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English

次元定理の応用|階数の不等式とシルヴェスター・フロベニウス

次元定理は等式ですが、使うときはたいてい不等式を作る道具になります。

写像を部分空間に制限してからこの等式を当てると、積や和のランクを上下から挟む評価が次々に出てきます。定理そのものの証明は核と像の記事にあるので、ここではその使い方だけを追います。

次元定理をどう使うか

行列で書くときは、列の本数が出発点の次元です。 行列とすると次の形になります。

この等式には が現れません。行き先がどれだけ広くても、効いているのは列の本数だけです。

そのまま使うと の一方から他方が出るだけです。おもしろくなるのは、写像を部分空間に絞ってから当てたときになります。

部分空間に制限してから当てる

を線形写像、 を部分空間とします。 の行き先を の元だけに限った写像を考えます。

この制限写像の核は 、像は です。定義域は なので、次元定理はこの形になります。

以下の不等式はすべて、この 1 本の等式から出ます。あとは に何を選ぶかだけの違いです。

像はどれだけ痩せるか

上の等式の第 1 項は、核との重なりの大きさです。重なりは核そのものより大きくなれません。

移項すると、像の次元を下から押さえる形が出ます。

潰れる余地は核の分しかないので、それを引いた分は必ず残る、と読めます。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 210" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<text x="230" y="24" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">核と重なった分だけ、像の次元が減ります</text>
	<text x="115" y="46" font-size="12" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">U</text>
	<rect x="70" y="55" width="90" height="35" fill="#f5f5f5" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<rect x="70" y="90" width="90" height="75" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.15" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></rect>
	<text x="115" y="77" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">核と重なる分</text>
	<text x="115" y="132" font-size="11" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">残る分</text>
	<line x1="175" y1="72" x2="292" y2="72" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1" stroke-dasharray="4 3"></line>
	<polygon points="292,68 300,72 292,76" fill="#c8c8c8"></polygon>
	<text x="315" y="77" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<line x1="175" y1="127" x2="292" y2="127" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<polygon points="292,123 300,127 292,131" fill="#1b81e0"></polygon>
	<text x="237" y="118" font-size="11" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">f</text>
	<text x="355" y="81" font-size="12" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">f(U)</text>
	<rect x="310" y="90" width="90" height="75" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.15" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></rect>
	<text x="230" y="197" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">重なりが大きいほど像は小さくなり、重なりがなければ次元は保たれます</text>
</svg>

例:制限で像が痩せる様子を見る

を、第 3 成分を にする写像とします。核は第 3 軸で、次元は です。

まず を次の 2 本が張る平面とします。

の元 が第 3 軸に乗るのは のときだけです。核との重なりは 次元で、像は 次元のまま残ります。

こんどは を第 1 軸と第 3 軸が張る平面とします。こちらは第 3 軸をまるごと含んでいます。

重なりが 次元あるので、像は 次元まで痩せます。実際 は第 1 軸だけになります。

同じ 次元の平面でも、核との位置関係で行き先の大きさが変わりました。

積のランクを下から押さえる

行列とします。積のランクには、よく知られた上からの評価があります。

下からの評価も存在します。これをシルヴェスターの階数不等式といいます。

証明は前節の当てはめだけです。 の像は、 の像に を当てたものにほかなりません。

そこで として前節の不等式を使います。 なので、右辺がそのまま目的の形になります。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 185" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<text x="230" y="24" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">積のランクは上と下から挟まれ、範囲だけが決まります</text>
	<rect x="240" y="92" width="80" height="28" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.15" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></rect>
	<line x1="60" y1="120" x2="400" y2="120" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="80" y1="120" x2="80" y2="126" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="160" y1="120" x2="160" y2="126" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="240" y1="120" x2="240" y2="126" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<line x1="320" y1="120" x2="320" y2="126" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<text x="80" y="142" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="160" y="142" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">1</text>
	<text x="240" y="142" font-size="11" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">2</text>
	<text x="320" y="142" font-size="11" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">3</text>
	<text x="240" y="80" font-size="11" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">下限</text>
	<text x="320" y="80" font-size="11" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">上限</text>
	<text x="230" y="172" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">rank A が 4、rank B が 3、間の次元が 5 のときの例です</text>
</svg>

等号が成り立つとき

証明を振り返ると、緩めたのは 1 か所だけです。核との重なりを核そのもので置き換えた不等式でした。

したがって等号が成り立つのは、その置き換えが正確なとき、つまり核が丸ごと の像に含まれるときです。

重なりを にする条件と取り違えないでください。そちらは上からの評価が等号になる場合で、 を与えます。

例:シルヴェスターの不等式を数値で見る

で試します。 を第 3 成分を捨てる 行列とします。

ランクは で、核は第 3 軸です。 には第 1 軸と第 2 軸を張る 行列を取ります。

こちらもランクは です。積は 次の単位行列になるので です。

下からの評価は で、実際の値 はそれより大きくなっています。 の核である第 3 軸が の像に入っていないので、等号にはなりません。

例:等号になる組

同じ に対して、 の側だけ取り替えます。

ランクは のままですが、像は第 1 軸と第 3 軸が張る平面に変わりました。積を計算します。

ランクは に落ちました。下からの評価も なので、こちらは等号です。

の核である第 3 軸が の像に丸ごと入っている、という前節の条件がそのまま効いています。

不等式が何も言わない場合

下からの評価は、いつでも役に立つわけではありません。 が負になると、 以上という当たり前の事実しか出てきません。

間に挟まる次元 が大きいほど、この現象が起きやすくなります。広い空間を経由すると、どこで潰れるか予想がつかなくなる、と読めます。

上からの評価

が上限です。積を取るとランクは増えないという、直観に沿った向きの評価になります

下からの評価

が下限です。両方のランクが に近いほど効き、遠いと に埋もれて何も言いません

逆に、 がどちらも に近ければ強い評価になります。次の節がその極端な場合です。

ランクが行数に届く行列を掛けても変わらない

行列で、ランクが行数の に届いているとします。このとき積のランクは のものと一致します。

下からの評価に を入れると です。上からの評価は を与えます。

両側から挟まれて等号が確定しました。正則行列を掛けてもランクが変わらないことは、 の場合にあたります。

逆行列を持ち出さずに済むところが、この導き方の便利な点です。正方行列でなくても結論が出ます。

和のランクは足し算を超えない

こんどは和を見ます。 を同じ型の行列とすると、次が成り立ちます。

理由は像の包含関係です。 なので、 の像は の像と の像を足した空間に含まれます。

部分空間の和の次元は、それぞれの次元の和を超えません。包含している以上、左辺の次元も同じ上限で押さえられます。

例:和のランク

次の行列で両極端を見ます。まず等号になる組です。

どちらもランクは で、和は単位行列なのでランクは です。 で等号が成り立ちました。

こんどは の符号を変えて、 を打ち消す形にします。

ランクは まで落ちました。上限の からはずいぶん離れています。

差の形でも押さえられる

和には下からの評価もあります。

出し方は上の不等式の使い回しです。 と書けば、上からの評価から が出ます。

のランクが と同じであることを使いました。移項すれば です。

の役を入れ替えれば逆向きの評価も出るので、絶対値の形にまとまります。先ほどの打ち消し合う例では、両辺とも で等号でした。

フロベニウスの不等式

3 つの行列が並ぶときには、もう一段強い評価があります。 がすべて定義できるとします。

証明の出発点は、制限したときの等式を差の形に書き直すことです。 として に当てます。

同じ式を について書けば、 です。

2 式の差を取ると、示すべき不等式は次の 1 行に落ちます。

に含まれるので、核と切り取った部分にも同じ包含が伝わります。包含すれば次元は増えません。

例:フロベニウスの不等式を確かめる

次の行列 3 つで見ます。 には成分を入れ替える行列を取ります。

は右上だけが の行列、 は左下だけが の行列で、どちらもランクは です。

を計算すると、 が第 2 行を捨て、 の中身が第 2 行にしかないので零行列になります。

左辺は 、右辺は です。等号が成り立ちました。

が正則で情報を落とさないのに、両側から挟まれて が消える。そういう組み合わせがあることを、この不等式は許しています。

シルヴェスターはフロベニウスの特別な場合

真ん中の 次の単位行列に置き換えてみます。 で、 です。

移項すればシルヴェスターの階数不等式そのものです。2 つの不等式は別物ではなく、片方がもう片方を含んでいました。

部分空間の和の次元

次元定理は、写像を作りさえすれば部分空間どうしの関係にも使えます。 の部分空間とします。

の元と の元の組全体を考えます。成分ごとに和とスカラー倍を入れると、次元が のベクトル空間になります。

この空間から への写像を、組 に和 を対応させることで作ります。像は です。

核は を満たす組なので、 の元として と書けるものの全体です。次元は になります。

次元定理を当てれば、見なれた公式が出ます。

重なった分を二重に数えているので引く、という読み方ができます。直和になるのは だけのときで、その場合は次元がそのまま足し算になります。

例:3 次元の中で平面どうしが交わる

の中で、第 3 成分が の平面を 、第 1 成分が の平面を とします。

どちらも 次元です。両方に属するのは第 1 成分も第 3 成分も のベクトルなので、 は第 2 軸で 次元です。

公式に入れると です。実際 全体になります。

にならないのは、第 2 軸を両方が持っているからです。引き算はその重複を落とす操作にあたります。

理解の確認

行列、 行列とし、 とします。 について言えるのはどれでしょうか。

  • にただ 1 つ決まる
  • 以上 以下の範囲に入る
  • 以上 以下としか言えない
__RESULT__

上からの評価は 、下からの評価はシルヴェスターの階数不等式で です。したがって値は のどちらかになります。1 つに決まらないのは、 の核と の像がどれだけ重なっているかで結果が変わるためです。

不等式の一覧

ここまでに出た評価を並べます。

対象下からの評価上からの評価
積 ABrank A + rank B - nmin(rank A, rank B)
和 A + B|rank A - rank B|rank A + rank B

積の の列数、つまり間に挟まる空間の次元です。行数や結果の型は関係しません。

3 つ並んだ積についてはフロベニウスの不等式が使えます。表に収まらない形をしていますが、真ん中を単位行列にすれば積の行に戻ります。

他の話題とのつながり

次元定理そのものの主張と証明は、核と像の記事にあります。核の基底を全体の基底へ延長する、という筋道でした。

ランクの求め方や、行で数えても列で数えても一致することは、ランクの記事で扱っています。この記事の不等式は、その値どうしの関係を述べたものです。

部分空間の和の次元は、直和の記事でも使われます。共通部分が だけという条件が、次元の足し算と対応していました。

線形写像を短完全列という形で並べると、次元定理は交代和が になるという主張の特別な場合として読めます。ホモロジー代数へつながる見方です。

よくある誤り

下からの評価で に行数を入れてしまう間違いがあります。使うのは の列数、つまり間に挟まる空間の次元です
から決まると考えると外します。決まるのは範囲だけで、値は核と像の重なり方に左右されます
シルヴェスターの等号条件を「核と像の共通部分が 」と覚えるのは取り違えです。正しくは核が像に丸ごと含まれることで、共通部分が のほうは上限側の条件です
和のランクに をそのまま代入すると危険です。あれは上限であって、打ち消し合えば まで落ちます
を絶対値なしで使うと、負の下限を書くことになります。役を入れ替えた評価と合わせて絶対値にします
部分空間の和の次元で共通部分を引き忘れる誤りは根強いものがあります。重なりを二重に数えたぶんを落とす操作です
フロベニウスの不等式の向きを逆に覚えると使えません。 の側が右辺、両端で挟んだ 2 つが左辺に来ます

参考文献

Rank (linear algebra) - Wikipedia
Rank–nullity theorem - Wikipedia
Sylvester's rank inequality - Wikipedia
Rang einer Matrix - Wikipedia(ドイツ語)
Théorème du rang - Wikipédia(フランス語)
Teorema del rango - Wikipedia(イタリア語)
次元定理は等式ですが、写像を部分空間に制限してから当てると不等式が生まれます。制限先に何を選ぶかを変えるだけで、積のランクを下から押さえるシルヴェスターの階数不等式、三つ並んだ積に効くフロベニウスの不等式、和のランクの評価、部分空間の和の次元公式が順に出てきます。等号が成り立つ条件と、評価が空振りする場合も添えます。