1 行列で表す一次変換
定義 1.1 (2×2行列による一次変換). 実数a,b,c,dを成分とする行列と列ベクトルに対して
A=(acbd),x=(xy),TA(x)=Ax=(ax+bycx+dy)と定める。この写像TAは、ベクトルの和と実数倍を保つ平面の一次変換である。
反対に、ベクトルの和と実数倍を保つ平面の一次変換Tは、ただ一つの2×2実行列AによってT=TAと表される。具体的には、
e1=(10),e2=(01)の像T(e1),T(e2)が、それぞれAの第1列と第2列になる。
証明. 列ベクトルx,yと実数rをとる。成分を計算すると
A(x+y)=Ax+Ay,A(rx)=rAxとなるので、TAはベクトルの和と実数倍を保つ。
次に、ベクトルの和と実数倍を保つ一次変換Tをとり、
T(e1)=(ac),T(e2)=(bd)と書く。任意の列ベクトルはx=xe1+ye2と表されるから、
T(x)=xT(e1)+yT(e2)=(ax+bycx+dy)=TA(x)となる。Tを表す行列の2列はT(e1),T(e2)でなければならないので、その行列は一意である。▨
定理 1.2. 2×2実行列A,Bに対し、列ベクトルへTBを作用させてからTAを作用させる合成は
TA∘TB=TABである。したがって、先に作用する変換の行列は積の右側に置かれる。
証明.A=(acbd)、B=(prqs)とし、列ベクトルx=(xy)をとる。Bを作用させ、続いてAを作用させると、
TA(TB(x))=(a(px+qy)+b(rx+sy)c(px+qy)+d(rx+sy))=((ap+br)x+(aq+bs)y(cp+dr)x+(cq+ds)y).一方、
AB=(ap+brcp+draq+bscq+ds)であるから、得られた列ベクトルは(AB)xに等しい。すべてのxで値が一致するので、TA∘TB=TABである。▨
2 回転と代表的な変換
定理 2.1. 原点を中心として列ベクトルを反時計回りに角θだけ回転する一次変換の行列は
Rθ=(cosθsinθ−sinθcosθ)である。また、任意の実数α,βに対して
RαRβ=Rα+βが成り立つ。
証明. 単位ベクトルe1,e2をとる。それぞれの偏角は0,2πであるから、角θだけ回転すると、
e1⟼(cosθsinθ),e2⟼(cos(2π+θ)sin(2π+θ))=(−sinθcosθ).この二つの像を列に並べるとRθを得る。
行列積を計算すると、
RαRβ=(cosαcosβ−sinαsinβsinαcosβ+cosαsinβ−(cosαsinβ+sinαcosβ)cosαcosβ−sinαsinβ).三角関数の加法定理を各成分に用いると、この行列はRα+βに等しい。▨
3 逆変換、面積、向き
定理 3.1.A=(acbd)に対してdetA=ad−bcと定める。二つの列ベクトルu=(pq)、v=(rs)が作る平行四辺形の符号付き面積をps−qrとすると、Au,Avが作る符号付き面積は
(detA)(ps−qr)である。
detA=0であることとTAに逆変換が存在することは同値である。detA>0ならば向きは保たれ、detA<0ならば向きは反転する。u,vが一直線上にない場合、面積の比は∣detA∣である。detA=0の場合、平面全体の像は一つの直線または原点に潰れる。
証明.Au=(ap+bqcp+dq)、Av=(ar+bscr+ds)と書く。この二つの列ベクトルが作る符号付き面積を展開すると、
(ap+bq)(cr+ds)−(cp+dq)(ar+bs)=(ad−bc)(ps−qr)となる。したがって、符号付き面積にはdetAが掛かる。符号付き面積の符号は二辺の向きを表し、その絶対値は通常の面積を表すので、向きと面積比についての主張も従う。
detA=0とする。このとき
A−1=ad−bc1(d−c−ba)と置いて両側から掛けると、A−1A=AA−1=(1001)となる。よってTA−1はTAの逆変換である。
detA=0とする。第1列(ac)が零ベクトルでなければ、第2列(bd)は第1列の実数倍である。実際、a=0ならばad=bcから第2列は第1列のb/a倍であり、a=0ならばc=0かつb=0であるから第2列は第1列のd/c倍である。第1列が零ベクトルならば、像は第2列の実数倍だけからなる。したがって、detA=0のとき、像は一つの直線または原点であり、平面全体にはならない。逆変換が存在すればTAは平面全体への全射になるので、detA=0の場合には逆変換が存在しない。▨
4 複素数の積との対応
定理 4.1. 複素数x+iyにu+ivを掛ける変換は、列ベクトル(xy)に行列
(uv−vu)を掛ける一次変換と一致する。特にu2+v2=1ならば、ある実数θによってu=cosθ、v=sinθと表され、この行列はRθである。
証明. 複素数の積を展開すると、
(u+iv)(x+iy)=(ux−vy)+i(vx+uy)となる。実部と虚部を列に並べると、
(ux−vyvx+uy)=(uv−vu)(xy)を得る。u2+v2=1の場合には点(u,v)が単位円上にあるので、u=cosθ、v=sinθを満たす実数θが存在し、行列はRθに等しい。▨
2×2行列は現行の高等学校の学習指導要領には含まれない内容ですが、本記事では回転を積として計算するための基礎として扱いました。一般の次元の線形写像、固有値、対角化、行列式の一般論は扱いません。