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数学・工学事典 / 数学 / 線形代数 / 行列の応用

線形写像

線形写像

% $S$, $T$ を 2 つの集合とする。 $S$ の各要素 $x$ に $T$ の要素 $y=\varphi(x)$ をただひとつ 対応させる規則 $\varphi$ を $S$ から $T$ への \ommindex{写像}{しゃぞう}という。 $\varphi$ が $S$ から $T$ への写像であるということを % \begin{eqnarray*} \varphi:S \to T \end{eqnarray*} % と表す。 このとき次のように定める。 % \begin{enumerate} \item[(1)] $T$ のすべての要素 $y$ に対して $y=\varphi(x)$ となる $S$ の要素 $x$ が 存在するとき, $\varphi$ は\ommindex{全射}{ぜんしゃ} または\ommindex{上への写像}{うえへのしゃぞう}であるという。 \item[(2)] $S$ の任意の異なる要素 $x_1$, $x_2$ に対して, $\varphi(x_1)$ と $\varphi(x_2)$ が異なるとき, $\varphi$ は\ommindex{単射}{たんしゃ} または\ommindex{1対1の写像}{いちたいいちのしゃぞう}であるという。 \end{enumerate} % $\varphi$ が全単射であるとき, $T$ の任意の要素 $\vt{y}$ に対して $\varphi(\vt{x})=\vt{y}$ となる $S$ の要素 $\vt{x}$ がただ1つだけ存在する。 このとき, $\vt{y}$ に $\vt{x}$ を対応させる写像 % \begin{align*} \varphi^{-1}:T \to S \end{align*} % を $\varphi$ の\ommindex{逆写像}{ぎゃくしゃぞう}といい, $\vt{x}$ を $\vt{y}$ の\ommindex{逆像}{ぎゃくぞう}という。 ベクトル空間 $\vt{V}$ から $\vt{W}$ への写像 $\varphi:\vt{V}\to\vt{W}$ が 任意の実数 $\alpha$ と, $\vt{V}$ の任意の要素 $\vt{x}$, $\vt{x}_1$, $\vt{x}_3$ について, 次の性質を満たすとき, $\varphi$ は\ommindex{線形写像}{せんけいしゃぞう}であるという。 % \begin{enumerate} \item[(1)] $\varphi(\alpha\,\vt{x})=\alpha\,\varphi(\vt{x})$ \item[(2)] $\varphi(\vt{x}_1+\vt{x}_2)=\varphi(\vt{x}_1)+\varphi(\vt{x}_2)$ \end{enumerate} %

線形写像の表現行列

% $\vt{V}$ は $\left(\vt{e}_1,\,\vt{e}_2,\ldots ,\vt{e}_n\right)$ を 基底とする $n$ 次元ベクトル空間, $\vt{W}$ は $\left(\vt{f}_1,\,\vt{f}_2,\,\ldots ,\vt{f}_m\right)$ を 基底とする $m$ 次元ベクトル空間であるとする。 $\varphi\,:\, \vt{V}\to\vt{W}$ を $V$ から $W$ への線形写像であるとする。 このとき, 各 $i$ $(1\le i\le n)$ について, % \begin{eqnarray*} \varphi(\vt{e}_i) = a_{1i}\vt{f}_1+a_{2i}\vt{f}_2+\cdots +a_{mi}\vt{f}_m \end{eqnarray*} % と表現されているとする。 このとき, 行列 % \begin{align*} A_{\varphi} = \left(\begin{array}{cccc} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{array}\right) \end{align*} % を線形写像 $\varphi$ の \ommindex{表現行列}{ひょうげんぎょうれつ}という。 このとき, 2つの基底の間の関係式は % \begin{align*} & \left( \varphi(\vt{e}_1),\,\varphi(\vt{e}_2), \ldots ,\varphi(\vt{e}_n) \right) \\ &= \left(\vt{f}_1,\,\vt{f}_2,\,\ldots ,\vt{f}_m\right) \left(\begin{array}{cccc} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{array}\right) \end{align*} % と表される。 ここで, 基底およびその像を % \begin{align*} \mathbb{E} &= \left(\vt{e}_1,\vt{e}_2, \ldots ,\vt{e}_n\right) \\ \mathbb{F} &= \left(\vt{f}_1,\,\vt{f}_2,\,\ldots ,\vt{f}_m\right) \\ \varphi(\mathbb{E}) &= \left( \varphi(\vt{e}_1),\,\varphi(\vt{e}_2), \ldots ,\varphi(\vt{e}_n) \right) \end{align*} % と表すことにすれば, 上の関係式は下のように表される。 % \begin{eqnarray*} \varphi(\mathbb{E}) = \mathbb{F}A_{\varphi} \end{eqnarray*} % %

線形写像の核と像

線形写像 $\varphi\,:{V}\to{W}$ に対して, $V$ の部分空間 $\ker{\varphi}$ を % \begin{align*} \ker{\varphi} = \left\{ \vt{x}\in {V} \,|\, \varphi(\vt{x})=\vt{0} \right\} \end{align*} % と定める。 $\ker{\varphi}$ を線形写像 $\varphi$ の\ommindex{核}{かく}という。 また, $W$ の部分空間 $\im{\varphi}$ を % \begin{align*} \im{\varphi} = \left\{ \varphi(\vt{x})\in {W} \,|\, \vt{x} \in {V} \right\} \end{align*} % と定める。 $\ker{\varphi}$ を線形写像 $\varphi$ の\ommindex{像}{ぞう}という。 %=image:/media/2014/08/02/140697685916821500.png: このとき, 次が成り立つ。 % \begin{enumerate} \item[(1)] 線形写像 $\varphi$ が単射であることと, $\ker{\varphi}=\{\vt{0}\}$ であることは同値である。 \item[(2)] 線形写像 $\varphi$ が全射であることと, $\im{\varphi}=W$ であることは同値である。 \end{enumerate} %