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データサイエンスのための線形代数 第27回 解の数

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本記事は数学講座6.2 解の数を勉強して投稿したメモです。詳細は元の素晴らしい講座のページをチェックしてください。

解の数の判別方法

データサイエンスのための線形代数 第20回 行列関数の単射で説明した通りで、

  • 単射の時に、値域の任意のベクトルに対して、定義域で唯一なベクトルがあります。
  • 非単射の時に、値域の任意のベクトルに対して、定義域で無限のベクトルがあります。

image.png

単射の条件が、$A$行列が列フルランクです。

まとめて、判別方法は以下の通りです:

線形方程式$\boldsymbol{A}\boldsymbol{x}=\boldsymbol{b}$について考えます。ここで、その拡大行列を$\boldsymbol{B}=(\boldsymbol{A}\ |\ \boldsymbol{b_{}})$とします。行列$\boldsymbol{A}はm\times n$の行列である場合、以下のような性質が成り立ちます:

  • 唯一の解が存在する場合、その条件は$rank(\boldsymbol{A})=rank(\boldsymbol{B})=n$です。
  • 無数の解が存在する場合、その条件は$rank(\boldsymbol{A})=rank(\boldsymbol{B})<n$です。

$rank(\boldsymbol{A})=rank(\boldsymbol{B})$が解ある(解の存在性)の前提条件です!

フルランク行列が唯一解あり

フルランクが全単射ですので、解あり且つ唯一解です。

  • 定義域:値域 = 1 : 1(列フルランク 唯一解)
  • 到達域:値域 = 1 : 1(行フルランク 解あり)
    image.png

解の数の例

以下の線形方程式に解があるか、また解の数は?

\begin{cases}
    -x_1+2x_2=0\\
    \qquad\quad2x_2=2\\
    \ \ \ x_1-2x_2=0
\end{cases}

解:

係数行列$A$と拡大行列$B$:
image.png

$rank(\boldsymbol{A})=rank(\boldsymbol{B})=2$ですので、上記の解の数の判別方法にれば、唯一解になります。

フルランク行列の例

以下の線形方程式に解があるか、また解の数は?

\begin{cases}x+y+z=2\\2x+y-z=3\\-2x+y-z=1\end{cases}

解:

線形方程式を以下の行列関数に変換します:

\underbrace{\begin{pmatrix}1&1&1\\2&1&-1\\-2&1&-1\end{pmatrix}}_{\boldsymbol{A}}\underbrace{\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}}_{\boldsymbol{x}}=\underbrace{\begin{pmatrix}2\\3\\1\end{pmatrix}}_{\boldsymbol{b}}

$A$と基本行変換をすると:

フルランク行列ですので、唯一解になります

参照情報

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