ユークリッド空間Rn上の直交変換

・定義:直交変換 
・性質:直交変換の行列表示/直交変換による正規直交基底の像 

※計量ベクトル空間上で定義される〈一次写像の下位類型〉: ユークリッド空間Rn上の対称変換/計量実ベクトル空間上の対称変換/計量実ベクトル空間上の随伴写像/計量同型写像
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定義:ユークリッド空間Rn上の直交変換 symmetric transformation


定義


・「
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」とは、
 
線形変換『f : Rn→Rn』の前後で内積が変わらないということ、
 すなわち、   
 
n次元ユークリッド空間Rnに属す任意の実n次元数ベクトル v1, v2にたいして、
   
v1・v2 = f (v1 ) ・ f (v2 )  
 が満たされること
  
(∀v1∈Rn)(∀v2∈Rn)( v1・v2 = f (v1 ) ・ f (v2 ) ) 
 をいう。
 

[文献]
・佐武『線形代数学』�V§7定理11(p.124);
・斎藤『線形代数入門』4章§6(p.125)
・永田『理系のための線形代数の基礎』4.5問3(pp.123-4)

※一般化:計量同型写像 

設定

なお、この定義がなされる舞台は、以下のように設定されている。
R :実数体R  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
v1, v2:実n次元数ベクトル
   具体的に書くと、v11, v12, …, v1n∈Rとして、v1=( v11, v12, …, v1n )∈Rn  
           
v21, v22, …, v2n∈Rとして、v2=( v21, v22, …, v2n )∈Rn  
v1・v2:実n次元数ベクトルv1,v2の自然な内積。
     これによって、
Rnは計量実ベクトル空間となる。 
‖
v‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム
           (
自然な内積を用いて定義される) 
d (v1,v2):ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
(
Rn,d):n次元ユークリッド空間  

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定理:ユークリッド空間Rn上の直交変換の行列表現 


定理


1.
次の二つの命題は同値。
命題
P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」
命題
Q:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」の標準基底に関する表現行列が、
     
直交行列」

2.
次の二つの命題は同値。
命題
P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」
命題
R:「任意の『n次元ユークリッド空間Rnの正規直交基底』に関する線形変換fの行列表示は、
      
直交行列」
  

[文献]
・佐武『線形代数学』�V§7定理11(pp.122-124):証明つき;
・斎藤『線形代数入門』2章§6 [6.4'] (p.65);4章§6[6.6](p.125)
・永田『理系のための線形代数の基礎』4.5問3(pp.123-4)

 

※直交行列:
   

設定

なお、この定理は、以下の舞台設定上で得られる。
R :実数体R  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
v1, v2:実n次元数ベクトルの縦ベクトル
   具体的に書くと、
v11, v12, …, v1n∈Rとして、v1=t( v11, v12, …, v1n )∈Rn  
           
v21, v22, …, v2n∈Rとして、v2=t( v21, v22, …, v2n )∈Rn  
v1・v2:実n次元数ベクトルv1,v2の自然な内積。
     これによって、
Rnは計量実ベクトル空間となる。 
‖
v‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム
           (
自然な内積を用いて定義される) 
d (v1,v2):ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
(
Rn,d):n次元ユークリッド空間  

証明

1.
[
命題P⇒命題Q]    
(step1)
命題P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」
    すなわち、
n次元ユークリッド空間Rnに属す任意の実n次元数ベクトル v1, v2にたいして、
          
f (v1 ) ・ f (v2 ) =v1・v2 
 
⇒ Rnの標準基底{ e1, e2, …, en }にたいして、
          
f (ei ) ・ f (e j ) =ei ・e j (i,j=1,2,…n)  
(step2)
 ei ・e j =δij(i,j=1,2,…n)   ∵ei ・e j を計算したらわかる。
(step3)
 定理より、  
 
f (e1 )は、fの標準基底に関する表現行列の第1列 
 
f (e2 )は、fの標準基底に関する表現行列の第2列 
  :                  :  
 
f (en )は、fの標準基底に関する表現行列の第n列 
(step4)
  Step1,2より、
   
[命題P] ⇒f (ei ) ・ f (e j ) =δij(i,j=1,2,…n)
  つまり、
   
[命題P] ⇒ 「{ f (e1 ), f (e2 ), …, f (en ) }は、n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系をなす。」
(step5)
・Step3,4より、
 
[命題P] ⇒「fの標準基底に関する表現行列の各列は、n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系をなす」
・
直交行列とは、その各列がn次元ユークリッド空間Rnの正規直交系をなす n次正方行列であった。
・以上二点より、
   
[命題P] ⇒ 命題Q「fの標準基底に関する表現行列は、直交行列」 
      



[文献]
・佐武『線形代数学』�V§7 (pp.122-123):左欄同様。
・斎藤『
線形代数入門』2章§6 [6.4'] (p.65):左欄と異なる。


[命題Q⇒命題P]            
命題
Q:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」の標準基底に関する表現行列が、
     
直交行列」
⇒  f (v1) = Av1  かつ f (v2) =Av2    …(1)     
    (∵
標準基底に関する表現行列の定義) 
   
かつ 
   
tA=A      …(2)
    (∵直交行列の定義)  
⇒   f (v1 ) ・ f (v2 ) = (Av1 ) ・ (Av2 )  ∵(1) 
            
=(tA A v1) ・v2  ∵自然な内積の性質 
             
=( In v1) ・v2   ∵直交行列の定義 
              
=v1・v2 
  すなわち、
   命題
P「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』は直交変換」
  が成り立つ。
よって、命題
Q⇒命題P  


[文献]
・佐武『線形代数学』�V§7 (p.123) :左欄同様。

証明

2.
[
命題P⇒命題R]
(step1)
命題P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」
    すなわち、
n次元ユークリッド空間Rnに属す任意の実n次元数ベクトル v1, v2にたいして、
          
f (v1 ) ・ f (v2 ) =v1・v2 
 
⇒ 任意の『Rnの正規直交基底』{ p1, p2, …, pn }にたいして、
          
f ( pi ) ・ f ( pj ) = pi ・ pj (i,j=1,2,…n)
(step2)
  任意の『Rnの正規直交基底』{ p1, p2, …, pn }にたいして、
    
pi ・ pj =δij(i,j=1,2,…n)   ∵正規直交基底の定義。


[文献]
・佐武『線形代数学』�V§7 (p.123) :左欄同様。

(step3)
任意の「Rnの正規直交基底」{ p1, p2, …, pn }に関する線形変換fの行列表示を
 
A=(aij)
とおく。
 
線形変換fの任意基底に関する表現行列の定義より、
  
f (p1)=a11 p1+a21 p2+…+an1 pn  
  
f (p2)=a12 p1+a22 p2+…+an2 pn  
   :     : 
  
f (pn)=a1n p1+a2n p2+…+ann pn  
 したがって、
 
f ( pi ) ・ f ( pj )
  =(a1i p1+a2i p2+…+ani pn)・(a1j p1+a2j p2+…+anj pn)
  
= (a1i p1)・(a1j p1)+(a1i p1)・(a2j p2)+…+(a1i p1)・(anj pn) 
   
+(a2i p2)・(a1j p1)+(a2i p2)・(a2i p2)+…+(a2i p2)・(anj pn) 
    
+…             
     …
+(ani pn)・(a1j p1)+(ani pn)・(a2i p2)+…+(ani pn)・(anj pn) ∵自然な内積の線型性1 
  
= a1i a1j(p1・p1)+ a1i a2j(p1・p2)+…+ a1i anj(p1・pn) 
   
+ a2i a1j(p2・p1)+ a2i a2j(p2・p2)+…+ a2i anj(p2・pn) 
    
+…             
     …
+ ani a1j(pn・p1)+ ani a2i(pn・p2)+…+ ani anj(pn・pn) ∵自然な内積の線型性2 
  
= a1i a1j 1+ a1i a2j0+…+ a1i anj0 
   
+ a2i a1j0+ a2i a2j1+…+ a2i anj0 
    
+…
     …
+ ani a1j0+ ani a2i0+…+ ani anj1 ∵step2 
  
= a1i a1j + a2i a2j +…+ ani anj  
 これは、                   
  「
Rnの正規直交基底」{ p1, p2, …, pn }に関する線形変換fの行列表示A=(aij)の
   
第i列と第j列との自然な内積にほかならない。
(step4)
  Step2,3を使って、step1に登場する「f ( pi ) ・ f ( pj ) = pi ・ pj 」の右辺、左辺を書き換えると、
  
step1は、次のようになる。
  
[命題P] ⇒「任意の『Rnの正規直交基底』{ p1, p2, …, pn }に関する線形変換fの行列表示」の第i列と第j列との自然な内積=δij(i,j=1,2,…n)
  つまり、
   
[命題P] ⇒「任意の『Rnの正規直交基底』{ p1, p2, …, pn }に関する線形変換fの行列表示」の各列は、n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系をなす。」
(step5)
・直交行列とは、その各列がn次元ユークリッド空間Rnの正規直交系をなす n次正方行列であった。
・
step4より、
   
[命題P] ⇒ 命題R「任意の『Rnの正規直交基底』に関する線形変換fの行列表示は、直交行列となる。」 


[命題R⇒命題P]            
命題
S「任意の『Rnの正規直交基底』に関する線形変換fの行列表示は、直交行列」
⇒命題Q「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』」の標準基底に関する表現行列が、直交行列」  
⇔命題P  ∵ 本定理-1.を見よ。
よって、命題
R⇒命題P  
 

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定理:ユークリッド空間Rn上の直交変換の性質 


定理


次の二つの命題は
同値。
命題
P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」
命題
Q: 任意の「Rnの正規直交基底」{ p1, p2, …, pn }に対して、
    
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』による像 
           
{ f ( p1), f ( p2 ), …, f ( pn ) } 
    も、「
n次元ユークリッド空間Rnの正規直交基底」。 

[文献]
・佐武『線形代数学』�V§7定理11-2(p.124);
・川久保『線形代数学』定理1.7.4(p.270):計量実ベクトル空間一般。P⇒Qの証明はそのまま使えるが、Q⇒Pの証明は、このまま数ベクトル空間で使っていいものかどうか…。



設定

この定理は、以下の舞台設定上で成り立つ。
R :実数体R  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
v1, v2:実n次元数ベクトル
   具体的に書くと、v11, v12, …, v1n∈Rとして、v1=( v11, v12, …, v1n )∈Rn  
           
v21, v22, …, v2n∈Rとして、v2=( v21, v22, …, v2n )∈Rn  
v1・v2:実n次元数ベクトルv1,v2の自然な内積。
     これによって、
Rnは計量実ベクトル空間となる。 
‖
v‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム
           (
自然な内積を用いて定義される) 
d (v1,v2):ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
(
Rn,d):n次元ユークリッド空間  

証明

[命題P⇒命題Q]  
(step1)
  命題P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」
      すなわち、
n次元ユークリッド空間Rnに属す任意の実n次元数ベクトル v1, v2にたいして、
            
f (v1 ) ・ f (v2 ) =v1・v2 
  
⇒ 任意の『Rnの正規直交基底』{ p1, p2, …, pn }にたいして、
          
f ( pi ) ・ f ( pj ) = pi ・ pj  =δij (i,j=1,2,…n)   ∵正規直交基底の定義。
  つまり、
  命題
P:「n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』が直交変換である」
  
⇒命題P' :「任意の「Rnの正規直交基底」{ p1, p2, …, pn }に対して、{ f ( p1), f ( p2 ), …, f ( pn ) }は、n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系をなす。」  
(step2)
 ・n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系は、一次独立。(∵定理)
 ・
n個の一次独立な実n次元数ベクトルは、実n次元数ベクトル空間Rnの基底をなす。(∵定理) 
 この二点より、
  命題
P' :「{ f ( p1), f ( p2 ), …, f ( pn ) }は、n次元ユークリッド空間Rnの正規直交系をなす。」
  
⇒ 命題Q: 任意の「Rnの正規直交基底」{ p1, p2, …, pn }に対して、
    
n次元ユークリッド空間Rn上の線形変換『f : Rn→Rn』による像 
           
{ f ( p1), f ( p2 ), …, f ( pn ) } 
    は、「
n次元ユークリッド空間Rnの正規直交基底」。  






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