連立一次方程式の解の構造

Basis
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ガウス・ジョルダン消去法はピボットと自由列を通じて Ax=bAx = b の解を分類する。ランク(rank)はたった一つの数で同じ情報をより簡潔に表す。rank(A)\text{rank}(A) と rank([A∣b])\text{rank}([A \mid b]) を比較すれば解の存在が分かり、rank(A)\text{rank}(A) と nn を比較すれば解がただ一つかどうかが分かる。解が存在するとき、その全体はアフィン部分空間(affine subspace)——ker⁡(A)\ker(A) を特殊解だけ平行移動した集合——を形成し、その次元はランク・零化域定理が正確に定める。

拡大係数行列のランク

拡大係数行列 [A∣b][A \mid b] は AA と同じ mm 行を持ち、列が一つ多い。行簡約すると、[A∣b][A \mid b] の RREF は AA の RREF よりピボットが最大一つ多く、それは追加した最後の列にピボットが現れる場合に限る。したがって

rank([A∣b])={rank(A)if b∈col(A),rank(A)+1if b∉col(A).\text{rank}([A \mid b]) = \begin{cases} \text{rank}(A) & \text{if } b \in \text{col}(A), \\ \text{rank}(A) + 1 & \text{if } b \notin \text{col}(A). \end{cases}

条件 b∈col(A)b \in \text{col}(A) は Ax=bAx = b が解を持つための条件そのものであり、上の観察は偶然ではない。

整合性の判定条件

定理: 連立方程式 Ax=bAx = b が整合(少なくとも一つの解を持つ)であるための必要十分条件は

rank(A)=rank([A∣b])\text{rank}(A) = \text{rank}([A \mid b])

が成り立つことである。

証明: [A∣b][A \mid b] を RREF に簡約して [R∣c][R \mid c] を得る。方程式が非整合であるのは、[R∣c][R \mid c] のある行が (0  0  ⋯  0∣1)(0\; 0\; \cdots\; 0 \mid 1) という形、すなわち最後の列にピボットが現れる形になる場合に限る。そのような行は AA に由来しないピボットを [A∣b][A \mid b] に加えるから rank([A∣b])=rank(A)+1\text{rank}([A \mid b]) = \text{rank}(A) + 1 となる。逆にそのような行が現れなければ [A∣b][A \mid b] の RREF は AA の RREF と全く同じピボットを持つから rank([A∣b])=rank(A)\text{rank}([A \mid b]) = \text{rank}(A) となり、方程式は整合である。□\square

一意性の判定条件

方程式が整合、すなわち rank(A)=rank([A∣b])=r\text{rank}(A) = \text{rank}([A \mid b]) = r であると仮定する。AA の RREF は rr 個のピボット列と n−rn - r 個の自由列を持つ。各自由列が一つの自由変数を生み、各自由変数が解集合の自由度を一次元増やす。したがって

  • rank(A)=n\text{rank}(A) = n のとき: 自由変数がなく、解は唯一。
  • rank(A)<n\text{rank}(A) < n のとき: n−rank(A)>0n - \text{rank}(A) > 0 個の自由変数があり、解は無限に多く存在する。

完全な分類

条件結果
rank(A)<rank([A∣b])\text{rank}(A) < \text{rank}([A \mid b])解なし
rank(A)=rank([A∣b])=n\text{rank}(A) = \text{rank}([A \mid b]) = n唯一解
rank(A)=rank([A∣b])<n\text{rank}(A) = \text{rank}([A \mid b]) < n無限に多くの解

この三つの場合は網羅的であり、すべての連立方程式はそのうち正確に一つに当てはまる。

アフィン部分空間の構造

Ax=bAx = b が整合なとき、解全体は幾何学的に整った形をなす。

定理: xpx_p を Ax=bAx = b の任意の特殊解とする。解全体の集合は

{x∈Fn:Ax=b}=xp+ker⁡(A)≔{xp+h:h∈ker⁡(A)}\{x \in F^n : Ax = b\} = x_p + \ker(A) \coloneqq \{x_p + h : h \in \ker(A)\}

である。

証明:

  • (⊇\supseteq)任意の h∈ker⁡(A)h \in \ker(A) に対して A(xp+h)=Axp+Ah=b+0=bA(x_p + h) = Ax_p + Ah = b + \mathbf{0} = b が成り立つので、xp+hx_p + h は解である。
  • (⊆\subseteq)任意の解 xx に対して A(x−xp)=Ax−Axp=b−b=0A(x - x_p) = Ax - Ax_p = b - b = \mathbf{0} が成り立つから x−xp∈ker⁡(A)x - x_p \in \ker(A)、よって x=xp+(x−xp)∈xp+ker⁡(A)x = x_p + (x - x_p) \in x_p + \ker(A)。□\square

集合 xp+ker⁡(A)x_p + \ker(A) は FnF^n のアフィン部分空間と呼ばれ、線形部分空間 ker⁡(A)\ker(A) を特殊解 xpx_p だけ平行移動したものである。これ自体が線形部分空間になるのは xp=0x_p = \mathbf{0}、すなわち b=0b = \mathbf{0} のときに限る。

解集合の次元

ランク・零化域定理より nullity(A)=n−rank(A)\text{nullity}(A) = n - \text{rank}(A)。xp+ker⁡(A)x_p + \ker(A) は ker⁡(A)\ker(A) の平行移動であるから、ker⁡(A)\ker(A) と同じ次元 n−rank(A)n - \text{rank}(A) を持つ。

rank(A)\text{rank}(A)nullity(A)\text{nullity}(A)解集合の形
nn00一点
n−1n - 111xpx_p を通る直線
n−kn - kkkxpx_p を通る kk 次元アフィン平坦

計算例

Ax=bAx = b を解く。ただし

A=(12−124−2),b=(36).A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 \\ 2 & 4 & -2 \end{pmatrix}, \qquad b = \begin{pmatrix} 3 \\ 6 \end{pmatrix}.

ステップ 1: 整合性を確認する。 拡大係数行列を行簡約する。

(12−1324−26)→R2←R2−2R1(12−130000).\begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & 3 \\ 2 & 4 & -2 & 6 \end{pmatrix} \xrightarrow{R_2 \leftarrow R_2 - 2R_1} \begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}.

これが RREF である。ピボットは第 1 列の一つだけなので rank(A)=1\text{rank}(A) = 1、rank([A∣b])=1\text{rank}([A \mid b]) = 1。等しいので方程式は整合である。

ステップ 2: 自由変数の個数を数える。 n=3n = 3、rank(A)=1\text{rank}(A) = 1 より自由変数は 3−1=23 - 1 = 2 個(x2x_2 と x3x_3)。解集合は 2 次元のアフィン部分空間である。

ステップ 3: 特殊解を求める。 自由変数をゼロに設定する: x2=0x_2 = 0、x3=0x_3 = 0。すると x1=3x_1 = 3 となり

xp=(300).x_p = \begin{pmatrix} 3 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}.

ステップ 4: ker⁡(A)\ker(A) の基底を求める。 RREF から x1=−2x2+x3x_1 = -2x_2 + x_3。パラメータ x2=sx_2 = s、x3=tx_3 = t を割り当てると

ker⁡(A)=span ⁣{(−210),  (101)}.\ker(A) = \text{span}\!\left\{ \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix},\; \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \right\}.

ステップ 5: 解全体を記述する。 アフィン部分空間定理より

x=(300)+s(−210)+t(101),s,t∈F.x = \begin{pmatrix} 3 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} + s\begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} + t\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}, \qquad s, t \in F.

これは xpx_p を通る F3F^3 内の 2 次元アフィン平面である。

b=(3,7)⊤b = (3, 7)^\top の場合はどうなるか? R2←R2−2R1R_2 \leftarrow R_2 - 2R_1 を適用すると (0,0,0∣1)(0, 0, 0 \mid 1) という行が現れ、最後の列にピボットが生じる。rank([A∣b])=2≠1=rank(A)\text{rank}([A \mid b]) = 2 \ne 1 = \text{rank}(A) となり、方程式は解を持たない。

まとめ

  • 整合性の判定条件: Ax=bAx = b が整合であるのは rank(A)=rank([A∣b])\text{rank}(A) = \text{rank}([A \mid b]) のときかつそのときに限る。
  • 一意性の判定条件: 整合な方程式が唯一解を持つのは rank(A)=n\text{rank}(A) = n のときかつそのときに限る。
  • 三つの場合: rank(A)<rank([A∣b])\text{rank}(A) < \text{rank}([A \mid b]) は解なし、rank(A)=n\text{rank}(A) = n は唯一解、整合かつ rank(A)<n\text{rank}(A) < n は無限に多くの解。
  • アフィン部分空間定理: 整合な方程式の解全体は、任意の特殊解 xpx_p に対して xp+ker⁡(A)x_p + \ker(A) ——核の平行移動——である。
  • 次元: 解集合の次元はランク・零化域定理により nullity(A)=n−rank(A)\text{nullity}(A) = n - \text{rank}(A) である。