特殊解は Ax=bAx = b を満たす任意の一つの xx で;核の部分がすべての「自由度」を担当する。

同次方程式系

特別な場合 b=0b = \mathbf{0}同次方程式系(homogeneous system)Ax=0Ax = \mathbf{0} を与える。これは常に無矛盾だ:x=0x = \mathbf{0} は常に解(自明解、trivial solution と呼ぶ)だ。解集合はちょうど ker(A)\ker(A)、つまり AA の核だ。

同次方程式系が自明解しか持たない場合、係数行列は自由列を持たない(すべての列がピボット列)。非自明解を持つ場合、少なくとも一つの自由列があり、核は {0}\{\mathbf{0}\} より大きい。

同次方程式系は非同次方程式系 Ax=bAx = b の解集合の構造を理解する上で中心的な役割を果たす:Ax=bAx = b の任意の二つの解は ker(A)\ker(A) の元だけ異なる。

まとめ

  • mmnn 未知数の線型方程式系は AMm,n(F)A \in M_{m,n}(F) を用いて Ax=bAx = b とコンパクトに書ける。
  • 拡大行列 [Ab][A \mid b] は両辺をまとめる;これにガウス・ジョルダンを適用しても解集合は変わらない。
  • ちょうど三つの結果がある:不能bb 列にピボット)、唯一解(自由変数なし)、無数の解(自由変数が少なくとも一つ)。
  • 同次方程式系 Ax=0Ax = \mathbf{0} は常に無矛盾;その解集合は ker(A)\ker(A) であり、で探る。