実ベクトル空間における一次結合・線形結合 : トピック一覧 

・定義:一次結合・線形結合/〜から生成された部分ベクトル空間 
・定理:一次結合の和/一次結合のスカラー倍/一次結合と部分ベクトル空間

実ベクトル空間関連ページ:実ベクトル空間の定義/部分ベクトル空間/線形独立・線形従属/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

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総目次 
 

定義:一次結合・線形結合 linear combination 


【舞台設定】

R実数体(実数をすべて集めた集合)  
V:実ベクトル空間 (実数体R上の線形空間・ベクトル空間」)  
+実ベクトル空間Vにおいて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:実ベクトル空間Vにおいて定義されているスカラー乗法 
v1, v2, …, vl:Vに属すベクトル。つまり、v1, v2, …, vl V なお、個数が有限個であることに注意。  
【本題】

実ベクトル空間Vに属す有限個のベクトルv1, v2, …, vl一次結合・線形結合とは、
    それらの(Vで定義された)スカラー積 a1v1, a2v2, …, alvl (a1, a2, , al R) 
    の(Vで定義された)ベクトル和 a1v1+a2v2++alvl 一次結合 
で表されたV上のベクトルのこと。



「Vに属すベクトルの一次結合」も、「Vに属すベクトル」になるのはなぜ?  [草場『線形代数』2.9(p.54)]

【Step1: スカラー積が「Vに属すベクトル」になるわけ】  

実ベクトル空間Vにおいて定義されるスカラー乗法とは、
   「任意実数実数体Raと、Vの任意vの組に対して、Vのを一意的に定める演算
のこと。 
だから、
任意ai R, viV に対して、Vに定められたスカラー乗法をおこなった結果出てきたスカラー積aiviは、
Vの である。
  (そもそも、演算結果がVのにならないなら、その演算はVに定められたスカラー乗法とは呼べない)
Vのを「Vに属すベクトル」と呼ぶのだから、
 任意ai R, viV に対して、Vに定められたスカラー乗法をおこなった結果出てきたスカラー積aiviは、
 「Vに属すベクトル」となる。 

【Step2: ベクトル和が「Vに属すベクトル」になるわけ】
   
ベクトル空間Vにおいて定義される"ベクトルの加法""とは、    
  「任意u,vVに対して、それに対応するuvVを一つずつ定める」演算のこと。 
だから、
任意u,vVに対して、Vに定められたベクトルの加法をおこなった結果出てきたベクトル和uvは、
Vの である。
 (そもそも、演算結果がVのにならないなら、その演算はVに定められたベクトルの加法とは呼べない)
Vのを「Vに属すベクトル」と呼ぶのだから、
 任意u,vVに対して、Vに定められたベクトルの加法をおこなった結果出てきたベクトル和uvは、
 「Vに属すベクトル」となる。 

【Step3: 一次結合が「Vに属すベクトル」になるわけ 】

 step1より、Vに属す任意ベクトルv1, v2, …, vlに対して、
        それらの(Vで定義された)スカラー積 a1v1, a2v2, …, alvl (a1, a2, , al R) 
 は、すべて、「Vに属すベクトル」となる。
 したがって、これらの(Vで定義された)ベクトル和 a1v1+a2v2++alvlは、
 「Vに属すベクトル」のベクトル和であるから、
 step2より、a1v1+a2v2++alvlも、「Vに属すベクトル」となる。 
 つまり、Vに属すベクトルv1, v2, , vl一次結合は、「Vに属すベクトル」である。 

【文献】

 ・『岩波数学辞典』210線形空間:C線形結合(p.571)
 ・斎藤『線形代数入門』4章§3(p.99)
 ・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)
 ・ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(p.32)
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1.3(p.108);]



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定理:一次結合の和  


【舞台設定】

R実数体(実数をすべて集めた集合)  
V:実ベクトル空間 (実数体R上の線形空間・ベクトル空間」)  
+実ベクトル空間Vにおいて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:実ベクトル空間Vにおいて定義されているスカラー乗法 
v1, v2, …, vl:Vに属すベクトル。つまり、v1, v2, …, vl V
a1, a2, …, alスカラーa1, a2, , al R  
b1, b2, …, blスカラーb1, b2, …, bl R  

【本題】
任意ベクトルv1, v2, …, vlVと、任意スカラーa1, a2, …, al ,b1, b2, …, bl Rにたいして、
(あるいは、任意の「Vに属すベクトル一次結合a1v1+a2v2++alvl, b1v1+b2v2++blvlにたいして)
     (a1v1+a2v2++alvl+b1v1+b2v2++blvl)=(a1+b1)v1+(a2+b2)v2++(al+bl)vl  
      つまり、
        

【なぜ?】  

 (a1v1+a2v2++alvl+b1v1+b2v2++blvl) 
  =(
a1v1+b1v1+a2v2+b2v2++alvl+blvl ∵ベクトル和の結合則・可換則 
  =a1+b1v1+a2+b2v2++al+blvl    ∵スカラー積のスカラーに関する分配則 

【意義】 

この定理は、以下の点を意味している。
・「Vに属すベクトルv1, v2, …, vl任意の二つの一次結合の「Vで定義されたベクトル和」も、
  同じ「Vに属すベクトルv1, v2, …, vl一次結合となる。     
  ∵実数体の定義より、実数体の加法"+"は二項演算だから、Kが実数体ai ,biR ならばai +biR
   したがって、上記右辺は「Vに属すベクトル一次結合」の定義を満たす。  

【文献】

 ・ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(p.32)


 

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定理:一次結合のスカラー倍  


【舞台設定】

R実数体(実数をすべて集めた集合)  
V実ベクトル空間 (実数体R上の線形空間・ベクトル空間」)  
+実ベクトル空間Vにおいて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:実ベクトル空間Vにおいて定義されているスカラー乗法 
スカラーに続けてスカラーを並べて書いたもの:実数体Rにおいて定義されている乗法 
v1, v2, , vlV上のベクトル。つまり、v1, v2, , vl V   
c, a1, a2, , al スカラーc, a1, a2, , al R  
【本題】

任意ベクトルv1, v2, …, vlVと、任意スカラーa1, a2, …, al ,cR にたいして、
(あるいは、任意の「Vに属すベクトル一次結合a1v1+a2v2++alvlと、任意スカラーcR にたいして)
     c (a1v1+a2v2++alvl)=(ca1)v1+(ca2)v2++(cal)vl  
     つまり、    
      
【なぜ?】   
 
c (a1v1+a2v2++alvl
 =
c {a1v1+(a2v2++alvl)}     ∵ベクトル和の結合則 
 =(ca1)v1+c(a2v2++alvl)     ∵スカラー積のベクトルに関する分配則 
 =(ca1)v1+c{a2v2+(a3v3++alvl)}  ∵ベクトル和の結合則 
 =(ca1)v1+(ca2)v2+ c (a3v3++alvl)  ∵スカラー積のベクトルに関する分配則 
  :  
  :  
 =(ca1)v1+(ca2)v2++(cal)vl  
【意義】
この定理が意味しているのは、
「Vに属すベクトルv1, v2, , vl任意一次結合の、任意の「Vで定義されたスカラー倍」も、
同じ「Vに属すベクトルv1, v2, , vl一次結合となる
ということ。→生成された部分ベクトル空間。
実数体の定義より、実数体の乗法は二項演算だから、 c,aiRならばcaiR
したがって、上記右辺は「Vに属すベクトル一次結合」の定義を満たす。

【文献】
 
 ・ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(p.32)



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定義:〜から生成された部分ベクトル空間、〜の線形包  linear hull 


【舞台設定】

R実数体(実数をすべて集めた集合)  
V:実ベクトル空間 (実数体R上の線形空間・ベクトル空間」)  
S:Vの部分集合。つまり、Vに属すベクトルの集合。(Vの部分ベクトル空間である必要はない。また、無限個のベクトルがSに属していてもよい。) 

【本題】

1. Sから取り出した任意の有限個のベクトル任意一次結合をすべてあつめた集合 
    〈S〉={ a1v1+a2v2++alvl | a1,a2,,al R, v1,v2,,vl SV } 
 は、Sを含む最小の「Vの部分ベクトル空間」となる。(→証明) 
2.「Sを含む最小の「Vの部分ベクトル空間」」は、「Sが張る部分空間」《S》と一致するから(→理由)、
  上記の〈S〉は、「Sが張る部分空間」《S》と一致する。   
3. そこで、Sに属す任意のベクトルの任意の一次結合をすべてあつめた集合〈S〉を、 
  Vの部分集合Sから生成された部分ベクトル空間、Vの部分集合Sの線形包とよぶ。 


【1.の証明】 
   [永田『理系のための線形代数の基礎』1.5(p.32);砂田『行列と行列式』§5.2補題5.23(p.163); ] 

step1: 〈S〉は、V部分ベクトル空間。 
step1-1: 〈S〉は、V部分集合
V部分集合Sから取り出した任意の有限個のベクトルの任意の一次結合を全てあつめた集合〈S〉は、V部分集合である。
なぜなら、
V部分集合Sから取り出した任意の有限個のベクトルは、ベクトル空間V属すベクトルだから、
その
任意一次結合は、ベクトル空間V属すベクトル
よって、
V部分集合Sから取り出した任意の有限個のベクトルの任意の一次結合をすべてあつめた集合〈S〉は、V部分集合である。
  ※
V部分集合S属すベクトル一次結合は、必ずしもS属すベクトルとはいえないことに注意。
   ここでは、
Vベクトル空間だがSは必ずしもベクトル空間とは設定されていない。
step1-2: 〈S〉は「Vで定義されたベクトルの加法」について閉じている 
任意a1,a2,,al R, v1,v2,,vl SV, 任意a'1,a'2,,a'm R, v'1,v'2,,v'm SV に対して、
   
(a1v1+a2v2++alvl)+(a'1v'1+a'2v'2++a'mv'm ) 
   
=a1v1+a2v2++alvl+a'1v'1+a'2v'2++a'mv'm  ∵ベクトル和の結合則  
は、
V部分集合Sから取り出した任意の有限個のベクトルv1,v2,,vl ,v'1,v'2,,v'm 一次結合の定義を満たしている(a1,a2,,al ,a'1,a'2,,a'm Rだから)。
つまり、
任意の二つの「V部分集合Sから取り出した有限個のベクトル一次結合」の「Vで定義されたベクトル和」は、
 「
V部分集合Sから取り出した有限個のベクトル一次結合」となる。    
ということは、〈
S〉に属す任意の二つのの「Vで定義されたベクトル和」は、〈S〉に属す。     
step1-3: 〈S〉は「Vで定義されたスカラー乗法」について閉じている 
任意a1,a2,,al R, v1,v2,,vl SV, 任意cR に対して、
 
一次結合のスカラー倍の定理より、c (a1v1+a2v2++alvl)=(ca1)v1+(ca2)v2++(cal)vl  
つまり、V部分集合Sから取り出した任意の有限個のベクトル任意一次結合任意スカラー倍は、
その
S属すベクトル一次結合となる(ca1,ca2,,cal Rだから)。
ということは、〈
S〉に属す任意の二つのの「Vで定義されたスカラー乗法」は、〈S〉に属す。  
step1-4: 以上三点から、〈S〉はV部分ベクトル空間となるための必要条件を満たす。  
Step2: 〈S〉はSを含む。
 〈
S〉は、Sから取り出した任意の有限個のベクトル任意一次結合をすべてあつめた集合であった。
 「
S属す任意ベクトル」自体も、「Sから取り出した任意の有限個のベクトル任意一次結合」の一例である。
 よって、
S属す任意ベクトルは、〈S〉に属す
 これを、
""の定義にしたがって、言いなおすと、
  
S S〉  
Step3: 任意のSを含むV部分ベクトル空間』」は、〈S〉を含む。
Step3-1: 
任意のSを含むV部分ベクトル空間』」Wは、
V部分ベクトル空間』であることの必要十分条件より、以下を満たす。
 
1. Wは、Vでない部分集合
 
2. 任意ベクトルv1, v2 Wに対して、Vに定められたベクトル和v1+v2 W 
 
3. 任意ベクトルvWスカラーcRに対して、Vに定められたスカラー積cvW 
この
2.3.の組み合わせと繰り返しによって、
任意a1,a2,,al R, 任意v1, v2,, vl WVに対して、
   
a1v1+a2v2++alvl W  
となる。
つまり、
Wから取り出した任意の有限個のベクトルv1, v2,, vl の、Vに定められたベクトル和スカラー積による一次結合は、W属す
Step3-2: 
ここでは、
Wとして、任意のSを含むV部分ベクトル空間』」を考えているのだから、
SW。  
ということは、
""の定義より、 S属すは、すべて、Wにも属す
だから、
Sから取り出した任意の有限個のv1,v2,,vl も、すべて、Wにも属す
すなわち、
v1,v2,,vl S v1,v2,,vl W      
この点と、
step3-1の結論を合わせて考えると、
任意a1,a2,,al R, 任意v1, v2,, vl Sに対して、
   
a1v1+a2v2++alvl W  
となる。
つまり、
Sから取り出した任意の有限個のベクトルは、 Wから取り出した任意の有限個のベクトルでもあるから、step3-1の結論より、
それら有限個の
ベクトルの、Vに定められたベクトル和スカラー積による、任意一次結合はすべて、W属す
Sから取り出した任意の有限個のベクトルの、Vに定められたベクトル和スカラー積による任意一次結合」とは、〈S〉の任意に他ならないから、
上記は、要するに、〈
S〉の任意は、W属すということ。
これを、
""の定義にしたがって、言いなおすと、
  
WS〉。 
Step3-3: 
以上から、
任意のSを含むV部分ベクトル空間』」Wに対して、
  
WS〉。
が成り立つことがわかった。
Step4: 
step1,step2の結果より、〈S〉は、「Sを含むV部分ベクトル空間』」の一つであるといえる。
また、
step3の結果より、 任意のSを含むV部分ベクトル空間』」は、〈Sを含む

以上から、〈S〉は、Sを含む最小の「Vの部分ベクトル空間」の定義を満たすことが、明らかになった。

【文献】

 ・『岩波数学辞典』210線形空間:F部分空間と商空間(p.571)
 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.5(p.32)
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1.4(p.112)
 ・ホフマン『線形代数学I』2.2部分空間-定理3(p.37)
 ・砂田『行列と行列式』補題5.23(p.163);]





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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、2.3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)。
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§3基底および次元(p.99)。
草場公邦『線形代数(増補版)』(森毅、斉藤雅彦責任編集『すうがくぶっくす』2巻)朝倉書店、1999年。

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)。