線形代数ってそもそもなに?ベクトルと行列をざっくりつかむ
線形代数が調べるのは「まっすぐな写像」だけです。曲がったものは扱いません。
まっすぐとは、次の 2 つを満たすこと。足してから送っても、送ってから足しても同じ。定数倍も同じように通り抜ける。
条件が厳しいぶん、分かることが多い。この 2 行から出てくるものを積み上げていく分野です[3]。
ベクトルは矢印だけではない
高校では、ベクトルを「向きと大きさを持つ量」と習います。線形代数では定義が変わり、もっと広くなります。
足し算とスカラー倍ができて、次の 8 つが成り立つ集合。それがベクトル空間です[1]。
新しい規則は 1 つもありません。数の計算でやっていたことを、そのまま持ってきただけ[1]。
違うのは、何と何を掛けてよいかです。ベクトルどうしは掛けられず、ベクトルに数を足すこともできません。
例:ベクトル空間になるもの
の列ベクトルは、もちろんベクトル空間です。それ以外にもたくさんあります。
次以下の多項式の全体は、足してもスカラー倍しても 次以下のまま。ベクトル空間になります。次元は で、基底は 。
行列の全体も同じです。次元は 。行列という見かけを外すと、 と変わりません。
区間 上の連続関数の全体もベクトル空間になります。こちらは有限個の基底では書けず、無限次元です。

線形写像
ベクトル空間からベクトル空間への写像で、冒頭の 2 つを満たすものを線形写像と呼びます[3]。
の回転は線形です。 本の矢印を先に足してから回しても、別々に回してから足しても同じ結果になります。
平行移動は線形ではありません。 とすると ですが、 で一致しない。
微分は線形です。、。積分も同じ。だから微分方程式に線形代数が効きます。
基底の行き先だけで全部決まる
線形写像は、基底をどこへ送るかを決めれば、それ以上決めることがありません。ここが線形の強さです。
の基底を とし、 と書きます。 を当てると、条件がそのまま使えます。
右辺に出てくるのは だけ。 個の行き先を決めれば、残りの無限個の点での値が自動で決まります。
2 つの線形写像 、 が基底で一致すれば、どこでも一致する。上の式で右辺が同じになるためです。
行列は座標での姿
を行き先側の基底で書き、その座標を第 列に立てて並べる。これが表現行列です[3]。
個の行き先を表にしただけのもの。だから行列は写像そのものではなく、基底を選んだあとの姿になります。
座標に直すと、写像の適用が行列の積になります。
基底を選び直せば、同じ写像でも別の行列が出ます。どの基底を選ぶと簡単になるか、という問いが分野のあちこちに出てきます。
掛け算があの形をしている理由
行列の積の定義を、最初は覚えにくいと感じます。行と列を掛けて足す、という規則には理由があります。
写像を 2 回続けるとどうなるかを、座標で書くだけです。 が へ移り、それが へ移る。
この が積の定義になります。写像の合成が先にあり、それに合わせて積を定めた、という順番[3]。
積の順番を入れ替えられないのも、ここから分かります。回してから伸ばすのと、伸ばしてから回すのは、結果が違うためです。
連立方程式は 1 本の式になる
元 本の連立一次方程式は、行列を使えば 1 行で書けます。
は係数を並べた 行列。方程式を解くことは、 へ移るような を探すことになります。
解の個数は、 個か 個か無限個のどれかです。「ちょうど 個」は起こりません。
理由は線形性から出ます。、 が両方とも解なら、差 は を満たす。
すると もすべて解になります。 なら、 の数だけ解が並ぶ。
解が 2 つある
差が を満たす
その方向へずらした点が全部解になる
行列式は面積の変化率
次の行列式 は、単位正方形が移った先の面積を表します。符号は向きが裏返ったかどうか。
なら、正方形が の長方形になり、面積は 。 と一致します。
せん断は面積を変えません。傾けても底辺と高さが同じなので、 のままです。
になるのは、正方形がつぶれて線分や点になるとき。このとき は逆行列を持ちません。
次なら体積、一般の 次なら 次元の体積の変化率になります[3]。
つぶれない。逆行列があり、 の解がただ 1 つに決まる
つぶれる。逆行列がなく、解は 個か無限個のどちらかになる
固有ベクトルは向きの変わらない方向
写像を当てても向きが変わらず、伸び縮みするだけの方向があります。そういう方向が固有ベクトルです。
が固有値で、何倍に伸びるかを表します。 が負なら、向きが逆になって伸びる。
次の で試します。
を送ると で 倍、 を送ると でそのまま。伸び方が方向ごとに違います。
固有ベクトルを基底にとると、行列が対角行列になります。方向ごとの伸び縮みだけになるので、 乗のような計算も簡単に済みます。
内積を入れると長さと角度が出る
ここまでの話に、長さも角度も出てきませんでした。ベクトル空間の公理には入っていないためです。
あとから内積を入れると、長さが で決まります。角度も内積から決まる。
内積を変えれば、何が直角かも変わります。長さと角度は、空間にもとから備わったものではありません。
直交する基底をとると計算が軽くなるので、そこを目指す手順がいくつも用意されています。
なぜ線形だけで足りるのか
世の中の現象は、たいてい線形ではありません。それでも線形代数が効くのは、微分が線形近似だからです。
変数なら 。 について線形な項で、もとの関数を近似しています。
多変数でも同じで、微分にあたるものはヤコビ行列という線形写像です。曲がった関数を、点ごとにまっすぐな写像で置き換えている。
だから微分が使える場面では、必ず線形代数が下敷きになります。曲がったものを扱う分野ほど、線形代数を土台に据えることになる。
線形代数は、曲がったものを扱えないから弱い のではありません。
曲がったものを点ごとにまっすぐな写像へ置き換える、という道具立てが微分。その置き換え先を扱うのが線形代数になる。
この先に出てくるもの
分野の地図をざっと並べておきます。どれも、ここまでの言葉で書けるものです[2]。
順番は教科書によって変わりますが、土台はどれも同じです。ベクトル空間と線形写像、その 2 つだけ。
は線形写像ですか。
- 線形写像である
- 線形写像ではない
- の範囲による
決まり方も確かめます。
から への線形写像を 1 つ定めるには、何を決めれば足りますか。
- 基底 3 本の行き先
- すべての点の行き先
- 原点の行き先だけ
に線形性を当てると になります。、、 の 3 つを決めれば、残りは自動で決まる。この 3 つを列に並べたものが表現行列です。
まっすぐな写像だけを扱う。その代わり、基底の行き先という有限個の情報で写像を完全に押さえられる。線形代数の見通しのよさは、この交換から来ています。












f(x+y)=3x+3y+1 ですが、f(x)+f(y)=3x+3y+2 で一致しません。定数項があると、原点が原点に移らないので線形になりません。グラフが直線でも、線形写像とは限らないわけです。