数ベクトルが基底とならないことの十分条件の証明 

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(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 
v1, v2, , vnn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,, nにたいして、vi1, vi2, , vinKとして、vi=( vi1, vi2, , vin )   
       したがって、
v1, v2, , vn Kn
       なお、個数
lが有限個であることに注意。  
a1, a2, , an スカラーa1, a2, , an K  

(定理)
 「
Kからつくったn次元数ベクトルv1, v2, , vl の個数lnより少ないならば
  
v1, v2, , vl一次従属の場合もあれば一次独立の場合もありえる。 
  もし、ここで、
v1, v2, , vl一次独立だとしても
  
v1, v2, , vlは、Kn基底になりえない。 
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(証明) [永田『理系のための線形代数の基礎』定理1.2.4(p.14);]
  一次独立n次元数ベクトルv1, v2, , vlが、基底の定義を満たすには、
  
条件P1v1, v2, , vl一次独立
  
条件P2v1, v2, , vl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 ) 
  が満たされねばならない。
  しかし、
l<nならば条件P2を満たすことは不可能である。
  
v1, v2, , vl一次結合としては表し得ない「Kからつくったn次元数ベクトル」があることは、
  次の点について考えてみると判然とする。
  |
Kn単位ベクトルは、いつでもn個ある。 
  |また、
Kn単位ベクトルは、いつでも一次独立である。()  
  |つまり、
Knには、一次独立n個のn次元数ベクトルが、単位ベクトルを実例として存在している。 
  |ところが、  
  |
l < nという設定下で、v1, v2, , vl一次結合n個つくると、 
  |この
n個の「v1, v2, , vl一次結合」は一次従属にしかならない。(
  |「
v1, v2, , vl一次結合」としてあらわしうる、一次独立なベクトルの個数は、l以下である。()   
  |したがって、 
  |
単位ベクトルを実例とする、一次独立n個のn次元数ベクトルを、「v1, v2, , vl一次結合」として表そうとしても、 
  |表せない
(nl)個のベクトルが存在することになる。   
  したがって、「
Kからつくったn次元数ベクトルv1, v2, , vl の個数lnより少ないケースにおいては、
  たとえ、
v1, v2, , vl一次独立だとしても
  
v1, v2, , vlは、Kn基底になりえない。 


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