1 階数と退化次数
定義 1.1. 線形写像T:V→Wに対し、
rankT=dimKimT,nullityT=dimKkerTをそれぞれTの階数 (rank) と退化次数 (nullity) という。
補題 1.2.B0をkerTの基底とし、B0∪B1をVの基底へ延長したとする。このとき
T(B1)={T(v):v∈B1}はimTの基底である。
証明. まず生成性を示す。任意のy∈imTをy=T(x)と書く。B0∪B1はVの基底なので、有限個の元を用いて
x=u∈B0∑auu+v∈B1∑bvvと書くことができる。T(u)=0なのでy=∑v∈B1bvT(v)となり、T(B1)は像を生成する。
次に一次独立性を示す。相異なるv1,…,vm∈B1について∑iciT(vi)=0とする。このときT(∑icivi)=0なので∑icivi∈kerT=spanB0である。したがってある有限一次結合∑jajujに対して
i∑civi−j∑ajuj=0となる。B0∪B1は一次独立なので、全てのciは零である。よってT(B1)は一次独立であり、像の基底である。▨
定理 1.3 (次元定理).Kを可換体、V,WをK上の線形空間、T∈HomK(V,W)とする。このとき、基数の等式
dimKV=dimKkerT+dimKimTが成り立つ。Vが有限次元なら、自然数の等式として
dimKV=nullityT+rankTと書くことができる。
証明.kerTの基底B0をVの基底B0∪B1へ延長する。補題 1.2によりT(B1)はimTの基底である。したがって
dimV=∣B0⊔B1∣=∣B0∣+∣B1∣=dimkerT+dimimT.この等式は有限の場合には自然数の加法であり、無限の場合には基数の加法である。▨
無限基数κについてはκ+1=κとなる場合がある。そのため、無限次元ではdimimT=dimV−dimkerTという減法を一般には定義することができない。
系 1.4.V,Wを同じ有限次元をもつ線形空間とし、T:V→Wを線形写像とする。このとき、次の条件は同値である。
- Tは単射である。
- Tは全射である。
- Tは同型である。
証明.Tが単射ならdimkerT=0なので、次元定理からdimimT=dimV=dimWとなる。Wの部分空間imTがWと同じ有限次元をもつためimT=Wであり、Tは全射である。
Tが全射ならdimimT=dimW=dimVなので、次元定理からdimkerT=0となり、Tは単射である。単射かつ全射であることは同型の定義である。▨
2 完全列の次元
定理 2.1. 短完全列
0⟶UiVpW⟶0に対して、基数の等式
dimV=dimU+dimWが成り立つ。三つの空間が有限次元なら、これは非負整数の通常の加法である。
証明.pは全射なのでimp=Wであり、完全性からkerp=imiである。iは単射なのでi:U→imiは同型であり、dimkerp=dimUとなる。次元定理をp:V→Wに適用すると
dimV=dimkerp+dimimp=dimU+dimWを得る。▨
系 2.2. 部分空間U⊆Vについて
dimV=dimU+dim(V/U)が基数の等式として成り立つ。Vが有限次元ならdim(V/U)=dimV−dimUである。
例 2.3 (行列の核・像・余核).T:R4→R3の表現行列を
A=100010110000とする。第一列と第二列は一次独立で、第三列はその和、第四列は零なのでrankT=2である。次元定理からdimkerT=4−2=2となる。実際、kerTは(−1,−1,1,0)Tと(0,0,0,1)Tが張る。また
cokerT=R3/imT,dimcokerT=3−2=1であり、像imTは終域R3の余次元1の部分空間である。
3 演習
問題 3.1 (次元定理の証明確認).補題 1.2でT(B1)の一次独立性を示す際に、単にB1の一次独立性を用いるだけでは不十分である理由と、核の基底B0を合わせて用いる一手を述べよ。
解答.
一般の線形写像は一次独立な集合を一次独立な集合へ送るとは限らず、像の一次関係は元の一次結合が核に入ることしか意味しない。∑iciT(vi)=0から∑icivi∈kerT=spanB0とし、B0の一次結合を移項する。得られたB0∪B1上の一次関係に基底の一次独立性を適用すると、全てのciが零になる。▨