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行列のランクを求める練習|行基本変形・行列式・積と和のランク

行列のランクは、行基本変形で行階段形に直したときのピボットの個数である。列ベクトルから一次独立に選べる最大個数にも等しい。

以下の問題は、掃き出して数える型から始めてある。後半には行列式と小行列式で判定する型、積や和のランクを見積もる型を置いた。

行階段形とピボット

各行で最初に現れる でない成分をピボットという。行階段形では、ピボットの位置が下の行ほど右へずれていく。

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	<text x="48" y="26" font-size="11" fill="#1f1f1f">階段の下はすべて 0 で、段の数がランクになる</text>
	<rect x="110" y="50" width="250" height="128" fill="none" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<line x1="160" y1="50" x2="160" y2="178" stroke="#e8e8e8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="210" y1="50" x2="210" y2="178" stroke="#e8e8e8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="260" y1="50" x2="260" y2="178" stroke="#e8e8e8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="310" y1="50" x2="310" y2="178" stroke="#e8e8e8" stroke-width="1"></line>
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	<line x1="110" y1="114" x2="360" y2="114" stroke="#e8e8e8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="110" y1="146" x2="360" y2="146" stroke="#e8e8e8" stroke-width="1"></line>
	<polyline points="110,50 110,82 160,82 160,114 260,114 260,146 360,146" fill="none" stroke="#d0562a" stroke-width="2"></polyline>
	<circle cx="135" cy="70" r="4" fill="#1b81e0"></circle>
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	<circle cx="285" cy="134" r="4" fill="#1b81e0"></circle>
	<text x="185" y="74" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">*</text>
	<text x="235" y="74" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">*</text>
	<text x="285" y="74" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">*</text>
	<text x="335" y="74" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">*</text>
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	<text x="235" y="138" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
	<text x="335" y="138" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">*</text>
	<text x="135" y="170" font-size="12" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">0</text>
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	<text x="372" y="74" font-size="11" fill="#1b81e0">青丸がピボット</text>
	<text x="48" y="200" font-size="11" fill="#9a9a9a">この例ではピボットが 3 個なので、ランクは 3 である</text>
</svg>

ピボットの個数は、途中でどの変形を選んでも変わらない。だから「どう掃き出すか」を悩む必要はなく、行が消えるまで進めればよい。

問題 1:行が比例している行列

次の行列のランクを求めよ。

解答 1

行が第 行の 倍、第 行が 倍になっている。掃き出すと 行とも消える。

ピボットは 個だけである。

行がすべて 本のベクトルの定数倍になっているので、行の張る空間は直線になる。

問題 2:3 次でランクが落ちる例

次の行列のランクを求めよ。

解答 2

列で掃き出す。

行と第 行が一致したので、片方が消える。

ピボットは 個である。

もとの行列を見ると第 行が第 行と第 行の和になっている。掃き出す前に気づけば計算を省ける。

問題 3:4 次の行列

次の行列のランクを求めよ。

解答 3

列を掃き出す。

下の 行がそろってしまった。 行が消える。

次の行列だがピボットは 個しかない。

行が第 行と第 行の和、第 行が 倍の第 行と第 行の和になっている。

問題 4:フルランクの例

次の行列のランクを求めよ。

解答 4

列を掃き出す。

続けて第 列を掃き出す。

行とも生き残った。

正方行列でランクが次数と一致する状態をフルランクという。このとき逆行列が存在する。

問題 5:横長の行列

次の行列のランクを求めよ。

解答 5

行が 本しかないので、ランクは多くても である。

行は消えなかった。ピボットは第 列と第 列にある。

一般に 行列のランクは を超えない。行の本数と列の本数の小さいほうで頭打ちになる。

問題 6:縦長の行列と転置

次の行列のランクを求め、問題 5 の結果と比べよ。

解答 6

列が 本なので、ランクは多くても である。掃き出す。

零行列の行が途中に挟まっているので、入れ替えて下へ送る。

ピボットは 個である。

この は問題 5 の の転置になっている。値が一致したのは偶然ではなく、どんな行列でも が成り立つ。

行から数えても列から数えても同じ値になる、という主張でもある。縦長の行列が出てきたら、転置して横長にしてから掃き出してもよい。

問題 7:パラメータを含む行列

を実数とする。次の行列のランクを で分類せよ。

解答 7

まず行列式を計算する。フルランクかどうかがこれで決まる。

因数分解すると次のようになる。

かつ なら行列式が でないので、ランクは である。

のときは第 列が となり、第 列と一致する。残る 列は一次独立なのでランクは になる。

のときは第 列と第 列が で一致する。やはりランクは である。

まとめると、 でランク または でランク となる。第 列と第 列がどんな でも一次独立なので、ランクが 以下になる は存在しない。

問題 8:行列式で判定する

次の行列のランクを、掃き出さずに求めよ。

解答 8

正方行列なら、行列式が でないことがフルランクと同じ意味を持つ。

順に計算する。

でないので、ランクは次数に等しい。

この手が使えるのは正方行列に限られ、しかも「 かそれ未満か」しか分からない。値が だったときは、結局もっと小さい行列式を見るか掃き出すことになる。

問題 9:小行列式で判定する

次の行列のランクを、小行列式を使って求めよ。

解答 9

ランクは「 でない小行列式の最大の次数」に等しい。 なので、まず 次から調べる。

行を選ぶ選び方は 通りある。どれを計算しても になる。

残る 通りも である。したがってランクは 以下になる。

次に 次の小行列式を つ見つける。第 行と第 行、第 列と第 列を取る。

でない 次の小行列式があるので、ランクはちょうど である。

小行列式による判定は、 でないものを つ見つければ下から押さえられる点が便利である。ただし上から押さえるにはすべてを調べる必要があり、次数が上がると掃き出すほうが速い。

問題 10:積のランク

次の つの行列について、それぞれのランクと積 のランクを求めよ。

解答 10

どちらも第 行が第 行の定数倍なので、ランクは ずつである。積を計算する。

零行列になったので、ランクは である。

一般に が成り立つ。この例は不等号が真に成り立つ場合で、掛けるとランクは下がりうるが上がることはない。

問題 11:和のランク

次の つの行列について、 のランクを求めよ。また のランクとも比べよ。

解答 11

どちらもランクは である。足すと単位行列になる。

ランクは で、 に一致した。一方 は零行列で、ランクは に落ちる。

この不等式は等号になることも、大きく下回ることもある。和のランクは足し算では決まらない。

問題 12:ランク 1 の行列を作る

とする。 のランクを求めよ。

解答 12

まず積を書き下す。 の各成分に を掛ければよい。

行は第 行の 倍、第 行は 倍である。掃き出せば 行が消える。

どの行も の定数倍になっているので、 がどちらも零ベクトルでなければ必ずランク になる。逆にランク の行列は、すべてこの形に書ける。

問題 13:列基本変形も使う

問題 2 の行列 を、行と列の基本変形を両方使って簡単な形にせよ。

解答 13

行の掃き出しはすでに終わっている。

ここから列を操作する。第 行を使って第 列と第 列を掃く。

行を使って第 列を掃き、最後に第 列を 倍する。

左上に つ並び、残りは になった。この形を標準形といい、並ぶ の個数がランクである。

列基本変形を混ぜてよいのは、ランクを求めるときに限る。連立方程式を解いている途中で列を動かすと、変数の対応が入れ替わってしまう。

問題 14:ランクとして起こりうる値

行列のランクとして、どんな値がありうるか答えよ。

解答 14

上限は行数と列数の小さいほうである。

下限は で、零行列のときに限って達成される。

途中の値もすべて実現できる。左上に 個並べて残りを にした行列を作れば、ランクはちょうど になる。

以上にならない理由は、行が 本しかないからである。一次独立に選べる行は最大でも 本しかない。

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	<text x="48" y="26" font-size="11" fill="#1f1f1f">3 次の行列では、列の張る空間の次元がランクである</text>
	<line x1="70" y1="140" x2="150" y2="80" stroke="#1b81e0" stroke-width="1.5"></line>
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	<circle cx="130" cy="95" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
	<polygon points="200,130 265,110 300,70 235,90" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.18" stroke="#1b81e0" stroke-width="1.5"></polygon>
	<line x1="390" y1="115" x2="345" y2="135" stroke="#1b81e0" stroke-width="1.5"></line>
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	<polygon points="345,135 390,115 425,130 380,150" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.10" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></polygon>
	<text x="110" y="172" font-size="11" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">ランク 1</text>
	<text x="250" y="172" font-size="11" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">ランク 2</text>
	<text x="385" y="172" font-size="11" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">ランク 3</text>
	<text x="110" y="190" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">直線</text>
	<text x="250" y="190" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">平面</text>
	<text x="385" y="190" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">空間全体</text>
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よくある誤り

掃き出しの途中で行を入れ替えるのをためらう。入れ替えてもランクは変わらない
でない行の本数を数える前に、階段形になっているか確かめること。段が崩れていると数え違える
行列式が だからランクは だ、とは言えない。 という情報はフルランクでないことしか教えない
で計算してしまう例が多い。これは上限にすぎない
積のランクが元より大きくなることはない。 で押さえられている
行列のランクが を超えることはない。行と列の少ないほうで頭打ちになる
連立方程式を解いている最中に列基本変形を混ぜると、変数の対応が壊れる

参考文献

Rank (linear algebra)
Row echelon form
Gaussian elimination
Minor (linear algebra)
Rank–nullity theorem
Smith normal form
Sylvester's rank inequality
行基本変形で行階段形に直し、ピボットを数えるのが基本です。行が消える例、横長と縦長の行列、パラメータを含む場合分け、行列式と小行列式による判定、積と和のランクまで、解答を省かずに並べます。