線型方程式系
Basis前提知識
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
体 上の 個の未知数 に関する 本の線型方程式の系は次の形をしている:
ここで係数(coefficients) と右辺(right-hand sides) は与えられており、 本の方程式すべてを同時に満たす組 をすべて求めたい。そのような組を解(solution)、すべての解の集合を解集合(solution set)という。
行列形式:
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:
- は の係数行列(coefficient matrix)、
- は未知数ベクトル(unknown vector)(列ベクトル)、
- は右辺ベクトル(right-hand-side vector)。
積 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、 が に等しくなるすべての 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:
を の右に追加の列として付け加えたものだ。 番目と 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。
にガウス・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、 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
を RREF に簡約して を得たとする。 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)( 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 が次の形の行を含む:
これは方程式 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 部分のゼロ行がなく( の各列がピボット列)、 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 を直接読み取れる。
結果 3:無数の解
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、 列にピボットがない。各自由変数は 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 の核(kernel)の任意の元の和だ(核を参照):
特殊解は を満たす任意の一つの 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 が同次方程式系(homogeneous system) を与える。これは常に無矛盾だ: は常に解(自明解、trivial solution と呼ぶ)だ。解集合はちょうど 、つまり 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 より大きい。
同次方程式系は非同次方程式系 の解集合の構造を理解する上で中心的な役割を果たす: の任意の二つの解は の元だけ異なる。
まとめ
- 本 未知数の線型方程式系は を用いて とコンパクトに書ける。
- 拡大行列 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( 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 は常に無矛盾;その解集合は であり、核で探る。