• ベストアンサー

一次変換の証明

一次変換fと、fを表す行列AについてAの逆行列が存在すれば、 fによって直線:pベクトル=aベクトル+tdベクトル(dベクトルは0ではない)は、直線に移ることを証明せよ。 この問題を教えていただけませんか?

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • naniwacchi
  • ベストアンサー率47% (942/1970)
回答No.1

おはようございます。 この問題が示している一番大事なポイントは「線形性」ですが、 証明自体のポイントは「逆行列の扱い」になります。 ベクトル:p→の fによる写像は、線形性により次のように表されます。 Ap→ = A(a→+ t*d→) = Aa→+ t*Ad→ この変換されたベクトルについて、Ad→≠ 0→であれば直線を表すことが示されます。 d→≠ 0→かつ Ad→= 0→となるとき Aが逆行列をもつとすると、A^(-1)Ad→= 0→より d→= 0→となりd→≠ 0→の条件に矛盾する。 よって、「d→≠ 0→かつ Ad→= 0→を満たす行列:A」は逆行列をもたない。 問題では「Aの逆行列は存在する」とあるので、Ad→≠ 0→であることが示されます。 補足として、 Aが逆行列をもたないとき、Ad→= 0→はベクトル:d→を零ベクトルに移す変換を表すこととなり、p→は直線を表さなくなります。 (実は固有値= 0のときであり、点への写像となる。)

shsuoh1489
質問者

補足

早速のご回答、ありがとうございます。 再度の質問なのですが、 この変換されたベクトルについて、Ad→≠ 0→であれば直線を表すことが示されます。 はどうしてでしょうか?

全文を見る
すると、全ての回答が全文表示されます。

その他の回答 (3)

  • naniwacchi
  • ベストアンサー率47% (942/1970)
回答No.4

#3(#1,2)です。 すみません、#3の説明で間違いがありました。 >いま A≠ 0のときを考えているので、どの成分も 0ではないことになります。 「すべての成分が 0とはならない。いま、d≠ 0のときを考えると・・・」 というのが正しい内容になります。 b≠ 0や c≠ 0のときは、最後の直線の式が違った式になります。 失礼しました。

shsuoh1489
質問者

お礼

ご回答ありがとうございました。 やっと、すべての疑問が解決いたしました。 この度は、本当にありがとうございました。

全文を見る
すると、全ての回答が全文表示されます。
  • naniwacchi
  • ベストアンサー率47% (942/1970)
回答No.3

こんばんわ。 >Aが逆行列をもたないときは、点への写像もしくは原点を通る直線への写像と教わったのですが、どうなのでしょうか? この内容は正しいです。 Aが逆行列をもたないときをさらに次の 2つに場合分けします。 (i) A= 0のとき (ii) A≠ 0のとき (i)のときは、明らかに原点に移されます。 (ii)のとき 行列Aの成分を(a b)(c d)とおいてみます。(うまく書けなくてすみません。) 逆行列をもたないので、行列式:ad-bc= 0より ad= bcとなります。 いま A≠ 0のときを考えているので、どの成分も 0ではないことになります。 すると、d= bc/aとなります。 ここで、点(x, y)の写像をみると A(x, y) = (ax+by, cx+dy) = (ax+by, cx+ bc/a*y) = (ax+by, c/a*(ax+by)) = (ax+by)*(1, c/a) ※ベクトルは本来「縦書き(列ベクトル)」として書かれなければなりません。 任意の点(x, y)の写像は、原点を通り (1, c/a)を方向ベクトルとする直線になります。 式で表せば、cx- ay= 0に移されるということになります。 イメージとしては、「平面全体がある直線に押しつぶされている」ということになります。 (直線上の点が移されるというよりも、平面全体が直線に移されているということです。) (ii)の部分の議論は、「不動点・不動直線」といった内容にも通じるものです。 そのときには、「固有値」も関わってきます。 考える変換前の直線が cx- ay= 0であれば、変換されても cx- ay= 0になる。つまり、不動直線であることになります。 かつ、固有値が 1となるときは、ただの不動直線ではなく「不動点の集まり」ということになります。 そもそもの証明は、ある種単純な話ですが、 その例外を考えると奥が深い内容が含まれていることになります。

全文を見る
すると、全ての回答が全文表示されます。
  • naniwacchi
  • ベストアンサー率47% (942/1970)
回答No.2

#1です。 >この変換されたベクトルについて、Ad→≠ 0→であれば直線を表すことが示されます。 >はどうしてでしょうか? Ap→= Aa→+ t*Ad→ において、 Ad→には、実数:tがかかっています。 この tの値に応じて Ap→の点は移動することになります。 言い換えれば、 ・元の直線の方向ベクトルは、d→ ・変換後の直線の方向ベクトルは、Ad→ であり、これが零ベクトルでなければ直線を表すことになります。

shsuoh1489
質問者

補足

早速のご回答、ありがとうございます。 この疑問については、解消しました。 >Aが逆行列をもたないとき、Ad→= 0→はベクトル:d→を零ベクトルに 移す変換を表すこととなり、p→は直線を表さなくなります。  (実は固有値= 0のときであり、点への写像となる。) に関しての疑問なのですが、 Aが逆行列をもたないときは、点への写像もしくは原点を通る直線への写像と教わったのですが、どうなのでしょうか? 何度も質問して、申し訳ありません。

全文を見る
すると、全ての回答が全文表示されます。

関連するQ&A

  • 直交変換の証明

    直交行列Aの表す直交変換をfとして、ベクトルp,qのfによる像をそれぞれ p',q'としたとき p'・q'=p・q と pとqのなす角とp'とq'のなす角を等しいことを証明したいのですが・・。 うまく左辺と右辺の関係を式に出来ずに進めません。 どう証明していけばいいのでしょうか? よろしくお願いします!

  • 1次変換

    R^3のベクトル e1=t^(1,0,0),e2=t^(0,1,0), e3=t^(0,0,1)と線形写像f:R^3→R^3を考え、 ai=f(ei) (1≦i≦3)とおく。このとき、次の条件(1),(2)は互いに同値であることを示せ。 (1)ベクトルa1,a2,a3は1次独立である。 (2)fは逆変換g:R^3→R^3をもつ。 という問題で、問題集の解答は以下のようになっていました。 ***************************************************** この線形写像fが表す行列をAとする。ベクトルa1,a2,a3が1次独立ならば、rankA=3だから、適当な基本変形を行って、行列Aを単位行列Eにすることができる。つまり、正則な行列P,Qがあって、PAQ=Eとすることができる。すると、A=P^(-1)Q^(-1)=(QP)^(-1)だから、逆行列A^(-1)=QPが存在し、逆変換がある。 また、x(a1)+y(a2)+z(a3)=0とすると、 g(x(a1)+y(a2)+z(a3))=x(e1)+y(e2)+z(e3)=0 となるが、e1,e2,e3は一次独立だからx=y=z=0となり、したがってa1,a2,a3も1次独立である。 ***************************************************** ここで2点質問です。 >正則な行列P,Qがあって、PAQ=Eとすることができる。 とありますが、ここら辺の意味がわかりません。行列の基本変形によってPAQ=Eを導けるとはどういうことなのでしょうか? >g(x(a1)+y(a2)+z(a3))=x(e1)+y(e2)+z(e3)=0 とありますが、gってどこからきたのでしょうか? fを使わずに一次独立であることを証明しているところで頭が混乱しました。

  • 一次変換

    行列A(3×3)の表す1次変換によって自分自身に写される直線の中でどの2組とも平行でないものを3つ求めよ という問題なんですが方向ベクトルが行列の固有ベクトルと等しいということは判ったのですがその後どのようにして解けばよいかわかりません。 どうか教えてください

  • 変換行列の性質について

    正方行列A、Bは相似であり対角化された行列Bについて、 B= P^-1 A P を満たすP^-1、Pを得たとします。(P^-1はPの逆行列) このとき、 1.P^-1とPが直交するとき、変換Aはどのような変換になりますか。 2.Pを構成する各列ベクトル(あるいはP^-1を構成する各行ベクトル)が互いに直交するとき、変換Aはどのような変換になりますか。  

  • 正則な一次変換の性質の証明を教えてください

    ・線分の分点は線分の分点にうつされ、その比は変わらない。 ・平行な直線は平行な直線にうつる。 ・△ABCの内部の点は△A’B’C’の内部にうつされこの変換を表す行列を2×2行列(a b c d)とする と  △A'B'C'=│ad-bc│△ABC  である。 の証明を教えてくださいお願いします。

  • 正則行列・張られる空間

    A=(1,5,-2,-1),B=(0,2,-4,3),C=(1,1,6,-7),D=(-2,-8,0,5)とおく。(C,D)=(A,B)Pを満たすような正則行列P(基底変換の行列)を求めて、A,Bによって張られるベクトル空間とC,Dによって張られるベクトル空間とが同じであることを示せ! 本の問題にあったのですが、解答が無くて、どのように解けば良いのか見当が付きません。 Pについては逆行列のことですか? よろしくお願います。

  • 線形変換

    行列AをA= (2,-1) (1,4) で定義する。 行列Aによって表されるxy平面上の線形変換をfとする。直線y=ax上の任意の点のf による像が同じ直線y=ax上にあるようなaの値を求めよ。 という問題で、y=axはベクトルを使うと (1) (a) と表せるから、これの左側にAをかけて、 (2-a) (1+4a) となり、(2-a):(1+4a)=1:a という比例式から (a+1)^2=0 ∴a=-1 が出てきました。このような解き方でいいでしょうか?

  • 直線の方程式の変換について

    直線の方程式の変換について P = P0 + tD (P0は始点、Dは差分ベクトル、tはパラメータ) ↓ これを陰関数形式ax+by=dに変換したいのですが計算過程がわかりません。 お願い致します。

  • 不動直線の問題ですが理解できません。

    行列A=(a-1 -a) (a a+3) で表される一次変換をfとするとき次の問いに答えよ。という問題で (1)fによってそれ自身に移される直線が存在するようなaの範囲を求めよ。 (2)fによって、自分自身に移される原点以外の点が存在するときのaの値を求めよ。 (3)(2)のとき、fによってそれ自身に移され,しかも原点を通らない直線が存在する。この直線の方程式を求めよ。 という問題ですが、まず(1)は(A-KE)u↑=0↑、k^2-2(a+1)k+2a^2+2a-3=0・・・・(1) これから-2≦a≦2 (2)はAx↑=x↑、すなわち、(A-E)x↑=0↑、を満たすaだから、a=+-√2・・・・(2) となりますが分からないのは(3)で、解答を見ると まず(2)のとき、(1)はk=1を解にもつ。このときの他の解をαとすると、α+1=2(α+1)、 α=2a^2+2a-3,よってケーリーハミルトンの定理から、A^2-2(a+1)A+(2a^2+2a-3)E=Oだから、 A^2-(α+1)A+αE=O,A(A-E)=α(A-E)・・・・(3) 次に、平面上の任意の点P(p↑)をとり、そのfによる像をP'(p'↑)とし、q↑=p'↑-p↑とおく。 q↑=f(p↑)-p↑=Ap↑-p↑=(A-E)p↑だから、(3)より、Aq↑=A(A-E)p↑=α(A-E)p↑=αq↑ よって、q↑はAu↑=αu↑・・・・(4)を満たすベクトルだから、そのようなベクトルの一つをu'↑とすると、 q↑=tu'↑,p'↑-p↑=tu'↑、すなわちPP'∥u'↑ これは平面上の任意の点が(4)を満たすベクトルに平行に移るということだから、そのようなベクトルを方向ベクトルにもつ直線はすべて不動直線となる。 (i)=√2のとき、(1)より、k^2-2(√2+1)k+2√2=0,k=1,1+2√2 Au↑=(1+2√2)u↑、これを満たす方向ベクトルのひとつはu1↑=(1,-(√2+1))だから、 求める直線の方程式は、y=,-(√2+1)x+c(c≠0) (ii)a=-√2のとき、(1)より、k^2-2(-√2+1)k+1-2√2=0,k=1,1-2√2 同様にして、求める直線の方程式は、y=,(√2-1)x+d(d≠0) という解答になっていますが、 なぜ上記の説明で、原点を通る直線は含まないと言えるのでしょうか?また、k=1のときの直線はなぜ含まないのでしょうか? どなたか分かりやすく教えて頂ければ幸いです。

  • 行列の固有値と固有ベクトルの証明が分かりません

    (1)2×2行列A=(a b c d)の固有値は x^2-(a+d)x+(ad-bc)=0 の解で与えられることを証明せよ。 (2)(1)の行列Aが固有値α、β(α≠β)を持つとき α、βに対する固有ベクトルをそれぞれ2×1行列(p.q) (r.s)として 2×2行列P=(p.r.q.s) を作ると 2×2行列P-1AP=(α.0.β.0) なることを証明せよ。 という問題が分かりません。 調べてみたのですがよく分かりませんでした。 教えてください。