5.連立一次方程式 1 連立方程式とその解 ここでは、連立方程式を解くということを再考する。 そもそも方程式を“解く”とは、 与えられた式を満たす全ての実数の集合を 求めることである。すなわち、方程式 f ( x) 0 の解とは、 f ( x) 0 を満たす実数 x の x R | f ( x) 0 集合(要素が一つの場合もあ である。 る。) 同様に、連立方程式 f1 ( x ) 0 f ( x) 0 m ここで、 x t x1 x は x2 xn なるベクトル。 を“解く”とは、与えられた複数の式の全てを満たすベクトルの 集合を求めることである。すなわち、以下が解である。 x Rn | f1 ( x) 0 AND f 2 ( x ) 0 AND AND f m ( x ) 0 2 連立方程式とその解1 a1 x b1 y c1 a2 x b2 y c2 y a1x b1 y c1 この連立方程式を“解く”とは、 2つの方程式を同時に満たす ( x, y ) の組を見つけることである。 y 解く a2 x b2 y c2 O a1x b1 y c1 を 満たす点の集合 x a2 x b2 y c2 を 満たす点の集合 a1x b1 y c1 a2 x b2 y c2 x O a1x b1 y c1 と a2 x b2 y c2 を 同時に満たす 点の集合(1点) 3 連立方程式とその解2 c1 a1 x b1 y 2a1 x 2b1 y 2c1 この連立方程式の答えは、 a1x b1 y c1 上の点全てである。 解く a1x b1 y c1 21 x 2b1 y 2c1 O a1x b1 y c1 y y c (0, 1 ) b1 x O 解 b1 0 とし、 k を任意のスカラーとして、 1 0 x a c とも表せる。 k y 1 1 b1 b1 (1, a1 ) b1 x (x, y) | a1x b1 y c1 このように、無限個の ベクトルが式を満たす ことを不定という。 4 連立方程式とその解3 c1 a1 x b1 y 2a1 x 2b1 y c2 ( 2c1 ) この連立方程式を満たすものはない。 y y 解く a1x b1 y c1 解 {} 21 x 2b1 y c2 O O x x このように、式を満たす ベクトルがひとつもない ことを不能という。 5 連立方程式とその解4 a1 x b1 y c1 z d1 a2 x b2 y c2 z d 2 解 a2 x b2 y c2 z d2 a1x b1 y c1z d1 解く z O z y x O y x 6 連立一次方程式 これまでも、何度も扱ってきたが、 連立方程式を行列とベクトルを用いて表現できる。 ìï a11x 1 + a12x 2 + L + a1n x n ïï ïï a x + a x + L + a x 22 2 2n n ï 21 1 í ïï M ïï ïï am 1x 1 + am 2x 2 + L + amn x n î éa11 a12 L ê êa 21 O ê ê êM ê êêëam 1 L a1n ù úéx 1 ù Múê ú úê Mú= úê ú úê ú úêëx n ú û amn ú ú û Ax = b = b1 = b2 = bm éb1 ù ê ú êb ú ê2ú ê ú ê Mú ê ú êbm ú êë ú û 7 ここで、 A = [aij ] = [a 1 a 2 L a m ], éb ù ê1ú ê ú b = êMú ê ú êbn ú êë úû éx 1 ù ê ú x = êê Mú ú, ê ú êëx n ú û このとき、各行列およびベクトルは、以下のような名称 で呼ばれる。 Ax = b 係数行列 定数項ベクトル 未知数ベクトル 通常の一次方程式と対応させてみるとよい。 3x = 2 係数 未知数 定数 8 さらに、拡大係数行列1つで連立方程式を表す。 [A | b ] 拡大係数行列 9 正則な係数行列を持つ連立方程式 (正則行列と連立一次方程式) 連立1次方程式 A x = b が一意の解を持つための 必要十分条件は、係数行列 A が正則行列である ことである。(したがって、 A は正方行列) 証明: 十分性:(正則→一意) A は正則なので、 逆行列A - 1 が存在する。 Ax = b - 1 A の両辺の左から を乗じる。 - 1 - 1 A Ax = A b \ Ix = A - 1b \ x = A - 1b 積は一意なので、 解 x は一意である。 10 必要性:(一意→正則) 背理法による。 係数行列 A が正則でなくても、解が一意と仮定する。 (背理法の仮定) このとき、 A を階段行列に変形したとき、段数が減少する。 そのときの変形行列(基本変形行列の積)を T T を左から乗じて得られる拡大係数行列を éC êë T éA b ù¾ ¾ ® êë ú û éC êë とし、 d ù とする。 ú û dù ú û すなわち、 C º TA d º Tb 11 ìï a11x 1 + ïï ïï a x + ïï 21 1 ïa x + í 31 1 ïï ïï M ïï ïï an 1x 1 + ïî a11x 1 + L + a1n x n = b1 a22x 2 + L + a 2n x n = b2 O = b3 M L + ann x n = bn T ìï c11x 1 + ïï ïï ïï ïï ïï ïï í ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïîï c12x 2 + L + c1n x n = d1 c2 p x 2 + L + c 2n x n = d2 crn x r = dr 0gx n = dn - 1 0gx n = dn M crq x r + L M 0gx r + 1 + 12 階段行列の段数が減少しているので、第 n 式(最後の方程式) の係数は全て、0である。よって、 dn = 0 である。しかし、第n 式の形より x n の値を任意な実数 k に 選んだとしても、 Cx = d を満たす。すなわち、形が éx 1 ù ê ú êx 2 ú x = êê ú ú M ê ú ê ú êëk ú û となる複数(無数)の解が存在する。 同値変形であるので、 x は Ax = b も満たす。これは、解の一意性に矛盾する。 QED 13 連立方程式と階数 (連立方程式と階数) 連立1次方程式 A x = b が解を持つための 必要十分条件は、 rankA = rank éêA ë bù ú û が成り立つことである。 ここで、左辺は係数行列の階数、 右辺は拡大係数行列の階数である。 この命題は、解が一意に求まるときと、 不定のときの両方を表している。 (逆の言い方をすると、不能でない条件 を示している。) 証明略 14 連立方程式の解法 éC 拡大係数行列を階段行列化したものを ê ë すなわち、 階段行列化 éA b ù¾ ¾ ¾ ¾¾ ® êë ú û éC êë dù ú û とする。 dù ú û 行列 C の形により、2つの場合に分けて考える。 場合1:(簡単な場合) C = 場合2:(複雑な場合) C = 15 場合1:(簡単な場合) ìï c11x 1 + ïï ïï ïï ïï ïï ïï í ïï ïï ïï ïï ïï ïï îï c12x 2 + L + c1n x n = d1 c22x 2 + L + c 2n x n = d2 crn x r = dr 0gx n = 0 0gx n = 0 M crr x r + L M 解を持つとき には、必ず0 になる。 この場合には、行基本変形を用いてさらに変形できる。 T' C ¾ ¾¾ ®C ' éE r C 'r ,n - r ù ê ú C '= ê ú O O n - r ,n - r ú êë n - r ,r û 16 é1 ê ê0 ê ê êM ê C ' = êê0 ê ê0 ê êM ê ê0 êë 0 L 1 0 c '1,r + 1 L M M O O L 1 c 'r ,r + 1 L 0 0 L M M L 0 0 L c '1,n ù ú ú ú ú ú ú c 'r ,n ú ú ú 0 ú ú M ú ú 0 ú ú û この変形行列を用いて、次のように連立方程式が変形された とする。 éC êë T ' dù ¾ ¾ ¾ ® ú û éC ' d 'ù êë ú û 17 ìï x 1 ïï ïï x2 ïï ïï O ïï ïï í ïï ïï ïï ïï ïï ïï îï + c '1,r + 1 x r + 1 + c '1,r + 2 x r + 2 + L + c '1,n x n = d '1 + c '2,r + 1 x r + 1 + c '2,r + 2 x r + 2 + L + c '2,n x n = d '2 + c 'r ,r + 1 x r + 1 + c 'r ,r + 2 x r + 2 + L + c 'r ,n x n = d 'r 0gx r + 1 L + 0gx n = 0 M = M 0gx n = 0 M xr + 0gx r + 2 + rank A = rank éêA ë = rank[C d ] bù ú û = rank[C ' d '] であることに注意する。 18 é1 ê ê0 ê ê êM ê T T ' A ¾ ¾ ® C ¾ ¾¾ ® C ' = êê0 ê ê0 ê êM ê ê0 êë éA êë T bù ¾ ¾ ® ú û éC êë 0 L 1 0 c '1,r + 1 L M M O O L 1 c 'r ,r + 1 L 0 0 L M M L é1 ê ê0 ê ê êM ê T ' ù é ù d ú¾ ¾ ¾ ® êC ' d 'ú= êê0 û ë û ê ê0 ê êM ê ê0 êë 0 0 0 L 1 O L L 0 c '1,r + 1 c '1,n c '2,r + 1 c '2,n M 1 c '1,r + 1 L c '1,r + 1 0 0 0 L M M L c '1,n ù ú ú ú ú ú ú c 'r ,n ú ú ú 0 ú ú M ú ú 0 ú ú û 0 0 M L 0 d '1 ù ú d '2 ú ú ú ú ú ú ú 0 ú ú ú M ú ú 0 ú ú û 19 ìï x 1 ïï ïï x2 ïï ïï O ïï ïï í ïï ïï ïï ïï ïï ïï îï + c '1,r + 1 x r + 1 + c '1,r + 2 x r + 2 + L + c '1,n x n = d '1 + c '2,r + 1 x r + 1 + c '2,r + 2 x r + 2 + L + c '2,n x n = d '2 + c 'r ,r + 1 x r + 1 + c 'r ,r + 2 x r + 2 + L + c 'r ,n x n = d 'r 0gx r + 1 L + 0gx n = 0 = M = 0 M xr + 0gx r + 2 + M 0gx r + 1 + 0gx r + 2 + L + 0gx n このときは、連立方程式を考えると、 x r + 1, L , x n の n - r 個の変数は任意の実数でよいことがわかる。 ìï x = k 1 ïï r + 1 ïï M í ïï ïï x n = kn - r ïî というように、 n - r 個任意定数を用いて、 連立方程式の解を表現できる。 20 ìï x 1 ïï ïï x2 ï í ïï O ïï ïï î = d '1 - c '1,r + 1 k1 L = d '2 - c '2,r + 1 k1 - c '1,n kn - r - c '2,n kn - r M xr = d 'r - c 'r ,r + 1 k1 - c 'r ,n kn - r このように、 x 1, L , x r は n - r 個の任意定数 k1, L , kn - r 用いて自動的に決定される。 を 21 自由度 定義(自由度) 未知数が n 個の連立一次方程式 ( n 元一次連立方程式) Ax = b において、 rankA = rank éêA b ù = r ú ë û とする。このとき、自由に定めることのできる未知数の数 n- r を方程式の自由度という。 連立方程式の解は、自由度の数だけの 任意定数を用いて表現される。 22 場合2:(複雑な場合) C = ìï c1l1 x l1 + L + ïï ïï ïï ïï ïï ïï í ïï ïï ïï ïï ïï ïï îï c1l2 x l2 + L + c1n x n = d1 c2l2 x l2 + L + L + c 2n x n = d2 crn x r = dr 0gx r + 1 = 0 0gx n = 0 M crlr x lr + L M 23 この場合は、各階段の先頭に注目して、 場合1と同様に考えることができる。 C = C = ìï x l1 « x 1 ïï ïï x l2 « x 2 ïí M ïï ïï ïïî x lr « x r とすれば、ほぼ同様に議論される。 結局、次のように解くことができる。 24 ìï ïï x 1 ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï íï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï ïï îï ï n- r = d '1 - å c pqki i= 1 x2 = k1 O M x l2 - 1 = kl2 - 1 n- r x l2 = d 'l2 - å c 'rs ki i= 1 O M n- r x lr L xn = d 'lr - å c 'uv ki i= 1 x lr + 1 = kn - lr M xn M = kn - r 25 任意定数 n -r個 x2 x3 C = x l1 x l2 一定値 x lr r個 éx l1 ù ê ú êx 2 ú ê ú êM ú ê ú êx ú ê l2 - 1 ú êx ú ê l2 ú ú x = êx ê l2 + 1 ú ê ú êM ú ê ú êx l ú ê r ú ê ú êM ú ê ú xn ú ê ê ú ë û として、やはり n - r 個の任意定数を用いて解くことができる。 26 例題1 次の連立方程式を解け。 ìï x - y - 4z ï í ïï 2x - 2y - 8z î é1 - 1 - 4ù ú A º êê ú êë2 - 2 - 8ú û = 0 = 0 éx ù êú x º êêy ú ú êú êëz ú û é0ù b º êê úú とすると、 êë0úû Ax = b 拡大係数行列は、次のようになる。 é1 - 1 - 4 0ù éA b ù= ê ú êë ú û ê2 - 2 - 8 0ú êë ú û 係数行列と、拡大係数行列の階数(rank)を求める。 27 é1 - 1 - 4ù (2)- 2´ (1) ú¾ ¾ A = êê ¾ ¾® ú 2 2 8 êë ú û なので、 rank A é1 - 1 - 4ù ê ú ê0 0 0 ú êë ú û = 1 である。 また、 éA êë é1 - 1 - 4 0ù (2)- 2´ (1) ù ú¾ ¾ b ú= êê ¾ ¾® û 2 - 2 - 8 0ú êë ú û é1 - 1 - 4 0ù ê ú ê0 0 0 0ú êë ú û rank éêA b ù = 1 ú ë û \ rankA = rank éêA b ù ú ë û よって、解が存在する。(不能ではない。) 係数行列の階段行列より、元の連立方程式は、次の 連立方程式と同値。 28 ìï x - y - 4z = 0 ï また、解は次のようにも表せ í ïï 0x - 0y - 0z = 0 る。 î また、自由度は 3-rank A = 2 である。 é4ù é1ù éx ù êú êú êú 階段の先頭以外を任意定数とする。 êú êú ìï y = k1 ï í ïï z = k2 î これより、 \ êêy úú= k1 ê1ú+ k 2 ê0ú êú êú êú ê1ú ê0ú êëz úû êë úû êë úû この解は、平面の式である。 x = k1 + 4k2 と表せる。 よって、任意定数 k1, k 2 を用いて、 次のように解ける。 ìï x = k + 4k 1 2 ïï ïï í y = k1 ïï ïï z = k 2 ïî z 4 0 1 O 1 1 0 y x x y 4z 0 (例題1終) 29 例題2 ìï x 1 ïï ïï 2x 1 ï í ïï - x 1 ïï ïï - 2x 1 î + 2x 2 - 2x 3 + 3x 4 = 2 + 4x 2 - 3x 3 - 2x 4 = 3 - 2x 2 + 2x 3 + x4 = 2 - 4x 2 + 4x 3 - 6x 4 = - 4 解) 拡大係数行列を階段行列化する。 é1 ê ê2 ê ê ê- 1 ê ê- 2 êë 2 ù ú 4 - 3 - 2 3 ú ú (2)- 2´ (1) ú¾ ¾ ¾ ¾® - 2 2 1 2 ú ú - 4 4 - 6 - 4ú ú û 2 - 2 3 é1 ê ê0 ê ê ê- 1 ê ê- 2 êë 2 - 2 3 0 1 - 2 2 - 4 4 2 ù ú - 8 - 1ú ú ú 1 2 ú ú - 6 - 4ú ú û 30 é1 ê ê0 ê (3)+ 1´ (1) ¾¾ ¾ ¾® ê ê0 ê ê- 2 êë 2 - 2 3 0 1 0 0 - 4 4 é1 ê ê0 1 ´ (3) ê 4 ¾¾ ¾® ê ê0 ê ê0 êë é1 ê ê0 ê (1)- 3´ (3) ¾¾ ¾ ¾® ê ê0 ê ê0 êë 2 ù ú - 8 - 1ú ú (4)+ 2´ (1) ú¾ ¾ ¾ ¾® 4 4 ú ú - 6 - 4ú ú û 2 - 2 3 0 1 0 0 0 0 2 ù ú - 8 - 1ú ú (2)+ 8´ (3) ú¾ ¾ ¾ ¾® 1 1 ú ú 0 0 ú ú û 2 - 2 0 - 1ù ú 0 1 0 7 ú ú (1)+ 2´ (2) ú¾ ¾ ¾ ¾® 0 0 1 1 ú ú 0 0 0 0 ú ú û é1 ê ê0 ê ê ê0 ê ê0 êë 2 - 2 3 é1 ê ê0 ê ê ê0 ê ê0 êë 2 - 2 3 2ù ú 0 1 0 7ú ú ú 0 0 1 1ú ú 0 0 0 0ú ú û é1 ê ê0 ê ê ê0 ê ê0 êë 0 1 0 0 0 0 2 ù ú - 8 - 1ú ú ú 4 4 ú ú 0 0 ú ú û 2 0 0 13ù ú 0 1 0 7 ú ú ú 0 0 1 1 ú ú 0 0 0 0 ú ú û 31 この階段行列化より、係数行列と拡大係数行列の階数が等しい ことがわかり解が存在することがわかる。 また、次のような同値な連立方程式が得られる。 ìï x + 2x 2 ïï 1 ï í ïï ïï ïî = 13 x3 = 7 x4 = 1 よって、自由度が1であるので、任意定数を1つ用いて、 x2 = k t éê13 0 7 1ù ú ë û と表すことができる。 よって、 ìï x 1 ïï ïï x ï 2 í ïï x 3 ïï ïï x 4 î = 13 - 2k = k = 7 = 1 éx 1 ù ê ú êx 2 ú \ êx ú= ê 3ú ê ú êx 4 ú ë û é13ù é- 2ù ê ú ê ú ê0 ú ê1 ú ê ú ê ú + k ê ú ê ú 7 ê ú ê0 ú ê ú ê ú ê1 ú ê0 ú ë û ë û t éê- 2 1 0 0ùú ë û O (例題2終) 32 練習 次の連立方程式を解け。 (1) ìï 2x ï í ïï - x î - 6y = 1 + 3y = 2 (2) ìï x ïï 1 - 3x 2 ï í 3x 1 - 9x 2 ïï ïï 2x 1 - 6x 2 ïî + x3 + x4 + 2x 5 = 3 + 2x 3 + 4x 4 + 3x 5 = 9 + x3 + 2x 4 + 4x 5 = 8 33 同次連立一次方程式 定義(同次連立一次方程式) 定数項ベクトルが零ベクトルであるような 連立一次方程式、すなわち Ax = 0 を同次連立一次方程式という。 実は,一般の連立一次方程式: Ax = b は、対応する同次連立一次方程式: Ax = 0 を利用して解くことができる。 34 同次連立一次方程式の自明な解 定義(自明な解) 同次連立一次方程式 Ax = 0 では、零ベクトル 0 を必ず解に持つ。 この解 x = 0 、即ち éx 1 ù ê ú ê Mú= ê ú ê ú êëx n ú û é0ù êú êú êMú êú ê0ú êë ú û を自明な解という。 35 自由度のある同次方程式の解1 0 ax by 2ax 2by 0 方向ベクトル ax by 0 y y 解く (b, a) O x O 解 k x ( x, y) | ax by 0 を任意のスカラーとして、 x kb b k y ka a と表せる。 36 自由度のある同次方程式の解2 0 x y z 2 x 2 y 2 z 0 z 1 0 1 y x yz 0 x O 1 1 0 k1 , k2 R を任意のスカラーとして、 x k1 k2 1 1 y k k 1 k 0 1 1 2 z k2 0 1 と表せる。 37 自明な解しかもたない条件 性質: (同次方程式と自明な解) 係数行列 A を m ´ n 行列とし、 未知数ベクトル x を n ´ 1 の列ベクトルとする。 同次連立方程式 A x = 0 自明な解しか持たな いための必要十分条件は、係数行列の階数が n であることである。すなわち、 Ax = 0 の解が、 {0 } rank( A )= n 38 自明な解と正則行列 性質:(同次連立方程式と正則行列) A を n 次の正方行列とし、 x を n 次元ベクトルとする。 このとき、同次連立一次方程式 Ax = 0 が自明な解しか持たないための必要十分条件は、 A が正則行列であることである。 証明 n = rank( A ) が必要十分条件であるが、 これは A が正則行列であることも意味している。 QED 39 練習 次の同次連立一次方程式が、自明な解以外を持つかどうかを 判定せよ。 ìï x + 2y - 2z = 0 ïï (1) ìï 6x + 4y = 0 (2) ï 2x - y + 3z = 0 ï ï ï í í ïï 9x + 6y = 0 ïï - x - 3y - z = 0 î ïï 4y + 3z = 0 ïï x î é1 ê ê5 (3) êê ê9 ê ê13 êë 4 ùéx 1 ù úê ú 6 7 8 ú úêêx 2 ú = úêx ú 10 11 12ú 3 ú úêêx ú ú 4ú 14 15 16ú ê ú ûë û 2 3 é0ù êú ê0ú êú ê0ú êú êú êê0ú ëú û 40 非同次連立一次方程式の解1 Ax = 0 Ax = b y y p O 自明な解 x x O Ap = b 41 非同次連立一次方程式の解2 c ax by 2ax 2by 2c 0 ax by 2ax 2by 0 y y 解く é0 ù ê ú p º ê cú ê- ú êë b úû (b, a) p O x b k y a x O x 0 x b b k p k y a a c b 42 自由度のある同次方程式の解3 0 x y z 2 x 2 y 2 z 0 z y 1 0 1 1 1 0 O 2 x y z 2 x 2 y 2 z 4 z y 1 x yz 0 x x yz 2 と表せる。 x O 1 1 0 k1 , k2 R を任意のスカラーとして、 x k1 k2 1 1 y k k 1 k 0 1 1 2 z k2 0 1 0 1 (2, 0, 0) x k1 k2 2 1 1 2 y k k 1 k 0 0 1 1 2 z k2 0 1 0 43 練習 次の同じ係数を持つ同次方程式と非同次方程式を解け。 (1) y z 0 x 2 x 3 y z 0 x 4 y 2 z 0 (2) y z 3 x 2 x 3 y z 3 x 4 y 2 z 6 44
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