ノルムとノルム空間の定義 : トピック一覧

・定義:ベクトルのノルム/ノルム空間、単位ベクトル/ノルムから定められる距離 
・性質:ノルム空間と距離空間/単位ベクトル化 
※計量実ベクトル空間関連ページ:内積・計量実ベクトル空間の定義/内積の性質/計量同型写像 
               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//直交補空間
※ノルム空間の具体例:実n次元数ベクトル空間Rnに定義されたノルム空間/実n次元数ベクトル空間Rnに 定義されたユークリッドノルム /Rnに 定義された変分ノルム   

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定義:実ベクトル空間におけるノルム norm 「ノルムの公理」 


【舞台設定】 

 R:実数体 
 V:実ベクトル空間 

【本題】

 ・実ベクトル空間Vに属す任意のベクトルxに対して、実数‖x‖を定める関係があって、
  次の[要件1]〜[要件3]を満たすとき、
 ‖x‖を、xのノルム normとよぶ。

 [要件1:非負性] 任意のx∈Vにたいして、‖x‖≧0 であって、      
                   ‖x‖=0となるのはxが零ベクトルである場合のみに限る。
          論理記号で表すと、(∀x∈V) ( ( ‖x‖≧0 ) かつ (‖x‖=0⇔x=〇) ) 
              あるいは、(∀x∈V) ( ( ‖x‖≧0 ) かつ (x≠〇⇒‖x‖>0) )  
 [要件2:線形性] 任意のx∈Vと任意の実数aにたいして、‖ax‖=|a|‖x‖
          論理記号で表すと、(∀x∈V) (∀a∈R) (‖ax‖=|a|‖x‖ ) 
 [要件3:三角不等式] 任意のx,y∈Vにたいして、‖x+y‖≦‖x‖+‖y‖ 
                 ※ただし、不等式左辺の+は実ベクトル空間Vに定義されたベクトル和、
                      不等式右辺の+は、実数の足し算。 
          論理記号で表すと、(∀x,y∈V) ( ‖x+y‖≦‖x‖+‖y‖ ) 

 ・様々なノルムが定義可能。
  たとえば、
   ・計量実ベクトル空間の内積によって定義されたノルム 
   ・実n次元数ベクトル空間Rnにおける内積により定まるノルム/Rnに 定義されたユークリッドノルム/Rnに 定義された変分ノルム   

【文献】

 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.121-2)
 ・砂田『行列と行列式』§7.1(pp.241-2)
 ・斉藤『集合・数・位相』4.5.7ノート(p.128)
 ・松坂『集合・位相入門』§5-A(p.277)
 ・矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5)

定義:ノルム空間


【舞台設定】 

 R:実数体 
 V:実ベクトル空間 

【本題】

 ノルム空間とは、
 ノルムの定義された実ベクトル空間、
 ないし、
 ノルム‖‖の定義された実ベクトル空間Vにおける、ノルムと実ベクトル空間の組(V,‖‖)
 のことをいう。

【具体例】

 ・一般の計量実ベクトル空間に、その内積から定まるノルムを定義してつくったノルム空間  
 ・計量実ベクトル空間Rnに、ユークリッドノルムを定義してつくった、ノルム空間  

【文献】

 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.121-2)
 ・砂田『行列と行列式』§7.1(pp.241-2)
 ・松坂『集合・位相入門』§5-A(p.277)
 ・矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5)
 ・Lang, Undergraduate Analysis,Chapter6§2 Normed Vector Spaces (p.111)



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定義:単位ベクトル  

【舞台設定】 

V:実ベクトル空間 
V:実ベクトル空間であって、ノルム空間  
x:実ベクトル空間Vに属すベクトル  
‖x‖:ノルム空間Vに定義されているノルム   

【本題】

ノルム空間Vにおける単位ベクトルとは、 ‖x‖=1を満たすベクトルxのこと。

【文献】

 ・砂田『行列と行列式』§7.1(pp.241-2)

定理:単位ベクトル化  


【舞台設定】 

 R:実数体 
 V:実ベクトル空間 
 x:実ベクトル空間Vに属すベクトル  
 ‖x‖:ノルム空間Vに定義されているノルム   

【本題1】

 任意のベクトルx∈Vについて、
  xが零ベクトルでないならば、
  「xのノルムの逆数(スカラーになる)」と、ベクトルxとのスカラー積    
    ( 1/‖x‖ ) x 
   は、
   ノルム1のベクトルになる。

 以上を論理記号でかくと、
   (∀x∈V)( x≠〇 ⇒ ‖ ( 1/‖x‖ ) x ‖=1 )

 【本題2】

 ( 1/‖x‖ ) xをつくることを、xの単位ベクトル化という。


※どうして、‖ ( 1/‖x‖ ) x ‖=1 といえるのか?

 ・ノルムであるための要件1:非負性より、 x≠〇ならば、‖x‖>0 
   したがって、 x≠〇ならば、1/‖x‖ >0      

 ・  ‖ ( 1/‖x‖ ) x ‖=( 1/‖x‖ )‖x‖  ∵ノルムであるための要件2:線形性   
             =1     

【文献】

 ・永田『理系のための線形代数の基礎』補題4.2.1(p.116)



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定義:ノルムから定められる距離 

【舞台設定】 

 R:実数体 
 V:実ベクトル空間であって、ノルム空間  
 x,y:実ベクトル空間Vに属すベクトル  
 ‖x‖:ノルム空間Vに定義されているノルム   

【本題】

・実ベクトル空間Vに属す任意のベクトルx, yに対し、
    
d(x, y)=‖x−y‖    
 とおくと、
d(x, y)は、Vにおけるx, y間の距離の定義を満たす。
・
d(x, y)=‖x−y‖ を、ノルムから定められる距離という。
※いろいろなノルムをつくりえるので、
  いろいろなノルムに応じて、いろいろなノルムから定められる距離をつくりえる。
  [→矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5);]       
※どうして、ノルムから定められた距離d(x, y)=‖x−y‖が距離の定義を満たすといえるのか?
  →
矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5);神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.123);  
・
d(x, y)は、ノルムの要件1:非負性により、Vにおけるx, y間の距離の要件(i)非負性を満たす。   
・
d(x, y)は、Vにおけるx, y間の距離の要件(ii) を満たす。
   なぜなら、 
    
任意のx,y∈Vにたいして、
     
d(x, y)=‖x−y‖=0⇔x−y=0  ∵ノルムの要件1:非負性  
               
⇔x=y       
 ・
d(x, y)は、Vにおけるx, y間の距離の要件(iii) 対称性を満たす。
   なぜなら、
    
任意のx,y∈Vにたいして、 
     
d(x, y)=‖x−y‖ 
        
=‖−1(−x)−1y‖   ∵逆ベクトルとスカラー積の関係 
        
=‖−1(−x+y)‖    ∵スカラー積のベクトルに関する分配則  
        
=‖−1(y−x)‖     ∵ベクトル和の可換則   
        
=|−1|‖y−x‖  ∵ノルムの要件2:線形性 
        
=1‖y−x‖  ∵絶対値の定義 
        
=‖y−x‖   
        
=d(y, x)  
・
d(x, y)は、Vにおけるx, y間の距離の要件(iv) 三角不等式を満たす。
   なぜなら、
    
任意のx,y,z∈Vにたいして、 
     
d(x, z)=‖x−z‖ 
        
=‖x+〇−z‖     ∵零ベクトルの定義 
        
=‖x+(y−y)−z‖  ∵逆ベクトルの定義  
        
=‖(x−y)+(y−z)‖  ∵ベクトル和の結合則 
          ≦
‖x−y‖+‖y−z‖  ∵ノルムの要件3:三角不等式  
            
=d(x, y)+d(y, z)      
【文献】

 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.123)
 ・松坂『集合・位相入門』§5-A(p.277)
 ・矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5)
 ・志賀『固有値問題30講』8講(p.61)

定理:ノルム空間と距離空間  


【舞台設定】 

 R:実数体 
 V:実ベクトル空間であって、ノルム空間  
 x,y:実ベクトル空間Vに属すベクトル  
 ‖x‖:ノルム空間Vに定義されているノルム   

【本題】

 ・実ベクトル空間Vにノルムが定義され、ノルム空間(V,‖‖)が設定されているならば、  
  実ベクトル空間Vの距離dを、「ノルムから定められる距離」によって定義することによって、 
  距離空間(V,d)を設定することができる。
  つまり、「ノルムから定められる距離」によって、ノルム空間(V,‖‖)はいつでも距離空間(V,d)と見なせる。

【文献】

 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.123)
 ・松坂『集合・位相入門』§5-A(p.277)
 ・矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5)
 ・志賀『固有値問題30講』8講(p.63)



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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317バナッハ空間(pp.922-):ノルムとノルム空間の解説が含まれている;項目341ヒルベルト空間B.(pp.1006-7):内積の定義が含まれている.

【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.238-9).

【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)。
位相空間・距離空間についてのテキスト
松坂和夫『集合・位相入門』岩波書店、1968年、§5ノルム空間、Banach空間(pp.275-288)。
矢野公一『距離空間と位相構造』共立出版、1997年、1.1.1距離関数(p.5)。


【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)。