n次元数ベクトルが基底となるための十分条件の証明  
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(舞台設定)
 
R実数体(実数をすべて集めた集合)  
 
Rnn次元数ベクトル空間  
 
+n次元数ベクトル空間Rn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:n次元数ベクトル空間Rnにおいて定義されているスカラー乗法
 
v1, v2, , vnn個の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, , vinRとして、vi=( vi1, vi2, , vin )   
        したがって、
v1, v2, , vn n
        なお、個数
nが有限個であることに注意。  
 
a1, a2, , an スカラーa1, a2, , an R  

(定理の確認)
n次元数ベクトル空間Rnにおいては、n個の一次独立n次元数ベクトルがそろえば、基底となる。
つまり、
v1, v2, , vnRn一次独立ならばv1, v2, , vnは、Rn基底である。

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(証明) [永田『理系のための線形代数の基礎』系1.2.3(p.13);]
・「v1, v2, , vnRnRn基底である」とは、v1, v2, , vnが次の2条件を満たすことであった。
  
基底であるための条件1v1, v2, , vn一次独立となること。
  
基底であるための条件2v1, v2, , vn一次結合として、Rn属す任意のn次元数ベクトルを表せること。
               
( v Rn ) ( a1, a2, , an R) ( v =a1v1+a2v2++anvn ) 
v1, v2, , vnRn一次独立ならば
    それだけで、
v1, v2, , vnは「基底であるための条件1」を満たしている。…(1)  
・「
v1, v2, , vnRn一次独立」ということを、一次独立の定義に遡って書き下すと、 
   「
a1a2=…=an=0でないa1v1+a2v2++anvn   …(2)  
v は、任意のRからつくったn次元数ベクトル」であるとする。
 すると、
v, v1, v2, , vn一次従属となる。
      ∵
n個より多くの実n次元数ベクトルは一次従属だから。
 「
v,v1, v2, , vn一次従属」ということを、一次従属の定義に遡って書き下すと、
  
aa1a2=…=an=0でないスカラーa,a1, a2, , an が存在して、
   (つまり、
a,a1, a2, , an 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, , an が存在して)
     
av+a1v1+a2v2++anvn=を満たす。 
  ここで、
a=0ではないことがわかる。…(3)
  なぜなら、
  |
a=0ならば
  | ・
a1a2=…=an=0でない
  |    ∵
aa1a2=…=an=0でないという条件は、
  |      つまり、
a,a1, a2, , an のなかに少なくとも一つ0ではないスカラーを含むということ。  
  |      
a=0ならば、0ではないスカラーa1, a2, , an のなかに存在しなければならない。 
  | ・
av+a1v1+a2v2++anvn=0v+a1v1+a2v2++anvn 
  |  =
a1v1+a2v2++anvn  ∵スカラーゼロ倍 
  | だから、
(2)より、
  | 
av+a1v1+a2v2++anvna1v1+a2v2++anvn 
  |となってしまう。  
  |つまり、
a=0ならばv,v1, v2, , vn一次従属であることの定義を満たさない。
  |したがって、
av+a1v1+a2v2++anvn=を満たす、aa1a2=…=an=0ではないスカラーa,a1, a2, , an は、
  |
a≠0という制約のもとにある。 
(3)で、a=0ではないことがわかったから、aには、逆数a−1が存在する。…(4) 
av+a1v1+a2v2++anvn= は、次のように変形してゆける。
 
av+a1v1+a2v2++anvn+{(a1v1+a2v2++anvn)}=(a1v1+a2v2++anvn+ 
              ∵両辺に(a1v1+a2v2++anvn)の逆ベクトルを加えた。 
 
av+=(a1v1+a2v2++anvn+ 
              
数ベクトルの加法の性質v+(v)=   
 av=(a1v1+a2v2++anvn  数ベクトルの加法の性質v+v   
 av=(−1)(a1v1+a2v2++anvn  逆ベクトルの定義   
 
av= (1)a1v1+(1)a2v2++(1)anvn  数ベクトルのスカラー乗法の性質:分配則  
 
a−1av=a−1 (1)a1v1+a−1(1)a2v2++a−1(1)anvn 
   
(4)よりaには、逆数a−1が存在するので、これを両辺にかけた。  
 
a−1av= (1)a−1a1v1+(1)a−1a2v2++(1)a−1anvn 
      ∵実数の乗法の可換則  
 
1v= (1)a−1a1v1+(1)a−1a2v2++(1)a−1anvn  ∵実数の逆数との積  
 
v= (1)a−1a1v1+(1)a−1a2v2++(1)a−1anvn  ∵数ベクトルのスカラー乗法の性質1v=v  
 
v= (a−1a1)v1+(a−1a2)v2++(a−1an)vn  ∵数ベクトルのスカラー乗法の性質:結合則  
ここで、
  
(a−1a1),(a−1a2),,(a−1an)Rだから、
  
v1, v2, , vnは「基底であるための条件2」を満たしている。…(5)     
(1)(5)より、「v1, v2, , vnRnRn基底である」といえる。

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