一般のベクトル空間における線形従属・線形独立

・定義:一次独立・線形独立/線形独立系/一次従属・線形従属
・定理:一次独立の必要十分条件/一次独立なベクトルは非零ベクトル/一次独立なベクトルの一部/有限集合の線形独立系と線形独立
・定理:一次従属の必要十分条件
ベクトル空間関連ページ:ベクトル空間の定義/部分ベクトル空間/一次結合/基底/次元
いろいろなベクトル空間における線形従属・線形独立:一般の数ベクトル空間における線形従属・線形独立/実ベクトル空間における線形従属・線形独立
                        n次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立/実2次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立 
高校で習ったようなベクトルを扱う場合は、n次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立/実2次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立を見よ。
線形代数目次
総目次

定義:有限個のベクトルの一次独立・線形独立/一次従属・線形従属 linearly independentdependent   


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
v1, v2, , vll個の「V上のベクトル」。つまり、v1, v2, , vl V   
a1, a2, , al スカラーa1, a2, , al K 
+:「K上のベクトル空間」に定義されているベクトルの加法
スカラーに続けてベクトルを並べて書いたもの:
   「
K上のベクトル空間」に定められているスカラー乗法

[文献]

 ・『岩波数学辞典』210線形空間:C線形結合(p.571);
 ・志賀『線形代数30講』14講(p.90);
 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.10);1.3(p.16); 
 ・藤原『線形代数』4.2(p.94);
 ・本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.133);
 ・ホフマン『線形代数学I』2.3基底と次元(p.41);
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1.3(p.108);
 ・松坂『集合・位相入門』3章§5C(p.134);
背景
問1

l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlを取り上げる。
この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
    
a1v1+a2v2++alvl=  
を満たす
l個のスカラーa1, a2, , al K は存在するだろうか?
存在するとしたら、それは、どのような
スカラーl個の組合せになるのだろうか?

回答
1-1

・どのようにl個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlを選んだとしても、
 この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
    
a1v1+a2v2++alvl=  
 を満たす
l個のスカラーa1, a2, , al K は少なくとも一組は存在する。
 このことを
論理記号であらわせば、 
 (
v1 , v2 , , vl V)(a1, a2, , alK)( a1v1+a2v2++alvl=
・なぜ、そうなるのかといえば、 
 どのように
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlを選んだとしても、
 この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
 
l個のスカラーa1a2=…=al0が、  
    
a1v1+a2v2++alvl= 
 を満たすからである。 
  ∵
ベクトルのスカラー0倍は零ベクトル
   
零ベクトルとのベクトル和の性質 

回答
1-2

・つまり、
 どのように
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlを選んだとしても、
 この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
    
a1v1+a2v2++alvl= 
 を満たす
l個のスカラーa1, a2, , al K として、
 
a1a2=…=al0が、いつでも存在する。
これは、見方をかえれば、
 どのように
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlを選んだとしても、
 この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
      
a1v1+a2v2++alvl=かつa1a2=…=al0
   を満す
l個のスカラーa1, a2, , al K   
 が、いつでも存在するということ。   
 つまり、
 (
v1 , v2 , , vl V
   (
a1, a2, , alK(a1v1+a2v2++alvl=)かつ(a1a2=…=al0)

背景
問2

l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlを取り上げる。
・この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
    
a1v1+a2v2++alvl= 
 を満たす
l個のスカラーa1, a2, , al K の組合せとしては、
 まず、
a1a2=…=al0をあげることができる(∵前段)。
・では、
 この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
    
a1v1+a2v2++alvl= 
 を満たす
l個のスカラーa1, a2, , al Kの組合せは、
 
(i) a1a2=…=al0だけであって、
  
a1a2=…=al0以外の組合せは存在しないのだろうか? 
 それとも、 
 
(ii) a1a2=…=al0に加えて、a1a2=…=al0以外の組合せも存在するのだろうか?
・つまり、
 この
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
 「
a1v1+a2v2++alvl= を満たし、
   
かつa1a2=…=al0を満たさない 
  
l個のスカラーa1, a2, , al K
 は   
 
(i)  存在しないのか、 
 
(ii)  存在するのか。  
・この問いを
論理記号であらわせば、 
 与えられた
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、  
 
(i) ¬a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0) 
 であるのか、それとも、
 
(ii) a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0)
 であるのか。 

回答
2

・問2については、一概には、どちらともいえない。
 
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlの選び方によって、
  「
a1v1+a2v2++alvl= を満たし、
    
かつa1a2=…=al0を満たさない 
   
l個のスカラーa1, a2, , al K
 が   
  
(i)  存在しない
 こともあれば、 
  
(ii)  存在する
 こともある。  
(i) (ii) の2つのケースに重複はないので、
 
l個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlは、(i) (ii) のいずれかである。 
・ということは、
 
(i) (ii) は、あらゆるl個の「K上のベクトル空間Vに属すベクトル」を、2つのケースに二分する分類軸として機能する。
 
(i)一次独立ないし線形独立と呼び、 (ii) 一次従属ないし線形従属をとよぶ。

線形独立

定義

(1)
l
個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次独立線形独立であるとは、
・「この
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
     
a1v1+a2v2++alvl= 
  を満たす
l個のスカラーa1, a2, , al K の組合せは、
  
a1a2=…=al0だけであって、a1a2=…=al0以外の組合せは存在しない」ということ
・つまり、
 「この『
K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
    
a1v1+a2v2++alvl= を満たし、かつa1a2=…=al0 を満たさない 
  
l個のスカラーa1, a2, , al K 存在しない」ということ
論理記号であらわせば、与えられたv1 , v2 , , vl Vにたいして、 
   
¬a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0 )
をいう。 
(2) この定義は、次のように述べてもよい。
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次独立線形独立であるとは、
・「この『
K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
  どのように
l個のスカラーa1, a2, , al Kをとっても、
   
a1v1+a2v2++alvlとなるか、あるいは、a1a2=…=al0となるか、しかない」
  ということ。
論理記号であらわせば、与えられたv1 , v2 , , vl Vにたいして、 
   
a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl)または(a1a2=…=al0 )
 ということ。  
(3) この定義は、次のようにも述べてもよい。
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次独立線形独立であるとは、
・「この『
K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
  どのように
l個のスカラーa1, a2, , al Kをとっても、
     
a1v1+a2v2++alvl= ならばa1a2=…=al0
  ということ。
論理記号であらわせば、与えられたv1 , v2 , , vl V にたいして、 
   
a1,a2,,al K )((a1v1+a2v2++alvl=) (a1a2=…=al0)
 ということ。  
(4) この3つの線形独立の定義が同じモノであることは、次のようにして確かめられる。
   
¬a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0 )
   
 a1,a2,,alK¬(a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0)
    ∵
存在命題の否定は否定命題の全称命題に言いかえられる 
   
 a1,a2,,alK)(¬(a1v1+a2v2++alvl=)または¬¬(a1a2=…=al0)
    ∵
連言の否定は、否定命題の選言に言いかえられる    
   
 a1,a2,,alK)(¬(a1v1+a2v2++alvl=)または(a1a2=…=al0)
    ∵
命題の2重否定はもとの命題  
   
 a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)(a1a2=…=al0)
    ∵
ならば⇒の定義 :「AB」とは、「¬AまたはB」のこと 

線形従属

定義

(1)
l
個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次従属線形従属であるとは、
・「この
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
    
a1v1+a2v2++alvl=  
 を満たす
l個のスカラーa1, a2, , al K の組合せには、
 
a1a2=…=al0に加えて、a1a2=…=al0以外の組合せもある」ということ
・つまり、
 「 
a1v1+a2v2++alvl= を満たし、かつa1a2=…=al0を満たさない 
   
l個のスカラーa1, a2, , al K 存在する」ということ
論理記号であらわせば、 
 
a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0)
 ということ
をいう。 
(2) この定義は、次のように述べてもよい。
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次従属線形従属であるとは、
・「この『
K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
   『
a1v1+a2v2++alvl または a1a2=…=al0
  を満たさない
l個のスカラーa1, a2, , al K 存在する
 ということ
論理記号であらわせば、与えられたv1 , v2 , , vl Vにたいして、 
 
a1,a2,,alK¬¬(a1v1+a2v2++alvl=)または(a1a2=…=al0)
 ということ
をいう。  
(3) この定義は、次のようにも述べてもよい。
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次従属線形従属であるとは、
・「この『
K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1 , v2 , , vlにたいして、
   『
a1v1+a2v2++alvl= ならばa1a2=…=al0
  を満たさない
l個の実数a1, a2, , al 存在する
 ということ
論理記号であらわせば、与えられたv1 , v2 , , vl Vにたいして、 
  
a1,a2,,alK¬(a1v1+a2v2++alvl=) (a1a2=…=al0 )
 ということ   
をいう。  
(4) この3つの線形従属の定義が同じモノであることは、次のようにして確かめられる。
  
a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl= )かつ¬(a1a2=…=al0)
 
a1,a2,,alK¬¬(a1v1+a2v2++alvl= )または(a1a2=…=al0)
    ∵
命題の2重否定はもとの命題選言の否定と否定命題の連言は言い換え可能 
 
a1,a2,,alK¬(a1v1+a2v2++alvl= ) (a1a2=…=al0)
    ∵
ならば⇒の定義 :「AB」とは、「¬AまたはB」のこと 

線形
従属
/独立

関係

・「l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次従属・線形従属である」は、
 「
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次独立・線形独立である」ことの否定命題
・「
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次独立・線形独立である」は、
 「
l個の『K上のベクトル空間Vに属すベクトルv1, v2, , vlが一次従属・線形従属である」ことの否定命題
・なぜなら、
 「
v1, v2, , vlが一次独立・線形独立」は、
   
¬a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0)
 として、
 「
v1, v2, , vlが一次従属・線形従属」は、   
   
a1,a2,,alK)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al0) 
 として、
 定義されているのだから、明らか。

下位概念:
   体上の数ベクトル空間での一次独立/実ベクトル空間での一次独立/n次元数ベクトル空間での一次独立 
   体上の数ベクトル空間での一次従属/実ベクトル空間での一次従属/n次元数ベクトル空間での一次従属 
高校で習ったようなベクトルについてなら、実n次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立/実2次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立を見よ。
関連事項:線形独立と一次写像/線形独立と単射である一次写像/線形独立と同型写像



定理:一次独立の言い換え

 
【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)  
V:K上のベクトル空間
v1, v2, …, vlV上のベクトル。つまり、v1, v2, …, vl V   
a1, a2, …, alスカラーa1, a2, …, al K  
【本題】
次の二つの命題は同値
命題P: ベクトルv1, v2, …, vl一次独立
命題Q: ベクトルv1, v2, …, vl のどの一つも、残りの(l−1)個のベクトル一次結合では表されない。  
【証明】
 志賀『線形代数30講』14講(p.90) 


→[トピック一覧:線形従属・線形独立]
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定理:一次独立なベクトルはすべて非零ベクトル    

 [志賀『線形代数30講』14講(p.90);]

【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)  
V:K上のベクトル空間
v1, v2, …, vlV上のベクトル。つまり、v1, v2, …, vl V   
a1, a2, …, alスカラーa1, a2, …, al K  

【本題】
 V上のベクトルv1, v2, …, vl一次独立ならば、 
  v1かつv2かつかつvl  
【証明】 [志賀『線形代数30講』14講(p.90);]  
対偶「v1かつv2かつかつvlないならばv1, v2, , vl一次独立ない」を示す。
・仮定「
v1かつv2かつかつvlない」とは、
 
v1, v2, , vlのうち、m(0<ml) 零ベクトルだということ。
 
v1, v2, , vlに含まれる、このm個の零ベクトルを、vi(1),vi(2),,vi(m) で表す。
 すると、
 
a1, a2, , al ai(1)以外をすべて0、ai(1)1とおいた場合に、a1v1+a2v2++alvl= が成り立つ。
   ∵a1v1+a2v2++alvli (1)項目以外では、ai=0だから、aivi=。(∵ベクトルのスカラー0倍)  
    a1v1+a2v2++alvli (1)項目では、ai=1,vi=だから、aivi=。(∵零ベクトルのスカラー倍
 つまり、「a1a2=…=al=0でない」のに、a1v1+a2v2++alvl=となるので、
      v1, v2, , vl一次独立ない
以上で、v1かつv2かつかつvlないならばv1, v2, , vl一次独立ない」を示せた。  

定理:一次独立なベクトルの部分集合

 [神谷浦井『経済学のための数学入門』定理3.1.3(p.110);ホフマン『線形代数学I』2.3基底と次元(p.41);]


【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)  
V:K上のベクトル空間
v1, v2, …, vlV上のベクトル。つまり、v1, v2, …, vl V   
a1, a2, …, alスカラーa1, a2, …, al K  

【本題】

次の命題とその対偶が成り立つ。
命題:ベクトルv1, v2, …, vl一次独立ならば
   ここからm個(ただしm<l )除いた残りの(lm)個のベクトル一次独立
上記命題の対偶:
ベクトルv1, v2, , vlm一次従属(一次独立ない)ならば
        これに
m個のベクトルを付け加えた  
        
v1, v2, , vlm, , vl一次従属(一次独立ない)

→[トピック一覧:線形従属・線形独立]
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定義:線形独立系 

    [砂田『行列と行列式』§5.3-b-定義5.37(p.173);ホフマン『線形代数学I』2.3基底と次元(p.41);松坂『集合・位相入門』3章§5C(p.134);]

【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
 SV部分集合。つまりV属すベクトルの集合。無限個あってもよい。

【本題】

 ベクトル空間V部分集合S(つまりV属すベクトルの集合)が一次独立系・線形独立系であるとは、
 Sから、どのように、互いに異なるベクトルを有限個選んでも、
 それら有限個の互いに異なるベクトル線形独立となること。
 ベクトル空間V部分集合Sが一次独立系・線形独立系であることを、
 単に、Sが一次独立・線形独立である、ともいう。
以上から、無限個のベクトルの一次独立は、決して、無限個のベクトルの一次結合によって定義されるわけではなく、無限個のベクトルから有限個のベクトルをどのように取り出しても一次独立になる、ということで、定義されるということになる。[ホフマン『線形代数学I』2.3基底と次元(p.44);]
ベクトルの有限列とベクトルの集合の違いと、一次独立・一次従属の定義の違いの関係について→[ホフマン『線形代数学I』2.3基底と次元(p.48);]

定理:ベクトルの有限集合については、線形独立系と線形独立は同じこと。

(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
S={ v1, v2, , vm }V属すベクトル有限集合
(本題)
次の二つの命題は同値。
命題
PV属すベクトル有限集合S={ v1, v2, , vm }線形独立系である。 
命題
Qv1, v2, , vm線形独立である。  
(証明)
・命題
P
  Sから全ての元{ v1, v2, , vm }を取り出しても、{ v1, v2, , vm }線形独立。つまり、命題Q  
・命題Q線形独立なベクトルの性質より、{ v1, v2, , vm }任意の部分集合線形独立。つまり命題P。   

定義:無限個のベクトルの一次従属・線形従属 linearly independent  

 [ホフマン『線形代数学I』2.3基底と次元(p.41);]
(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
SVの部分集合。つまりVに属すベクトルの集合。無限個あってもよい。
(本題)
ベクトル空間
Vの部分集合Sが一次従属線形従属であるとは、
Sに属す異なるベクトルv1, v2, , vlと、全部は0ではないKに属すスカラーa1, a2, , al が存在して、
       a1v1+a2v2++alvl   
 を満たすことをいう。


→[トピック一覧:線形従属・線形独立]
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定理:一次従属の言い換え


【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)  
V:K上のベクトル空間
v1, v2, …, vlV上のベクトル。つまり、v1, v2, …, vl V   
a1, a2, …, alスカラーa1, a2, …, al K  

【本題】

次の二つの命題は同値
命題P: ベクトルv1, v2, …, vl一次従属
命題Q: ベクトルv1, v2, …, vlの一つが、残りの(l−1)個のベクトル一次結合として表される。  

【証明】

 →神谷浦井『経済学のための数学入門』定理3.1.2(p.109):証明付; 

【文献】

 ・志賀『線形代数30講』14講(p.90);
 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.10);
 ・藤原『線形代数』4.2(p.94);
 ・本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.133);
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』定理3.1.2(p.109):証明付;
 ・本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.133)
  


(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、2.3基底と次元(pp.41-9)。
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年、14講ベクトル空間の例と基本概念(pp.88-90)。
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、§5.3-a(p.169).
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)。