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証明:一次写像fVV'にたいして、Image f は、V'部分ベクトル空間

(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」)  
V' 実ベクトル空間 (実数体R上の線形空間・ベクトル空間」) 
fVV'実ベクトル空間Vから実ベクトル空間V'への一次写像  
(命題)  
一次写像fVV'にたいして、Image f は、V'部分ベクトル空間となる。
(証明) [志賀『線形代数3021(p.133)]   
Image f V'部分ベクトル空間であることを示すには、
次の三点を示せば十分。∵
部分ベクトル空間になるための必要十分条件 
 
1. Image fは、V'でない部分集合
 
2. 任意ベクトル v'1, v'2 Image fに対して、v'1 +v'2 Image f 
   
[Image fは「V'に定められているベクトルの加法」について閉じている]
 3. 任意ベクトルv'Image fスカラーcKに対して、cv'Image f 
   
[Image fは「V'に定められているスカラー乗法」について閉じている] 
step1: Image fは、V'でない部分集合  
 ・
実ベクトル空間の定義―条件I-2-2により、
  あらゆる
実ベクトル空間は、零ベクトルを備えたものとして定義されている。
  したがって、
V にもV'にも、零ベクトルは備わっている。…(1-1) 
 ・
一次写像fVV'は、f ( ) = を満たす。()…(1-2) 
 ・
(1-1) (1-2)より、fは、VV' に写すことがわかる。
  したがって、
Image f 
  
Image fには、少なくとも、V'が含まれているから、V'でない部分集合である。  
step2: Image fは「V'に定められているベクトルの加法」について閉じている  
任意ベクトル v'1, v'2 Image f  
 にたいして、
Image f 定義より、 
   
f ( v1 ) = v'1 を満たす v1V  
   
f ( v2 ) = v'2 を満たす v2V  
 が存在する。…
(2-1) 
 (注意) f 単射(一対一対応)ではない場合、
     
v'1, v'2にたいして、v1, v2は一意的にきまるとは限らない。
     しかし、
v'1, v'2にたいして、v1, v2が複数存在したとしても
      下記の主張に何ら問題は生じない。    

任意ベクトル v'1, v'2 Image f にたいして、
 
v'1 +v'2  
 
=f ( v1 ) + f ( v2 )   ∵(2-1) 
 
=f ( v1 +v2 ) ∵一次写像fの定義―要件1:ベクトル和の保存    
がなりたつ。 …
(2-2)  
(2-1)で定めたv1,v2 V にたいして、 v1 +v2 V …(2-3) 
   ∵
V実ベクトル空間だから、実ベクトル空間の定義−条件I-1によって。 
(2-2)が意味しているのは、
 「
任意v'1, v'2 Image f に対して、
   
v'1 +v'2は、一次写像fv1 +v2V[(2-3) ]V'に写したである」
 ということ。
 
一次写像fVV'Image f は、{ f ( v ) | vV }と定義されるので、 
 
v'1 +v'2Image f である。       
step3: Image fは「V'に定められているスカラー乗法」について閉じている  
任意ベクトル v'Image f にたいして、Image f 定義より、 
   
f ( v ) = v' を満たす vV  
 が存在する。…
(3-1)  
 (注意) f 単射(一対一対応)ではない場合、
     
v'1, v'2にたいして、v1, v2は一意的にきまるとは限らない。
     しかし、
v'1, v'2にたいして、v1, v2が複数存在したとしても
      下記の主張に何ら問題は生じない。    

任意ベクトル v'Image f と、任意スカラーcRにたいして 
 
cv'  
 
=c f ( v )  ∵(3-1) 
 
=f ( cv ) ∵一次写像fの定義―要件2:スカラー倍の保存    
がなりたつ。 …
(3-2)  
(3-1)で定めたvVと、任意スカラーcRにたいして、 cvV …(3-3) 
   ∵
V実ベクトル空間だから、実ベクトル空間の定義−条件U-1によって。 
(3-2)が意味しているのは、
 「
任意v'Image f と、任意cRに対して、
   
cv'は、一次写像fcvV [(3-3) ]V'に写したである」
 ということ。
 
一次写像fVV'Image f の定義により、
  
一次写像fが、VV'に写したは、すべて、Image f と呼んでよいので、 
 
cvImage f である。       

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