数ベクトル空間における線形従属・線形独立 : トピック一覧 

・定義:一次独立・線形独立/一次従属・線形従属
・定理:単位ベクトルは一次独立/一次結合の和/一次結合のスカラー倍/一次独立の必要十分条件/一次独立なベクトルは非零ベクトル/一次独立なベクトルの一部
・定理:一次従属の必要十分条件
※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/基底/次元   
※上位概念:一般のベクトル空間における一次独立・一次従属  
※具体例:実n次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立/実2次元数ベクトル空間における線形従属・線形独立  

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定義:数ベクトルの一次独立・線形独立 linearly independent  


【舞台設定】

 K:体 (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)  
 Kn:体K上のn次元数ベクトル空間 
 +:体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 
 
v1, v2, …, vl:l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、vi1, vi2, …, vin∈Kとして、vi=(  vi1, vi2, …, vin )   
      したがって、v1, v2, …, vl ∈Kn。
      なお、個数lが有限個であることに注意。  
 a1, a2, …, al :スカラー。a1, a2, …, al ∈K   

【本題】

 l個の「Kからつくったn次元数ベクトル」v1, v2, …, vlが一次独立・線形独立であるとは、
  「v1, v2, …, vl の一次結合が零ベクトルとなるのは、
    これらに掛け合わせたスカラーがすべてKの加法の単位元0である場合に限られる」  
  すなわち、a1v1+a2v2+…+alvl=0 ⇒ a1=a2=…=al=0 
  これの対偶を書けば、「a1=a2=…=al=0でない」 ⇒  a1v1+a2v2+…+alvl≠0 

 がみたされることをいう。

【具体例】

 ・実n次元数ベクトルの一次独立 

 ・実2次元数ベクトル空間における一次独立  
 

【文献】

 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.10);1.3(p.16)

 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1.3(p.108)

 ・佐武『線形代数学』�V§1(p.86)


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定理:単位ベクトルは一次独立 


【舞台設定】

 K:体 (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)  
 Kn:体K上のn次元数ベクトル空間 

【本題】

 体K上のn次元数ベクトル空間Knの単位ベクトルは、一次独立。

【関連】

 ・単位ベクトルは基底をなす 

【文献】

 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.11)

定理:一次独立の言い換え


【舞台設定】

 K:体 (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)  
 Kn:体K上のn次元数ベクトル空間 
 v1, v2, …, vl:l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、vi1, vi2, …, vin∈Kとして、vi=(  vi1, vi2, …, vin )   
       したがって、v1, v2, …, vl ∈Kn。
       なお、個数lが有限個であることに注意。  
 a1, a2, …, al :スカラー。a1, a2, …, al ∈K   

【本題】

次の二つの命題は同値。
 命題P: n次元数ベクトル v1, v2, …, vl が一次独立。
 命題Q: n次元数ベクトル v1, v2, …, vl のどの一つも、
      残りの(l−1)個のn次元数ベクトルの一次結合では表されない。  

【証明】 志賀『線形代数30講』14講(p.90) 




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定義:数ベクトルの一次従属・線形従属 linearly dependent  


【舞台設定】

 K:体 (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)  
 Kn:体K上のn次元数ベクトル空間 
 +:体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 
 
v1, v2, …, vl:l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、vi1, vi2, …, vin∈Kとして、vi=(  vi1, vi2, …, vin )   
      したがって、v1, v2, …, vl ∈Kn。
      なお、個数lが有限個であることに注意。  
 a1, a2, …, al :スカラー。a1, a2, …, al ∈K   

【本題】

・l個の「Kからつくったn次元数ベクトル」v1, v2, …, vlが一次従属・線形従属であるとは、
 「Kからつくったn次元数ベクトル」v1, v2, …, vlが一次独立でないことをいう。  

・つまり、
 l個の「Kからつくったn次元数ベクトル」v1, v2, …, vlが一次従属・線形従属であるとは、
 「Kからつくったn次元数ベクトル」v1, v2, …, vl に対して、
 全部は0ではないスカラーa1, a2, …, al が存在して
  (a1, a2, …, al のなかに少なくとも一つ0ではないものを含むスカラーa1, a2, …, al が存在して)
  (a1=0かつa2=0かつ…かつal=0でないスカラーa1, a2, …, al が存在して)  
  (a1=a2=…=al=0でないスカラーa1, a2, …, al が存在して)  
        a1v1+a2v2+…+alvl=0  
  を満たすことをいう。

【具体例】

 ・n次元実ベクトルの一次従属 
 ・実2次元数ベクトル空間における一次従属  
 

【文献】

 ・永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.10);1.3(p.16)
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.1.3(p.108)
 ・佐武『線形代数学』�V§1(p.86)



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定理:一次従属の言い換え


【舞台設定】

 K:体 (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)  
 Kn:体K上のn次元数ベクトル空間 
 +:体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 
 
v1, v2, …, vl:l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、vi1, vi2, …, vin∈Kとして、vi=(  vi1, vi2, …, vin )   
      したがって、v1, v2, …, vl ∈Kn。
      なお、個数lが有限個であることに注意。  
 a1, a2, …, al :スカラー。a1, a2, …, al ∈K   

【本題】

次の二つの命題は同値。
命題P: n次元数ベクトルv1, v2, …, vlが一次従属。
命題Q: n次元数ベクトルv1, v2, …, vlの一つが、残りの(l−1)個のn次元数ベクトルの一次結合として表される。 


【文献】

 ・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)
 ・藤原『線形代数』4.2(p.94)
 ・本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.133)
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』定理3.1.2(p.109):証明付
 ・本部『新しい代数』5.2-Aベクトル空間(p.133);]

【証明】神谷浦井『経済学のための数学入門』定理3.1.2(p.109):証明付; 



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定理:一次独立なベクトルはすべて非零ベクトル 


【舞台設定】

 K:体 (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)  
 Kn:体K上のn次元数ベクトル空間 
 v1, v2, …, vl:l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、vi1, vi2, …, vin∈Kとして、vi=(  vi1, vi2, …, vin )   
      したがって、v1, v2, …, vl ∈Kn。
      なお、個数lが有限個であることに注意。  
 a1, a2, …, al :スカラー。a1, a2, …, al ∈K   

【本題】

次の命題と、その対偶が成り立つ。

命題: 「Kからつくったn次元数ベクトル」v1, v2, …, vlが一次独立ならば、 
      v1≠0 かつ v2≠0 かつ…かつ vl≠0 
上記命題の対偶:「v1≠0 かつ v2≠0 かつ…かつ vl≠0でないならば、v1, v2, …, vlは一次従属(一次独立でない)。 

【具体例】

 ・一次独立な実n次元数ベクトルはすべて非零ベクトル  
 ・一次独立な実2次元数ベクトルはすべて非零ベクトル  
 

【文献】

 ・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問1(p.11)

【証明】 [志賀『線形代数30講』14講(p.90);]  

・対偶「v1≠0かつv2≠0かつ…かつvl≠0でないならば、v1, v2, …, vlは一次従属(一次独立でない)」を示す。
・仮定「v1≠0かつv2≠0かつ…かつvl≠0でない」とは、
 v1, v2, …, vlのうち、m個(0<m≦l) が零ベクトルだということ。
 v1, v2, …, vlに含まれる、このm個の零ベクトルを、vi(1),vi(2),…,vi(m) で表す。
 すると、
 a1, a2, …, al のai(1)以外をすべて0、ai(1)を1とおいた場合に、a1v1+a2v2+…+alvl=0 が成り立つ。
   ∵a1v1+a2v2+…+alvlのi (1)項目以外では、ai=0だから、aivi=0。(∵ベクトルのスカラー0倍)  
    a1v1+a2v2+…+alvlのi (1)項目では、ai=1,vi=0だから、aivi=0。(∵零ベクトルのスカラー倍)
 つまり、「a1=a2=…=al=0でない」のに、a1v1+a2v2+…+alvl=0となるので、
      v1, v2, …, vlは一次従属(一次独立でない)。
以上で、「v1≠0かつv2≠0かつ…かつvl≠0でないならば、v1, v2, …, vlは一次従属(一次独立でない)」を示せた。   



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定理:一次独立なベクトルの部分集合、一次従属なベクトルを含む集合



【舞台設定】

 K:体 (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)  
 Kn:体K上のn次元数ベクトル空間 
 v1, v2, …, vl:l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、vi1, vi2, …, vin∈Kとして、vi=(  vi1, vi2, …, vin )   
      したがって、v1, v2, …, vl ∈Kn。
      なお、個数lが有限個であることに注意。  
 a1, a2, …, al :スカラー。a1, a2, …, al ∈K   

【本題】

 次の命題とその対偶が成り立つ。
 命題: n次元数ベクトル v1, v2, …, vlが一次独立ならば、  
     ここからm個(ただしm<l ) 除いた残りの(l−m)個のn次元数ベクトルも一次独立。

 上記命題の対偶:n次元数ベクトルv1, v2, …, vlが一次従属(一次独立でない)ならば、
        これにm個の任意のn次元数ベクトルを付け加えた  
         v1, v2, …, vl, vl+1, …,vl+mも一次従属(一次独立でない)。  

【文献】

 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』定理3.1.3(p.110)
 ・ホフマン『線形代数学I』2.3基底と次元(p.41)

【証明】 [自力]
 
対偶「
v1, v2, …, vlが一次従属⇒v1, v2, …, vl, vl+1, …, vl+mは一次従属」を示す。 
v1, v2, …, vlが一次従属  
⇒全部は0ではないスカラーa1, a2, …, al が存在して、a1v1+a2v2+…+alvl=0を満たす。  
               ∵
一次従属の定義 
⇒全部は0ではないスカラーa1, a2, …, al が存在して、任意のn次元数ベクトルvl+1, …, vl+m にたいして、
       
a1v1+a2v2+…+alvl+0vl+1+0vl+2+…+0vl+m=0  を満たす。  
 すなわち、全部は0ではない
スカラーa1, a2, …, al と、al+1=al+2=…=al+m=0と、
       
任意のn次元数ベクトルvl+1, …, vl+m にたいして、
               
a1v1+a2v2+…+alvl+al+1vl+1+…+al+mvl+m=0  
 つまり、
v1, v2, …, vl, vl+1, …, vl+mは一次従属。 




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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)。
砂田利一『現代数学への入門:行列と行列式』2003年、§5.3-a(p.169).
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§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)。