実n次元数ベクトル空間Rnにおける一次結合・線形結合 ― トピック一覧
・定義:一次結合・線形結合/〜から生成された部分ベクトル空間 
・定理:単位ベクトルの一次結合/一次結合の和/一次結合のスカラー倍/互いに一次結合として表せる関係の推移性/一次結合と部分ベクトル空間 

[関連ページ]
※実n次元数ベクトル空間関連:実n次元数ベクトル空間の定義/一次独立・一次従属/線形結合と線形独立・従属の関係/基底/次元/部分ベクトル空間
※一次結合関連:実2次元数ベクトル空間における一次結合
        一般のベクトル空間における一次結合の定義/一般の体上の数ベクトル空間における一次結合の定義
※Rnの部分ベクトル空間:定義/具体例/部分空間における線型独立と線型従属/〜に張られた部分ベクトル空間/和・直和/
             部分空間の基底/部分空間の次元

※線形代数目次・総目次




定義:実n次元数ベクトルの一次結合・線形結合 linear combination 
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
+:実n次元数ベクトル空間Rnに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:
          実n次元数ベクトル空間Rnに定められているスカラー乗法
v1,v2,…,vl:l個の実n次元数ベクトル。 
    具体的に書くと、
    v1= ( v11, v12, …, v1n )  ただし、v11 , v12 , …, v1n ∈R 
    v2= ( v21, v22, …, v2n )  ただし、v21 , v22 , …, v2n ∈R 
      :             :  
    vl= ( vl1, vl2, …, vln )  ただし、vl1 , vl2 , …, vln ∈R  
    したがって、v1 , v2 , …, vl ∈Rn 。
    なお、個数lが有限個であることに注意。


[文献]
・『岩波数学辞典』210線形空間:C線形結合(p.571);
・佐武『線形代数学』�T§1(p.4);
・ 永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.10);
・ 二階堂『経済のための線型代数』I§2(p.21) ;
・ 戸田山田『計量経済学の基礎:統計的手法の理論とプログラミング』2.4.2(p.76)

※具体化:実2次元数ベクトル空間への具体化(図解付) 
※一般化:
  ・一般のベクトル空間への一般化
  ・一般の体上の数ベクトル空間への一般化
本題1 l個の実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一次結合・線形結合とは、
それらの(Rnで定義された)スカラー倍 a1v1, a2v2, …, alvl (a1, a2, …, al ∈R)の(Rnで定義された)ベクトル和
    a1v1+a2v2+…+alvl
      
のこと。
なお、Rnに定義されているスカラー倍 ・ベクトル和にしたがって、v1,v2,…,vlの一次結合を具体的に計算してみると、
a1v1+a2v2+…+alvl
 =( a1v11, a1v12, …, a1v1n )+( a2v21, a2v22, …, a2v2n )+…+( alvl1, alvl2, …, alvln )
 =( a1v11+a2v21+…+alvl1, a1v12+a2v22+…+alvl2, …, a1v1n+ a2v2n+…+ alvln )
     ※上記の+はRnに定めたベクトルの加法ではなく、実数体Rに定められた加法。
 
本題2 実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一次結合・線形結合も、実n次元数ベクトルである。  
なぜなら、
  実n次元数ベクトルのスカラー倍は、実n次元数ベクトル(∵)。
  実n次元数ベクトルのベクトル和は、実n次元数ベクトル(∵)。
  だから、実n次元数ベクトルのスカラー倍のベクトル和として定義された一次結合は、
      実n次元数ベクトルとなる。 
関連 一般のベクトル空間における一次結合の定義、一般の体上の数ベクトル空間における一次結合の定義
実2次元数ベクトル空間への具体化(図解付)

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定理:単位ベクトルの一次結合
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合) 
Rn:実n次元数ベクトル空間。 
+:実n次元数ベクトル空間Rnに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:
   実n次元数ベクトル空間Rnに定められているスカラー乗法
v:実n次元数ベクトル。
    具体的に書くと、
     v1, v2, …,vn∈Rとして、v=( v1, v2, …,vn )
     したがって、v ∈Rn 。



※具体化:実2次元数ベクトル空間への具体化 

本題  任意の実n次元数ベクトル空間は、単位ベクトルe1,e2, …,enの一次結合として表せる   
 実際、  
  任意のv=( v1,v2,…,vn )∈Rnは、v = v1e1+v2e2+…+vnen  と表せる。
関連 単位ベクトルの定義、単位ベクトルは一次独立、単位ベクトルは基底をなす

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定義:一次結合の和
設定

R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
+:実数体Rにおいて定義されている加法
+:実n次元数ベクトル空間Rnに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:
   実n次元数ベクトル空間Rnに定められているスカラー乗法
v1,v2,…,vl:l個の実n次元数ベクトル。
    具体的に書くと、
    v1= ( v11, v12, …, v1n )  ただし、v11 , v12 , …, v1n ∈R 
    v2= ( v21, v22, …, v2n )  ただし、v21 , v22 , …, v2n ∈R 
      :             :  
    vl= ( vl1, vl2, …, vln )  ただし、vl1 , vl2 , …, vln ∈R  
    したがって、v1 , v2 , …, vl ∈Rn 。
    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 ∈R  
b1, b2, …, bl :スカラー。b1, b2, …, bl ∈R  


[文献]
・ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(p.32)




※具体化:実2次元数ベクトル空間への具体化 

本題 任意の実n次元数ベクトルv1,v2,…,vl∈Rnと、
任意のスカラーa1, a2, …, al,b1, b2, …, bl ∈Rにたいして、
(あるいは、任意の実n次元数ベクトルの一次結合」
          a1v1+a2v2+…+alvl, b1v1+b2v2+…+blvlにたいして)
  (a1v1+a2v2+…+alvl)+(b1v1+b2v2+…+blvl)=(a1+b1)v1+(a2+b2)v2+…+(al+bl)vl  
  つまり、
  
なぜ?  (a1v1+a2v2+…+alvl)+(b1v1+b2v2+…+blvl) 
  =(a1v1+b1v1)+(a2v2+b2v2)+…+(alvl+blvl) ∵ベクトル和の結合則・可換則 
  =(a1+b1)v1+(a2+b2)v2+…+(al+bl)vl    ∵スカラー積のスカラーに関する分配則 
意義

この定理は、以下の点を意味している。
・実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの任意の二つの一次結合のベクトル和も、同じ実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一次結合となる。     
  ∵実数体Rの定義より、実数体Rの加法"+"は二項演算だから、ai,bi∈Rならば、ai+bi∈R。
   したがって、上記右辺は「実n次元数ベクトルの一次結合」の定義を満たす。  


活用例

実n次元数ベクトルから生成された部分ベクトル空間


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定義:一次結合のスカラー倍
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
+:実n次元数ベクトル空間Rnに定義されているベクトルの加法
スカラーに続けてスカラーを並べて書いたもの:実数体Rにおいて定義されている乗法 
スカラーに続けてベクトルを並べて書いたもの:
                実n次元数ベクトル空間Rnに定められているスカラー乗法
v1,v2,…,vl:l個の実n次元数ベクトル。
        具体的に書くと、
        v1= ( v11, v12, …, v1n )  ただし、v11 , v12 , …, v1n ∈R 
        v2= ( v21, v22, …, v2n )  ただし、v21 , v22 , …, v2n ∈R 
              :             :  
        vl= ( vl1, vl2, …, vln )   ただし、vl1 , vl2 , …, vln ∈R  
        したがって、v1 , v2 , …, vl ∈Rn 。
        なお、個数lが有限個であることに注意。
c,a1,a2,…,al :スカラー。c,a1,a2,…,al∈R
[文献]
ホフマン『線形代数学I』2.1ベクトル空間(p.32)




※実2次元数ベクトル空間への具体化 

本題 任意の実n次元数ベクトル v1,v2,…,vl∈Rn と、
任意のスカラーa1, a2, …, al ,b1, b2, …, bl ∈Rにたいして、
(あるいは、任意の実n次元数ベクトルの一次結合」a1v1+a2v2+…+alvlにたいして)
     c (a1v1+a2v2+…+alvl)=(ca1)v1+(ca2)v2+…+(cal)vl  
     つまり、
      
なぜ?  c (a1v1+a2v2+…+alvl)
 =c {a1v1+(a2v2+…+alvl)}     ∵ベクトル和の結合則
 =(ca1)v1+c(a2v2+…+alvl)     ∵スカラー積のベクトルに関する分配則
 =(ca1)v1+c{a2v2+(a3v3+…+alvl)}  ∵ベクトル和の結合則
 =(ca1)v1+(ca2)v2+c(a3v3+…+alvl)  ∵スカラー積のベクトルに関する分配則
  :
  :
 =(ca1)v1+(ca2)v2+…+(cal)vl 
意義 この定理が意味しているのは、
実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの任意の一次結合の、任意のスカラー倍も、実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一次結合となるということ。
∵実数体Rの定義より、実数体Rの乗法は二項演算だから、c,ai∈Rならば、cai∈R。
したがって、上記右辺は「実n次元数ベクトルの一次結合」の定義を満たす。
活用例 実n次元数ベクトルから生成された部分ベクトル空間


→[トピック一覧:一次結合]
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定理:数ベクトルの集合間で互いに一次結合として表せる関係の推移性
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
v1,v2,…,vl:l個の実n次元数ベクトル。
    具体的に書くと、
    v1= ( v11, v12, …, v1n )  ただし、v11 , v12 , …, v1n ∈R 
    v2= ( v21, v22, …, v2n )  ただし、v21 , v22 , …, v2n ∈R 
      :             :  
    vl= ( vl1, vl2, …, vln )  ただし、vl1 , vl2 , …, vln ∈R  
    したがって、v1 , v2 , …, vl ∈Rn 。
    なお、個数lが有限個であることに注意。
u1, u2, … , um:m個の実n次元数ベクトル。
      具体的に書くと、
      u1= ( u11, u12, …, u1n )  ただし、u11 , u12 , …, u1n ∈R 
      u2= ( u21, u22, …, u2n )  ただし、u21 , u22 , …, u2n ∈R 
        :             :  
      um= ( um1, um2, …, umn )  ただし、um1 , um2 , …, umn∈R 
      したがって、u1, u2, …, um ∈Rn 。
      なお、個数mが有限個であることに注意。 
w1, w2, … , wp:p個の実n次元数ベクトル。
      具体的に書くと、
      w1= ( w11, w12, …, w1n )  ただし、w11 , w12 , …, w1n ∈R 
      w2= ( w21, w22, …, w2n )  ただし、w21 , w22 , …, w2n ∈R 
        :             :  
      wp= ( wp1, wp2, …, wpn )  ただし、wm1 , wm2 , …, wmn∈R 
      したがって、w1, w2, …, wp ∈Rn 。
      なお、個数pが有限個であることに注意。 
[文献]
・佐武『線形代数学』�V§1補題2(pp.87-8)の証明内;



※実2次元数ベクトル空間への具体化 

命題 条件1:v1 , v2 , …, vlがそれぞれ、u1, u2, … , umの一次結合として表わされる 
かつ   
条件2:u1, u2, … , umがそれぞれ、v1 , v2 , …, vl の一次結合として表わされる 
かつ 
条件3:u1, u2, … , umがそれぞれ、w1, w2, … , wpの一次結合として表わされる  
かつ 
条件4:w1, w2, … , wpがそれぞれ、u1, u2, … , umの一次結合として表わされる     
ならば、
帰結1:v1 , v2 , …, vlがそれぞれ、w1, w2, … , wpの一次結合として表わされる 
かつ  
帰結2:w1, w2, … , wpがそれぞれ、v1 , v2 , …, vlの一次結合として表わされる   
対偶 上記命題の対偶として、次の命題が得られる。
条件1:v1 , v2 , …, vlのなかに、w1, w2, … , wpの一次結合として表わされないものがある  
または  
条件2:w1, w2, … , wpのなかに、v1 , v2 , …, vlの一次結合として表わされないものがある   
ならば、
帰結1:v1 , v2 , …, vlのなかに、u1, u2, … , umの一次結合として表わされないものがある  
または  
帰結2:u1, u2, … , umのなかに、v1 , v2 , …, vl の一次結合として表わされないものがある 
または  
帰結3:u1, u2, … , umのなかに、w1, w2, … , wpの一次結合として表わされないものがある 
または    
帰結4:w1, w2, … , wpのなかに、u1, u2, … , umの一次結合として表わされないものがある  
関連

→[トピック一覧:一次結合]
→線形代数目次・総目次
定義:実n次元数ベクトルから生成された部分ベクトル空間、〜の線形包linear hull
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
Rn:実n次元数ベクトル空間 
+:実n次元数ベクトル空間Rnに定義されているベクトルの加法
スカラーに続けてスカラーを並べて書いたもの:実数体Rにおいて定義されている乗法 
スカラーに続けてベクトルを並べて書いたもの:
            実n次元数ベクトル空間Rnに定められているスカラー乗法
v1,v2,…,vl:l個の実n次元数ベクトル。
        具体的に書くと、
        v1= ( v11, v12, …, v1n )  ただし、v11 , v12 , …, v1n ∈R 
        v2= ( v21, v22, …, v2n )  ただし、v21 , v22 , …, v2n ∈R 
              :             :  
        vl= ( vl1, vl2, …, vln )   ただし、vl1 , vl2 , …, vln ∈R  
        したがって、v1 , v2 , …, vl ∈Rn 。
        なお、個数lが有限個であることに注意。
a1,a2,…,al :スカラー。c,a1,a2,…,al∈R  

[文献]
・佐武『線形代数学』�V§2(p.94;95-6);
・グリーン『計量経済分析I』定義2.7(p.26);
・佐和『回帰分析』2.1.1(p.16);
・木村『線形代数』3.1一次独立(p.51);



※実2次元数ベクトル空間への具体化 

定義 l個の実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlを選び、固定する。
この、固定した実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
その一次結合a1v1+a2v2+…+alvl(a1,a2,…,al ∈R)は、a1,a2,…,alの選び方に応じて、多様である。
実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一次結合をすべてあつめた集合       
  { a1v1+a2v2+…+alvl | a1,a2,…,al ∈R } 
を、v1,v2,…,vlから生成された部分ベクトル空間、v1,v2,…,vlの線形包とよび、 
記号〈 v1,v2,…,vl 〉等で表す。  
 ※〈 v1,v2,…,vl 〉の定義では、v1,v2,…,vlが一次独立であることは要求されていない。
   { v1,v2,…,vl }が一次独立ならば、v1,v2,…,vlは〈 v1,v2,…,vl 〉の基底の定義を満たす。  
性質1 v1,v2,…,vlから生成された部分ベクトル空間〈 v1,v2,…,vl 〉は、
Rnの部分ベクトル空間の定義を満たす。
なぜ? v1,v2,…,vlから生成された部分ベクトル空間〈 v1,v2,…,vl 〉は、
Rnの部分ベクトル空間となるための必要十分条件Q1-Q2-Q3を満たす。
Q1:〈 v1,v2,…,vl 〉は、「Rnの部分集合」であって、空集合ではない。
 ※なぜ? 
  ・〈 v1,v2,…,vl 〉は、実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一次結合の集合 ∵〈 v1,v2,…,vl 〉の定義 
  ・実n次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一次結合は、どれも、実n次元数ベクトル。(∵) 
  ・上記2点より、〈 v1,v2,…,vl 〉は、実n次元数ベクトルの集合  
                     つまり、空集合ではない「Rnの部分集合」 
   であるといえる。 
Q2:〈 v1,v2,…,vl 〉は、「Rnに定められているベクトルの加法」について閉じている。 
  つまり、〈 v1,v2,…,vl 〉に属す任意の実n次元数ベクトルu,u' に対して、u+u' ∈〈 v1,v2,…,vl 〉 
  ※なぜ? 次の3点による。
   ・〈 v1,v2,…,vl 〉に属す任意のu,u'とは、v1,v2,…,vl の任意の二つの一次結合のこと。
        ∵〈 v1,v2,…,vl 〉の定義 
   ・定理より、v1,v2,…,vl の任意の二つの一次結合のベクトル和も、v1,v2,…,vl の一次結合となる。
   ・「v1,v2,…,vl の一次結合」は、「〈 v1,v2,…,vl 〉の元」と言換えてよい。∵〈 v1,v2,…,vl 〉の定義
Q3:〈 v1,v2,…,vl 〉は、「Rnに定められているスカラー乗法」について閉じている。
   つまり、〈 v1,v2,…,vl 〉に属す限りで任意の実n次元数ベクトルuと、任意のスカラーk∈Rに対して、
            ku∈〈 v1,v2,…,vl 〉
 ※なぜ? 次の3点による。
   ・〈 v1,v2,…,vl 〉に属す任意のuとは、v1,v2,…,vlの任意の一次結合のこと。
        ∵〈 v1,v2,…,vl 〉の定義 
   ・定理より、v1,v2,…,vlの任意の一次結合の、任意のスカラー倍も、v1,v2,…,vlの一次結合となる。
   ・「v1,v2,…,vlの一次結合」は、「〈 v1,v2,…,vl 〉の元」と言換えてよい。∵〈 v1,v2,…,vl 〉の定義
性質2 v1,v2,…,vlから生成された部分ベクトル空間〈 v1,v2,…,vl 〉は、
{ v1,v2,…,vl }を含む最小の「Rnの部分ベクトル空間」となる。
性質3 「{ v1,v2,…,vl }を含む最小の「Rnの部分ベクトル空間」」は、
「{ v1,v2,…,vl }が張る部分空間」《v1,v2,…,vl》と一致するから(→理由)、
「v1,v2,…,vlから生成された部分ベクトル空間」〈v1,v2,…,vl〉は、
「{ v1,v2,…,vl }が張る部分空間」《v1,v2,…,vl》と一致する。 
性質4 { v1,v2,…,vl }が一次独立ならば、v1,v2,…,vlは〈 v1,v2,…,vl 〉の基底となる。
 →詳細

性質5 ・「v1,v2,…,vlから生成された部分ベクトル空間」〈v1,v2,…,vl〉における一次独立なベクトルの最大個数は、l個と等しいか、l個未満であって、決してl個をこえることはない。
・「v1,v2,…,vlから生成された部分ベクトル空間」〈v1,v2,…,vl〉における一次独立なベクトルの最大個数がl個となる場合は、{ v1,v2,…,vl }が一次独立であって、〈 v1,v2,…,vl 〉の基底となる場合。

佐武『線形代数学』�V§2(pp.95-6);
関連 Rnの無限集合から生成された部分ベクトル空間も定義できるが、この点については、以下参照。
→実ベクトル空間一般における生成された部分ベクトル空間  
→ベクトル空間一般における生成された部分空間 

→[トピック一覧:一次結合]
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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)。
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)。
草場公邦『線形代数(増補版)』(森毅、斉藤雅彦責任編集『すうがくぶっくす』2巻)朝倉書店、1999年。

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)。
布川昊,谷野哲三,中山弘隆『線形代数と凸解析』コロナ社、1991年、2.4基底と次元(pp.36-41)。
西村和雄『経済数学早わかり』日本評論社、1982年、2章線形代数§1ベクトル(pp.26-)。
二階堂副包『経済のための線型代数』培風館、1961年、I§2(pp.20-21)。

数理統計学のテキスト
William H. Greene(斯波・中妻・浅井訳) 『経済学体系シリーズ:グリーン計量経済分析I:改訂4版』エコノミスト社、2000年、第2章行列代数2.2行列の用語(pp.10-12);2.3行列の算法(pp.12-21)。
岩田暁一『経済分析のための統計的方法(第2版)』東洋経済新報社、1983年、12.1行列の演算(pp.269-277);12.4.2逆行列(pp.294-5)。
→[トピック一覧:一次結合]
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