計量実ベクトル空間に定義された内積の性質  : トピック一覧

・定理:零ベクトルとの内積スカラー倍したベクトルのそれ自身との内積シュヴァルツの不等式三角不等式  

※計量実ベクトル空間関連ページ:ノルム・ノルム空間の定義/内積・計量実ベクトル空間の定義/正規直交系・正規直交基底の定義/直交系・直交基底と内積/直交系・正規直交系の性質/正規直交基底の存在と構成/計量同型写像/直交補空間  

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定理:零ベクトルとの内積は0  

 [砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (p.239);]
【舞台設定】
 R実数体R   
 V実ベクトル空間 
x,y〉:計量実ベクトル空間Vにおけるベクトルx,y内積   
【本題】
計量実ベクトル空間V属す任意のベクトルx零ベクトルとの内積は0.
 論理記号で表すと、xV( x,=,x=0) 
※活用→同じベクトルどおしの内積の平方根はノルムの定義を満たす。  
※なぜ?    
 ・任意のx,yVと任意の実数aにたいして、x,ay=ax,y〉 …(1)
           ∵内積であるための要件2:線形性2 
 ・(1)について、任意の実数aを0とおくと、任意のx,yVにたいして、〈x,y〉=0〈x,y〉 …(2)  
 ・任意のx,yVにたいして、〈x,y〉=x, …(3)
           ∵ベクトルのスカラー0倍  
 ・0〈x,y〉=0  …(4)  
 ・(3)(4)を(2)に代入して、
      任意のxVにたいして、x,=0 
  が得られる。ここから、内積であるための要件4:対称性を用いて、
     任意のxVにたいして、x,=,x=0 


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定理:線形性

   [永田『理系のための線形代数の基礎』4.1問2(p.114);砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1);
  志賀『ベクトル解析30講』第11講(p.79);]
【舞台設定】
 R実数体R   
 V実ベクトル空間 
x,y〉:計量実ベクトル空間Vにおけるベクトルx,y内積   
【本題】
計量実ベクトル空間Vに属す任意のベクトルx任意の実数aに対して、
      
※活用→同じベクトルどおしの内積の平方根はノルムの定義を満たす。  
※なぜ?     
     ∵内積であるための要件2:線形性2 
         ∵絶対値の性質   



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シュヴァルツの不等式:  

  [斎藤『線形代数入門』4章§6計量線形空間(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.114);
   砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1)志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.78-9);
   志賀『固有値問題30講』8講(p.61);]
【舞台設定】
 R実数体R   
 V実ベクトル空間 
x,y〉:計量実ベクトル空間Vにおけるベクトルx,y内積   
【本題】
計量実ベクトル空間Vに属す任意のベクトルx,yについて、次の不等式が成立する。 
  x,y     
  つまり、
   ベクトルx,y内積絶対値は、ベクトルxノルム」と「ベクトルyノルム」の積をこえない。  
なぜ? [永田『理系のための線形代数の基礎4.1(p.114);砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1)]
x零ベクトルであるときは、両辺0で成立。∵零ベクトルとの内積内積の要件3:正値性  
・以下、
x零ベクトルでないケースを考える。  …(1) 
任意の実数cにたいして、cxy, cxy≧0  …(2) 
        ∵
内積の要件3:正値性 
cxy, cxy  
    =
cx, cxyy, cxy  ∵内積の要件1:線形性1 
    =
cx, cxcx,yy, cxy  ∵内積の要件1:線形性1 
    =
cx, cxcx,yy, cxy, y  ∵内積の要件1:線形性1 
    =
cx, cx2cx,yy, y   ∵内積の要件4:対称性 
    =
cx, cx2cx,yy, y   ∵内積の要件2:線形性2 
    =
c2x, x2cx,yy, y   ∵内積の要件2:線形性2 
    =
c2x, x2cx,yy, y   ∵内積の要件2:線形性2 
         …
(3)
・ここまで、cは、任意の実数とされていたのだから、
 
c=x,y/x,x とおいたところで、(2)3)に変更はない。  
 
(3)に、c=x,y/x,x を代入すると、 
 
cxy, cxyx,y2 /x,x2x,y2 /x,xy, y 
         =(
x,y2 2x,y2/x,xy, y 
         =−
x,y2/x,xy, y   
 これに
(2)を適用して、
  −
x,y2/x,xy, y≧0
     
y, yx,y2/x,x ∵両辺にx,y2/x,xを加える 
     
x,xy, yx,y2  ∵両辺にx,xをかける 
     
x,xy, yx,y2  ∵絶対値の性質  
     x,y2x,xy, y  
                 



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定理:三角不等式 

  [斎藤『線形代数入門』4章§6計量線形空間(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.114)
   砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1);志賀『ベクトル解析30講』第11講(p.79);
   志賀『固有値問題30講』8講(p.63);.]
【舞台設定】
 R実数体R   
 V実ベクトル空間 
x,y〉:計量実ベクトル空間Vにおけるベクトルx,y内積   
【本題】
計量実ベクトル空間Vに属す任意のベクトルx,yについて、次の不等式が成立する。 
        
          *左辺の内積〈 , 〉内の+はベクトル和、右辺の+は実数の和。   
  つまり、
  ベクトルx,yベクトル和とそれ自身との内積の平方根は、
  「ベクトルxとそれ自身のとの内積の平方根」と
  「ベクトルyとそれ自身のとの内積の平方根」の和をこえない。 
※活用→同じベクトルどおしの内積の平方根はノルムの定義を満たす。  
※なぜ?  
    
    =
xy, xy  
    =
x, xyy, xy        ∵内積の要件1:線形性1  
    =
x, xx,yy, xy     ∵内積の要件1:線形性1 
    =
x, xx,yy, xy, y  ∵内積の要件1:線形性1 
    =
x, x2x,yy, y      ∵内積の要件4:対称性 
    ≦
x, x2x,yy, y    ∵絶対値の性質   
    ≦
x, x2y, y    ∵シュヴァルツの不等式 
         

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(reference)

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。
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、4.1内積(p.114);。
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.117)。
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年。
藤原毅夫『理工系の基礎数学2:線形代数』岩波書店、1996年。
斎藤正彦『線形代数入門』東京大学出版会、1966年、4章§6計量線形空間(p.120)。
砂田利一『現代数学への入門:行列と行列式』2003年、§7.1-(a)内積 (pp.239-241).
解析学のテキスト
杉浦光夫『解析入門I』東京大学出版会、1987年、I章§4(pp.33-38)。
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、§3.2.3(p.124)。

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