数ベクトル空間における基底 : トピック一覧


基底の定義/単位ベクトルは基底の一つ/基底の存在

数ベクトル空間関連ページ:数ベクトル空間の定義線形結合一次独立・一次従属次元   
上位概念:一般のベクトル空間における基底  
具体例:n次元数ベクトル空間における基底/実2次元数ベクトル空間における基底   

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定義:数ベクトル空間における基底 basis 


【舞台設定】

 K (例:有理数をすべてあつめた集合Q実数をすべて集めた集合R、複素数をすべてあつめた集合C)  
 KnK上のn次元数ベクトル空間 
 +K上のn次元数ベクトル空間Kn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:K上のn次元数ベクトル空間Knにおいて定義されているスカラー乗法 
 
u1, u2, …, ull個の「Kからつくったn次元数ベクトル」。
       具体的に書くと、i=1,2,…, lにたいして、ui1, ui2, …, uinKとして、ui=(  ui1, ui2, …, uin )   
      したがって、u1, u2, …, ul Kn
      なお、個数lが有限個であることに注意。  
 v:「Kからつくったn次元数ベクトル」。
       具体的に書くと、v1, v2, …, vnKとして、v=(  v1, v2, …, vn )   
      したがって、v Kn
 a1, a2, …, alスカラーa1, a2, …, al K   

【本題】

 「K上のn次元数ベクトル空間Kn属すn次元数ベクトル有限集合{ u1, u2, …, ul }が、
  K上のn次元数ベクトル空間Kn基底basisである」とは、
  { u1, u2, …, ul }が次の2条件を満たすことを言う。
  条件P1u1, u2, …, ul線形独立となること。
  条件P2u1, u2, …, ul一次結合として、Kn属す任意のn次元数ベクトルを表せること。
             ( v Kn ) ( a1, a2, …, al ) ( v =a1u1+a2u2++alul ) 
なお、この2条件は、次の条件と同値

  条件Qu1, u2, …, ul一次結合としてKn属す任意のn次元数ベクトルを一意的に表せる。  

【証明:条件P1;P2命題Q】

・条件P1;P2条件Q 
    永田『理系のための線形代数の基礎』補題1.3.2(pp.17-8); 
・条件Q条件P1;P2 
    永田『理系のための線形代数の基礎』補題1.3.2(p.18);     

【関連】

 ・K上のn次元数ベクトル空間Kn基底(の定義を満たすKn部分集合)は、複数セット存在しうる。
 ・上位概念:一般のベクトル空間の有限集集合が基底であるということ
 ・具体例:n次元数ベクトル空間の基底/実2次元数ベクトル空間の基底   

【文献】

 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.3(p.11)


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定理:単位ベクトルは基底


【舞台設定】

 K (例:有理数をすべてあつめた集合Q実数をすべて集めた集合R、複素数をすべてあつめた集合C)  
 KnK上のn次元数ベクトル空間 

【本題】

 K上のn次元数ベクトル空間Kn単位ベクトルは、Kn基底である。

【証明】    
単位ベクトルe1, e2, …, en線形独立)。   
単位ベクトルe1, e2, …, en一次結合として、Kn属す任意のn次元数ベクトルを表せる   
 実際、  
  任意v=( v1, v2, …, vn )Knは、v =v1e1+v2e2++vnel  と表せる。 

【文献】

 永田『理系のための線形代数の基礎』1.3(p.11)



 

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定理:基底の存在

【舞台設定】

 K (例:有理数をすべてあつめた集合Q実数をすべて集めた集合R、複素数をすべてあつめた集合C)  
 KnK上のn次元数ベクトル空間 

【本題】

 したがって、K上のn次元数ベクトル空間Knは、すべて、(少なくとも一セット以上の)基底を有す。   

【証明】 

 少なくとも、K上のn次元数ベクトル空間Kn単位ベクトルは、Kn基底であるから。


 

(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
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年、15講基底と次元(pp.94-99):有限次元ベクトル空間のみ扱っている。
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.41-50)。
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)。
砂田利一『現代数学への入門:行列と行列式』2003年、§5.3-b(p.173).
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)。線形従属・独立については、数ベクトルに限定?
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)。 線形従属・独立については、数ベクトルに限定?
斎藤正彦『線形代数入門』東京大学出版会、1966年、第4章§2線形空間(p.96):実線形空間・複素線形空間のみ;附録V§2体(p.249)。

代数学のテキスト
本部均『新しい数学へのアプローチ5:新しい代数』共立出版、1969年、5.2-Aベクトル空間(p.132)。
酒井文雄『共立講座21世紀の数学8:環と体の理論』共立出版、1997年、1.6ベクトル空間(p.22):数ページしか触れていないが、逆に、一般の線形空間の理論の骨組みだけを浮かびあがってくるので、何が重要事項なのかを見極める上で便利。

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)。