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Visual Linear Algebra (Note) - Lecture at Shos...
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Kenji Hiranabe
August 26, 2026
Science
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Visual Linear Algebra (Note) - Lecture at Shosen Grande
2026/8/29 書泉グランデにおける『図解線形代数:ストラング流直感的理解』のミニレクチャー(ノート編)
Kenji Hiranabe
August 26, 2026
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Transcript
『図解線形代数:ストラング流直感的理解』 ショートレクチャ (1) 平鍋健児1 with the kindest help of MIT
Gilbert Strang2 初版: 2026/8/15, updated 2026-08-25 資料: https://anagileway.com/2026/08/25/lecture-at-shosen-grande/ 1 行列計算の基本 ! ! ! # $ # $ # $ ! % & ! % & ! % & ' ( ' ( ' ( " 0"#$ !"#$%&'( )"#*+,-. ! ! " # )"#$%&'( !"#/+,-. " $ " ! " ! " ! ! " ! ! ! ! +,-).&/0 !" # 1 !# ! -2345678 $%&'() $% & !# ! ' 396: ! " $ # ! 89 : $ % & "$ #$ % "% #% ! " ! !3#$%&!4567 !!"#$%&'(#$%&!) *+),-./012!3#$%& ' * "( ' #' * $( ( ) %' * &( ! # % " $ & 図 4: 行列 × ベクトル:2 つの見方 1 X: @hiranabe,
[email protected]
, https://anagileway.com 2 MIT, http://www-math.mit.edu/ # ! !"#$%&'()* 図 3: ベクトル同士の積 " $ & ! " !"#$% &'()*+,-(!" ! " # ./)012 .3! ! # 4567839'($:;<= ! # % " 図 2: 行列の掛け算の基本 $ $ ! # % ' " ( % ' $ ) "% ) #& & & # 89 1 " # !" ! ! " # 図 1: 4 つの見方 !" # # ! ! 12"#/* " ~gs/ 1 ! " ' ( )' # *( $ % &
! !"# ! " $ # & ( % '
* +! , &" , (#) +%! , '" , )#- ! " " % ' *! $ ) % ," & ' ,#( !"$ ! " $ . & ( !"#$%&'!"()"#$%&( *+,*-./012 34(!"#$% !"(!"#$%(5678 ) 図 5: ベクトル × 行列:2 つの見方 ! EE 9 " $ & '! '" *'! +"'" , (! (" ) *#'! +$'" , *%'! +&'" , ! # % *(! +"(" , *#(! +$(" , *%(! +&(" , " $ & '! '" EE H EE G ! ! !"#$%&3.4 3/ '()*+*3 #%,-./#01!2 !"#$AB'(3,-./C%,-./#D4 ! # % ! EE F (! . (" ) - / ) -. ! " -/ ! 3%#4'(56789#3%#:;<=>*?@ ! # % " 0 !! $ 0 & "! 0!" ) 1# 0"" 0!! " 0!" + $ & 0"! !"#$3'(3,-./#01!2 ! # % " $ & '! '" ! ) # % 1%# 1%# 5 (! % % 1 1 (" ) $% 5 ) $% 5 1& 1& 5 1$ 2%# ) 1# 2%# + 1$ 2%$ 2%$ 0!! 0"" ) #0!! %0!! 0!" "0"! #0!" + $0"! %0!" &0"! "0"" $0"" &0"" 図 6: 行列 × 行列:4 つの見方 1.1 練習 行列の積 AB を 4 つの方法で手計算し、すべて同じ値になることを確認せよ。以下で A の列ベク トルを aj 、行ベクトルを a∗i と書く. • (MM1) による計算: 各成分が a∗i bj 3 4 [ 1 5 0 6 • (MM2) による計算: 各列が Abj ] 1 1 4 [ 1 1 = 2 AB = 2 5 0 1 3 3 6 4 [ ] 1 5 0 6 1 AB = 2 2 1 1 ] ... = . . . ... 1 2 3 ... . . . (1) ... ... 4 [ ] 1 5 = . . . 1 ... 6 ... . . . ... (2)
• (MM3) による計算: 各行が a∗i B 1
AB = 2 3 4 [ 1 5 0 6 [ ] ] 1 1 1 4 ] [ 0 1 ] ... [ ] 1 1 1 = 2 5 = . . . 1 [ 0 1 ] ... [ ] 1 1 3 6 0 1 [ ... . . . (3) ... • (MM4) による計算: ランク 1 行列 ai b∗i の和 1 4 [ 1 AB = 2 5 0 3 6 4 [ 1 [ ] ] = 2 1 1 + 5 0 1 1 6 3 ... ... ... ... ... = . . . . . . + . . . . . . = . . . ] 1 ... 2 ... ... ... ... (4) ... . . . ... (5) 基本概念 • 数ベクトル:n 個の実数の並び.x ∈ Rn と書く. • 行列:m 行 n 列の実数の並び.A ∈ Rm×n と書く. • 転置行列:行列の列と行を入れ替えた行列.AT ∈ Rn×m と書く. • 線形空間:ベクトルの加法とスカラー倍に関して閉じている空でない集合.まず Rn . • 線形結合:ベクトルのスカラー倍の和.α1 x1 + α2 x2 + · · · + αn xn の形のベクトル. • 張る空間:ベクトルの線形結合全体の成す空間.⟨x1 , x2 , . . . , xn ⟩ と書く. • 線形独立:どのベクトルも他のベクトルの線形結合で表せない(否定: ). • 部分空間:線形空間の部分集合で,線形空間の条件を満たすもの.R の中の直線や平面など. n • 基底:部分空間の元で,線形独立であり,かつその部分空間を張るベクトルの集合. • 次元:部分空間 V の基底の元の個数(部分空間で一意に決まる!).dim V と書く. 3 A = CR 分解と次元定理 次の行列 A の列ランクと行ランクが等しいことを、A = CR 分解を用いて説明せよ。C は行 (Column)の頭文字,R は行(Row)の頭文字. • 行列の列ランクとは、A の線形独立な列ベクトルの最大数:rank A と書く。 • 行列の行ランクとは、A の線形独立な行ベクトルの最大数:rank AT と書ける。 1 4 5 A = 2 5 7 = 3 6 (6) 9 C の列数(すべて線形独立)と R の行数(すべて線形独立)は等しい(R には必ず C の列数サイ ズの単位行列が含まれる).すなわち,行ランクと列ランクは等しく,A のランクと呼ぶ. 3
! # " ! " ! " ! # !
" " " ! ! # ! " " 図 7: CR 分解(列)(P1) 3.1 ! " ! ! ! ! " # ! " ! ! " # " " ! ! # ! ! ! ! " " " " " " 図 8: CR 分解(行)(P2) 練習 問 5.1 次の行列 A, B の CR 分解を求めよ。 [ ] [ 1 2 1 A= , B= 2 4 2 2 1 3 1 4 1 3 0 ] (7) 解答は, https://anagileway.com/visual-linear-algebra/. 4 つの部分空間 4 次の行列 A とベクトル b によって定まる連立一次方程式 Ax = b に、解は存在するか。4 つの部 分空間を用いて説明せよ。(挑戦:存在しない場合、誤差 ∥Ax − b∥ が最も小さくなる x(最小 2 乗 解)とそのときの b = b̂ を求めよ。) x + 4y + 5z = 1 2x + 5y + 7z = 2 ⇐⇒ Ax = b 1 4 (A = 2 5 3 6 3x + 6y + 9z = 3 x x1 1 1 7 , x = y = x2 , b = 2 , b2 = 5) 9 z x3 3 3 5 (8) 名前 定義 記号 属する空間 列空間 A の列ベクトルの張る空間 C(A) Rm (出力側) 行空間 A の行ベクトルの張る空間 C(AT ) Rn (入力側) 零空間 Ax = 0 となる x 全体 N(A) Rn (入力側) 左零空間 y T A = 0 となる y 全体 N(AT ) Rm (出力側) 列空間 C(A) = ⟨a1 , a2 , a3 ⟩ = {Ax | x ∈ Rn } ⊂ Rm 1 2 3 5 Ax = x1 a1 + x2 a2 + x3 a3 5 4 1 x1 5 7 x2 = x1 2 + x2 5 + x3 7 6 9 4 3 x3 4 6 9 (9) (10)
! " " 図 9: 列空間は列の線形結合 零空間 N(A) = {x
∈ Rn | Ax = 0} ⊂ Rn [1 4 5] x1 x1 + 4x2 + 5x3 0 Ax = [2 5 7] x2 = 2x1 + 5x2 + 7x3 = 0 [3 6 9] x3 3x1 + 6x2 + 9x3 (11) 0 ! 図 10: 行空間は内積が 0 となる x の集合 !" !! # ' ( ) ' ( ) &! * ) + " * ) + , - . , - . ' ( ) ) + / - . ' * , ) - / ) + . # % #! !" ( - !"# " % % !"$ 3 " % # '0 * - !"# " % , ' ! ! 1 ' ' ' (! # $ !" # & % #! ' ( * 1 ) , - ! & !" ! " % # & !"# $ $' $' ' ! ! !"#$ !" , !"# " # $ % 4 ! ) ( ' ! # )% # 5 + ( ' $* ' ! ' !"# $ * !"# " 2 $ % ' ! #! ) % # ! *+, ! # - *+, % # ' . !"#$%& 図 11: 4 つの部分空間 答:b の解 x = (1, 0, 0) + c(−1, −1, 1), b2 の解なし(誤差最小解 x̂ = 13 (2, 1, 0) + c(−1, −1, 1) の とき,b̂2 = (2, 3, 4)). 5 S = QΛQT 対称行列の固有値分解(最高の分解) 固有値分解: n 次正方行列 A に対して Ax = λx となる λ ∈ C を固有値,x ∈ Cn を固有ベクトル と呼ぶ.線形独立で n 本あれば(いつもある訳ではない) ,X = [x1 · · · xn ],Λ = diag(λ1 , . . . , λn ) として,Axi = λi xi =⇒ AX = XΛ, A = XΛX −1 . 5
スペクトル分解: n 次実対称行列 S は、実固有値 λ1 , . . .
, λn と対応する実直交ベクトル qi が必 ず n 本あって,Q = [q1 · · · qn ] を使って分解できる.Sqi = λi qi =⇒ SQ = QΛ, S = QΛQT . S = QΛQT , [ = q1 QQT = QT Q = I T q1 ] λ1 T q3 λ2 q2 λ3 q3T q2 (12) (積分解) = λ1 q1 q1T + λ2 q2 q2T + λ3 q3 q3T ! # " # ! " $" %# %"! !! # ! " ! (和分解) # ! $$ % % % ! $ ! " # $& % ' % ! & " " ! " 図 12: 対称行列のスペクトル分解 A = U ΣV T 特異値分解(汎用の分解) 6 任意の m × n 行列 A は,m × m の直交行列 U 、n × n の直交行列 V 、m × n の長方対角行列 Σ を 用いて分解できる.S = AT A のスペクトル分解に対応.(図は m > n の場合) A = U ΣV T , [ = u1 U T U = U U T = Im , σ u2 ··· V T V = V V T = In , 1 . v1T .. T ] σr v2 . 0 um . . . .. vT n 0 = σ1 u1 v1T + σ2 u2 v2T + · · · + σr ur vrT + 0 + · · · + 0 = r ∑ r = rank A (13) (積分解) σi ui viT (和分解) i=1 AT A は正定値対称行列なので,スペクトル分解ができ固有値 λi は非負.σi = √ λi として,σ1 ≥ σ2 ≥ · · · ≥ σr > 0 とできる.途中で打ち切って近似もできる(Eckart-Young 定理). % $ ! # " ! & !! "" #!# '# # " ! ! !$ "% ## $ " " ! " 図 13: 任意の行列の特異値分解 6.1 練習 SVD による,情報圧縮の例(r を途中で打ち切る)をやってみよう. https://timbauman.io/2020/06/01/svd-image-compression/ 以上 6