一般の線形空間・ベクトル空間の定義

 定義:線形空間・ベクトル空間(ベクトル/係数体/スカラー/加法・和/零ベクトル/逆ベクトル/スカラー倍)
 定理:零ベクトルのスカラー倍/ベクトルのスカラー0倍/逆ベクトルとスカラー積 
関連ページ:
   ・一般のベクトル空間の諸概念:部分ベクトル空間/一次結合/線形従属・線形独立/基底/次元
   ・一次写像関連ページ:一次写像−定義/一次写像と演算/一次写像の代数系/一次写像と線形独立/同型写像/同型写像と線形独立 
   ・ベクトル空間の下位類型・具体例:一般の数ベクトル空間/実ベクトル空間/n次元数ベクトル空間Rn/実2次元数ベクトル空間R2
                 高校でベクトルとして習ったものは、実2次元数ベクトル 

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定義:線形空間linear space・ベクトル空間vector space  

【舞台設定】

 K (例:有理数をすべてあつめた集合Q実数をすべて集めた集合R、複素数をすべてあつめた集合C)  

【本題】

 「K上の線形空間linear space over K」ないし「K上のベクトル空間vector space over K」とは、
 以下の条件を満たす集合Vのこと。

 なお、「K上のベクトル空間」Vの元をベクトルvector
   Kを「V係数体field of scalars基礎体basic field,ground field」、
   Kの元をスカラーscalarと呼ぶ。

条件T-1. Vは、加法""の定義された代数系であること。
     つまり、任意u,vVに対して、それに対応するuvVが一つずつ定まること。
      なお、このVに定められた加法""をベクトルの加法uvベクトル和という。 
条件T-2. Vは、上記の"ベクトルの加法"に関して加法群(加法に関する可換群)をなすこと。
     つまり、
     -1. 上記の加法が、「結合則: u,v,w( ( uv )w = u( vw ) )」を満たすこと。

     -2. 上記加法に「単位元vV ( 0+v = v かつ v+0= v )を満たすV」が存在すること。
        このV上の加法の単位元零ベクトルと呼ぶ。 
             →零ベクトルのスカラー倍の性質      

     -3. Vのすべてのvに対して、上記の"ベクトルの加法"に関する逆元vVが存在すること。
        このV上の加法に関する、vの逆元−vvの逆ベクトルと呼ぶ。 
     -4. 上記の加法が、「可換則: u,v(uv =vu )」を満たすこと。 

条件U-1. Kの任意aと、Vの任意vの組に対して、Vのを一意的に定める演算が定義されていること。

     この演算をスカラー倍scalar multipleスカラー乗法・スカラー積scalar multiplicationと呼び、avないしavで表す。

条件U-2. スカラー積が次の4条件を満たすこと。 
     -1. 任意vVに対して、1v=v  
                 ※左辺の"1"はK上で定義された乗法の単位元を指す。 
     -2. 結合則:
       任意a,bKと、任意vVに対して、(ab)v=a(bv) 
     -3. ベクトルに関する分配則:
       任意aKと、任意u,vVに対して、a(uv)=auav  
                 ※両辺の""はV上の加法(→条件I-1)を指す。 
     -4. スカラーに関する分配則: 
       任意a,bKと、任意vVに対して、(a+b)v=avbv  
          ※左辺の"+"はK上で定義された加法、右辺の""はV上の加法(→条件I-1)を指す。 

※以上を満たすスカラー倍の性質:零ベクトルのスカラー倍ベクトルのスカラー0倍
※ベクトル空間の例: [ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(pp.28-34);志賀『線形代数30講』14講ベクトル空間の例と基本概念(pp.88-90)。 ]
  ・K上の多項式関数の空間 
  ・数ベクトル空間  
  ・実ベクトル空間  
  ・複素ベクトル空間・複素線形空間complex linear space  
  ・n次元数ベクトル空間Rn/実2次元数ベクトル空間R2
※高校でベクトルとして習ったものは、n次元数ベクトル空間。 
  実ベクトル空間数ベクトル空間K上のベクトル空間は、高校数学で習うベクトルを、一般化したもの。 

【文献】
 ・『岩波数学辞典』210線形空間:A定義(pp.570-576)
 ・本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.132)
 ・酒井『環と体の理論』1.6ベクトル空間(p.22)
 ・ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(pp.28-34)
 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.3(pp.14-6)
 ・佐武『線形代数学』V§6(p.115)
 ・志賀『線形代数30講』13講(pp.85-7);14講(pp.88-90)
 ・藤原『線形代数』4.1(p.91)
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1(p.105)
 ・松坂『集合・位相入門』3章§5C(p.133)
 ・入谷久我『数理経済学入門』定義3.5(p.57) 



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定義:ベクトル vector  

   [『岩波数学辞典』210線形空間:A定義(pp.570-576);本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.132);酒井『環と体の理論』1.6ベクトル空間(p.22);ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(pp.28-34);永田『理系のための線形代数の基礎』1.3(pp.14-6);佐武『線形代数学』V§6(p.115);志賀『線形代数30講』13講(pp.85-7);14講(pp.88-90);藤原『線形代数』4.1(p.91);神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1(p.105) ]

ベクトルvectorとは、ベクトル空間のこと。

「はじめにベクトル空間が定義されていて、そのうえで、ベクトル空間をベクトルと呼ぶ」のであって、
 「はじめにベクトルが定義されていて、それをあつめたものをベクトル空間と呼ぶ」のではない。  

具体例:n次元数ベクトル/ n次元数ベクトル/実2次元数ベクトル(図解) 

定義:係数体 field of scalars 基礎体 basic field,ground field

 [『岩波数学辞典』210線形空間:A定義(pp.570-576);本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.132);酒井『環と体の理論』1.6ベクトル空間(p.22);ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(pp.28-34);永田『理系のための線形代数の基礎』1.3(pp.14-6);佐武『線形代数学』V§6(p.115);志賀『線形代数30講』13講(pp.85-7);14講(pp.88-90);藤原『線形代数』4.1(p.91);神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1(p.105) ]

K上のベクトル空間Vが定義されているとき、
Kのことを、
ベクトル空間V係数体field of scalars」「ベクトル空間Vの基礎体basic field,ground field
という。 
具体例: 実ベクトル空間の係数体  

定義:スカラー scalar

 [『岩波数学辞典』210線形空間:A定義(pp.570-576);本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.132);酒井『環と体の理論』1.6ベクトル空間(p.22);ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(pp.28-34);永田『理系のための線形代数の基礎』1.3(pp.14-6);佐武『線形代数学』V§6(p.115);志賀『線形代数30講』13講(pp.85-7);14講(pp.88-90);藤原『線形代数』4.1(p.91);神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1(p.105) ]

 K上のベクトル空間Vが定義されているとき、
 Kスカラーscalarと呼ぶ。
 →スカラー乗法 

具体例:体上の数ベクトル空間におけるスカラー/実ベクトル空間におけるスカラー/n次元数ベクトル空間におけるスカラー/実2次元数ベクトル空間におけるスカラー   



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定理:零ベクトルのスカラー倍

  [ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間:式2-8 (p.31);酒井『環と体の理論』1.6問題1.14(p.22);]

(舞台設定)
 K (例:有理数をすべてあつめた集合Q実数をすべて集めた集合R、複素数をすべてあつめた集合C)  
 VK上のベクトル空間
 V上の零ベクトル。  
 aスカラー。つまり、aK 

(本題)
 零ベクトルスカラー倍は、すべて、零ベクトル
 つまり、任意aKにたいして、a  

(証明)[ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間:式2-8 (p.31);]

零ベクトルの定義:v = v より、 = …(1)
スカラー乗法の分配則:a(uv)=auav …(2)
aa() ∵(1) 
   =aa ∵(2)  
 よって、aaa   …(3)  
ベクトル空間では、すべてのベクトル逆ベクトルが存在するから、
 a(−a)=  …(4)
 を満たす、a逆ベクトルaが存在する。
 (3)の両辺に−aを足し合わせると、
  aaaaa 
よって、(4)より、
  a 

定理:ベクトルのスカラー0倍 

[ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間:式2-9 (p.31);永田『理系のための線形代数の基礎』1.3(p.16);志賀『線形代数30講』13講(p.86);酒井『環と体の理論』1.6問題1.14(p.22);]

 ・0v  ∵スカラー乗法の分配則より。 

定理:逆ベクトルとスカラー積 

 [酒井『環と体の理論』1.6問題1.14(p.22); ]
(舞台設定)
 K (例:有理数をすべてあつめた集合Q、実数をすべて集めた集合R、複素数をすべてあつめた集合C)  
 VK上のベクトル空間
(本題)
 Kにおける−1(Kの乗法の単位元の、加法に関する逆元)と、ベクトルとのスカラー積は、そのベクトルの逆ベクトルに等しい。  
 すなわち、
  任意vVにたいして、 (−1)vv  


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(reference)

日本数学会編集『岩波数学辞典(第三版)』 岩波書店、1985年、項目210線形空間(pp.570-576)
線形代数のテキスト
ホフマン・クンツェ『線形代数学I』培風館、1976年、2.1ベクトル空間(pp.28-34)。
永田雅宜『理系のための線形代数の基礎』紀伊国屋書店、1986年、1.3ベクトル空間(pp.14-6)。
佐武一郎『線形代数学(第44版)』裳華房、1987年、Vベクトル空間§6ベクトル空間の公理化(p.115)。
砂田利一『現代数学への入門:行列と行列式』2003年、§5.1-b(p.155).
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年、13講ベクトル空間へ(pp.85-7);14講ベクトル空間の例と基本概念(pp.88-90)。
藤原毅夫『理工系の基礎数学2:線形代数』岩波書店、1996年、4.1線形空間と写像(p.91)。
斎藤正彦『線形代数入門』東京大学出版会、1966年、第4章§2線形空間(p.96):実線形空間・複素線形空間のみ;附録V§2体(p.249)。

代数学のテキスト
本部均『新しい数学へのアプローチ5:新しい代数』共立出版、1969年、5.2-Aベクトル空間(p.132)。
酒井文雄『共立講座21世紀の数学8:環と体の理論』共立出版、1997年、1.6ベクトル空間(p.22)。

数理経済学のテキスト
神谷和也・浦井憲『経済学のための数学入門』東京大学出版会、1996年、§3.1ベクトル空間とは何か(p.105)。