基本変形
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この項目は、行列、行列の積、逆行列を参照してください。なお、基本変形は、大学入試ではほとんど出題されないテーマです。どうしても、3次以上の行列の逆行列の求め方が知りたい、という人のための項目です。
連立方程式:
を解くことを考えます。@〜Bを行列を用いて書くと、
・・・C
,
,
として、
・・・D
まず、zを消去します。
@×
+Aより、
・・・E
これが、行列を用いて書かれた連立方程式Cでは、どういうことになっているかを考えてみます。
Aの代わりに、Eを考えても方程式を解くことができるので、Cの行列Aの第2行を
から
に入れ替えた行列

を考え、
として、
を解けばよい、ということを意味しています。
Aから
を作る方法を考えてみます。Aの第1行と第3行には影響を与えず、第2行については、Aの第1行の
倍をAの第2行に加え合わせたものが来るようにすればよいので、
という行列を考え、これをAの左からかけてやると、

つまり、連立方程式のAをEに置き換えたい場合には、行列の第2行のところを、@にかける数
を
成分、Aにかける数1を
成分、Bにかける数0を
成分とし、行列の第1行は@そのままにするのであれば
,行列の第3行はBそのままにするのであれば
としたものを
として、もとの行列Aにかけてやればよいのです。C右辺についても、

次に、@×3+Bより、
・・・F
BをFに入れ替えても方程式を解くことができるので、行列
の第3行を
から
に入れ替えた行列

を考え、
として、
を解けばよい、ということになります。
から
を作る行列は、先ほどと同じように考えて、第1行は
,第2行は
,第3行は
とした行列を
とすれば、
となります。右辺についても、
次に、E+Fより、
両辺を3で割って、
・・・G
となるのですが、これは
の第1行と第2行を変えないで、第3行に第2行を加えたものが入るので、
,
として、
,
さらに、第1行と第2行を変えないで、第3行を3で割るので、
,
として、
,
次にyを求めるために、EにGの6倍を加えると、
,両辺を16で割って、
・・・H
,
,
,
,
,
,
最後に、@にGの
倍を加えると、
,
,
,
さらに、Hの3倍を加えて、
,
,
,
これで解が求まっているのですが、
に上からzの解、yの解、xの解、と並んでしまうので、第2行を変えないで、第1行と第3行を入れ替えることにします。このためには、
という行列を
に左からかけます。
(
が第3行を第1行に移し、第1行を第3行に移しているのをよく理解してください)

これで、最終形は、
,即ち、
となるので、きれいに、
,
,
という解の形が出てきます。
さて、以上の過程で何をしたのかと言うと、元々の方程式Dの両辺に、左から、
,
,・・・,
を順次かけて、最終的に、
(Eは単位行列)
という形を作ったのです。このときの
が連立方程式の解になっているのです。
つまり、
となるようにすれば、
が連立方程式の解になる、ということです。
また、
は、Aの逆行列になっています。
3次以上の正方行列の逆行列は、この方法によって求めるのがラクです。コンピュータのプログラミングにも向いた方法です。
〜
は3つのタイプに分類できます。
(i) 第i行に第j行のk倍を加える。上記の
,
,
,
,
,
がこのタイプです。
(ii) 第i行をk倍する。上記の
,
がこのタイプです。
(iii) 第i行と第j行を入れ替える。上記の
がこのタイプです。
以上の操作では、この3種類の変形を行うことにより、正方行列Aの逆行列
を求めていたのです。
正方行列が逆行列を持てば、この方法で必ず逆行列が求められることが証明されています。
この3種類の変形は(左)基本変形と呼ばれています。
実際に、逆行列を求める場合には、行列Aの右に単位行列Eをつけた
という形の行列に基本変形を施し、最終的に
という形が得られるとすると、このMが
になります。
上記の
では、以下のようになります。右の方から順々に行列の成分を0にしていくように変形するのがコツです。

(第2行に第1行の
倍を加えた)
(第3行に第1行の3倍を加えた)
(第3行に第2行を加えた)
(第3行に
をかけた)
(第2行に第3行の6倍を加えた)
(第2行を16で割った)
(第1行に第3行の
倍を加えた)
(第1行に第2行の3倍を加えた)
(第1行と第3行を入れ替えた)
よって、
なお、
に上記と同じような操作を行い、最終的に
という形になれば、この
が連立方程式
の解を与えます。
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