§E3.15最高次外冪と行列式

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nn次元線形空間VVの最高次外冪⋀nV\bigwedge^nVは一次元である。自己準同型T:V→VT:V\to Vは⋀nV\bigwedge^nV上の自己準同型を誘導し、その作用はあるスカラー倍になる。このスカラーをTTの行列式と定義する。順序付き基底を選ぶと、この定義は表現行列の Leibniz 公式および正規化された交代nn重線形形式による定義と一致する。

1 外冪上の誘導写像

命題 1.1. 線形写像T:V→WT:V\to Wと非負整数rrに対し、

⋀rT:⋀rV→⋀rW,(⋀rT)(v1∧⋯∧vr)=T(v1)∧⋯∧T(vr)\bigwedge^rT:\bigwedge^rV\to\bigwedge^rW,\qquad (\bigwedge^rT)(v_1\wedge\cdots\wedge v_r) =T(v_1)\wedge\cdots\wedge T(v_r)

を満たす線形写像がただ一つ存在する。線形写像S:W→XS:W\to Xに対して

⋀r(S∘T)=(⋀rS)∘(⋀rT),⋀rid⁡V=id⁡⋀rV\bigwedge^r(S\circ T)=(\bigwedge^rS)\circ(\bigwedge^rT),\qquad \bigwedge^r\operatorname{id}_V=\operatorname{id}_{\bigwedge^rV}

が成り立つ。

証明.r=0r=0の場合には⋀0V=K\bigwedge^0V=K、⋀0W=K\bigwedge^0W=Kとし、⋀0T=id⁡K\bigwedge^0T=\operatorname{id}_Kと定める。この定義について、合成の式と恒等写像の式は成り立つ。

r≥1r\geq1とする。写像(v1,…,vr)↦T(v1)∧⋯∧T(vr)(v_1,\ldots,v_r)\mapsto T(v_1)\wedge\cdots\wedge T(v_r)は交代rr重線形写像なので、§E3.14 定理 1.3により⋀rT\bigwedge^rTが存在して一意に定まる。合成の式の両辺は純外積v1∧⋯∧vrv_1\wedge\cdots\wedge v_rをS(Tv1)∧⋯∧S(Tvr)S(Tv_1)\wedge\cdots\wedge S(Tv_r)へ送る。純外積が外冪を生成するため両辺は一致する。恒等写像の式も同様である。▨

定理 1.2.dim⁡KV=n\dim_KV=nなら⋀nV\bigwedge^nVは一次元である。順序付き基底B=(e1,…,en)\mathcal B=(e_1,\ldots,e_n)に対し

ωB=e1∧⋯∧en\omega_{\mathcal B}=e_1\wedge\cdots\wedge e_n

は⋀nV\bigwedge^nVの基底である。また⋀rV={0}\bigwedge^rV=\{0\}がr>nr>nについて成り立つ。

証明.§E3.14 定理 2.1でr=nr=nとすると、昇順添字は(1,…,n)(1,\ldots,n)の一つだけなのでωB\omega_{\mathcal B}が基底である。同じ定理のr>nr>nの場合から第二の主張も従う。▨

2 行列式の定義

定義 2.1.VVをnn次元、T:V→VT:V\to Vを自己準同型とする。⋀nV\bigwedge^nVは一次元なので、ただ一つのスカラーdet⁡T∈K\det T\in Kが存在して

⋀nT=(det⁡T)id⁡⋀nV\bigwedge^nT=(\det T)\operatorname{id}_{\bigwedge^nV}

を満たす。このスカラーをTTの行列式 (determinant) という。

命題 2.2. 自己準同型S,T:V→VS,T:V\to Vに対して

det⁡(S∘T)=(det⁡S)(det⁡T),det⁡(id⁡V)=1\det(S\circ T)=(\det S)(\det T),\qquad \det(\operatorname{id}_V)=1

が成り立つ。またTTが可逆であるための必要十分条件はdet⁡T≠0\det T\ne0である。

証明.命題 1.1と定義から

⋀n(S∘T)=(⋀nS)(⋀nT)=(det⁡S)(det⁡T)id⁡⋀nV\begin{aligned} \bigwedge^n(S\circ T) &=(\bigwedge^nS)(\bigwedge^nT)\\ &=(\det S)(\det T)\operatorname{id}_{\bigwedge^nV} \end{aligned}

なので積の式を得る。恒等写像の式も同じ誘導写像の恒等式から従う。

TTが可逆なら積の式から1=det⁡(T−1T)=det⁡(T−1)det⁡T1=\det(T^{-1}T)=\det(T^{-1})\det Tなのでdet⁡T≠0\det T\ne0である。逆にdet⁡T≠0\det T\ne0とする。もしTTが単射でなければ、0≠v1∈ker⁡T0\ne v_1\in\ker Tを基底v1,…,vnv_1,\ldots,v_nへ延長することができる。このとき

(⋀nT)(v1∧⋯∧vn)=0∧T(v2)∧⋯∧T(vn)=0,(\bigwedge^nT)(v_1\wedge\cdots\wedge v_n) =0\wedge T(v_2)\wedge\cdots\wedge T(v_n)=0,

となるが、det⁡T≠0\det T\ne0なら⋀nT\bigwedge^nTは一次元空間上の非零スカラー倍であり単射なので矛盾する。したがってTTは単射であり、有限次元では同型である。▨

3 座標による式との一致

定理 3.1.B=(e1,…,en)\mathcal B=(e_1,\ldots,e_n)に関するTTの表現行列をA=(aij)A=(a_{ij})とする。このとき

det⁡T=∑σ∈Snsgn⁡(σ)∏j=1naσ(j),j.\det T=\sum_{\sigma\in S_n}\operatorname{sgn}(\sigma) \prod_{j=1}^{n}a_{\sigma(j),j}.

したがって外積による行列式は表現行列の Leibniz 公式による行列式と一致する。

証明.T(ej)=∑i=1naijeiT(e_j)=\sum_{i=1}^na_{ij}e_iなので、多重線形性により

(⋀nT)(e1∧⋯∧en)=T(e1)∧⋯∧T(en)=∑i1,…,inai1,1⋯ain,nei1∧⋯∧ein.\begin{aligned} (\bigwedge^nT)(e_1\wedge\cdots\wedge e_n) &=T(e_1)\wedge\cdots\wedge T(e_n)\\ &=\sum_{i_1,\ldots,i_n} a_{i_1,1}\cdots a_{i_n,n} e_{i_1}\wedge\cdots\wedge e_{i_n}. \end{aligned}

添字に重複がある項は零である。重複がない添字列は、ただ一つの置換σ\sigmaによって(i1,…,in)=(σ(1),…,σ(n))(i_1,\ldots,i_n)=(\sigma(1),\ldots,\sigma(n))と書け、

eσ(1)∧⋯∧eσ(n)=sgn⁡(σ)e1∧⋯∧ene_{\sigma(1)}\wedge\cdots\wedge e_{\sigma(n)} =\operatorname{sgn}(\sigma)e_1\wedge\cdots\wedge e_n

となる。したがってωB\omega_{\mathcal B}に掛かる係数は表示した和である。定義により同じ係数がdet⁡T\det Tなので、二つの定義は一致する。▨

定理 3.2.KnK^nの標準順序基底を(e1,…,en)(e_1,\ldots,e_n)とする。写像

D:(Kn)n→K,D(v1,…,vn)=v1∧⋯∧vn の e1∧⋯∧en に関する係数D:(K^n)^n\to K,\qquad D(v_1,\ldots,v_n) =\text{$v_1\wedge\cdots\wedge v_n$ の $e_1\wedge\cdots\wedge e_n$ に関する係数}

は、D(e1,…,en)=1D(e_1,\ldots,e_n)=1を満たすただ一つの交代nn重線形形式である。列ベクトルv1,…,vnv_1,\ldots,v_nを並べた行列をAAとするとD(v1,…,vn)=det⁡AD(v_1,\ldots,v_n)=\det Aである。

証明. 外積への標準写像が交代多重線形なのでDDも交代多重線形であり、基底上の値は11である。交代nn重線形形式EEが同じ正規化を満たすとする。各vj=∑iaijeiv_j=\sum_ia_{ij}e_iを展開すると、交代性により重複添字の項は零であり、置換添字の項はsgn⁡(σ)E(e1,…,en)\operatorname{sgn}(\sigma)E(e_1,\ldots,e_n)に等しい。したがって

E(v1,…,vn)=∑σ∈Snsgn⁡(σ)∏jaσ(j),j=D(v1,…,vn).E(v_1,\ldots,v_n) =\sum_{\sigma\in S_n}\operatorname{sgn}(\sigma) \prod_ja_{\sigma(j),j} =D(v_1,\ldots,v_n).

よってDDは一意である。最後の和は定理 3.1の式なので、列を並べた行列の行列式に等しい。▨

外積による定義は基底を用いない。基底を選んで⋀nV\bigwedge^nVの基底を一つ指定したときに、誘導写像のスカラーが Leibniz 公式として現れる。

例 3.3 (上三角行列の行列式).A=(aij)A=(a_{ij})が上三角行列なら、Leibniz 公式で非零となる置換は恒等置換だけである。実際、aσ(j),j≠0a_{\sigma(j),j}\ne0ならσ(j)≤j\sigma(j)\le jが全てのjjで必要であり、これを満たす置換は恒等置換である。したがって

det⁡A=a11⋯ann.\det A=a_{11}\cdots a_{nn}.

外積では、各T(ej)T(e_j)のeje_jより後ろの基底成分が零であり、最高次外冪で全基底ベクトルを一度ずつ選ぶ項だけが残ることに対応する。

4 演習

問題 4.1 (基底独立性の証明確認). 外積による定義でdet⁡T\det Tが基底に依存しない理由と、Leibniz 公式の値が基底変更後も同じになる理由を分けて説明せよ。

解答.

det⁡T\det Tは、基底を選ばずに定まる一次元線形空間⋀nV\bigwedge^nV上の誘導写像⋀nT\bigwedge^nTが恒等写像の何倍であるかによって定義されるので、定義自体が基底に依存しない。各基底で得る Leibniz 公式の値は定理 3.1により同じdet⁡T\det Tに等しい。したがって、二つの座標行列で計算した値も一致する。▨

参考文献

  1. Werner H. Greub, Multilinear Algebra, 2nd ed., Universitext, Springer, New York, 1978.最高次外冪と行列式の基底を選ばない定義を参考にした。
  2. Serge Lang, Linear Algebra, 3rd ed., Springer, New York, 1987.交代多重線形形式と Leibniz 公式による行列式を参考にした。

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