実2次元数ベクトル空間R2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:一次独立/従属の判定の簡便法
      ―1個の実2次元数ベクトルについて
      ―3個以上の実2次元数ベクトルについて
      ―2個の実2次元数ベクトルについて
 ・定理:ベクトル1個の一次独立/単位ベクトルは一次独立/線型結合を用いた一次独立の言い換え/正則行列の各列・各行はベクトルとして一次独立
      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:線型結合を用いた一次従属の言い換え   
実2次元数ベクトル空間関連ページ:実2次元数ベクトル空間の定義/線形結合/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  
上位概念:一般のベクトル空間における一次独立・従属/体上の数ベクトル空間における一次独立・従属/n次元数ベクトル空間における一次独立・従属 
線形代数目次総目次

定義:実2次元数ベクトルの一次独立・線形独立/一次従属・線形従属 linearly independentdependent  
実2次元数ベクトルの一次独立・線型独立の定義/一次従属・線型従属の定義
1個の実2次元数ベクトルについての、一次独立/従属の判定  
2個の実2次元数ベクトルについての、一次独立/従属の判定 
3個以上の実2次元数ベクトルについての、一次独立/従属の判定 


一般化:n次元数ベクトルのケース 
設定 R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間 
+実2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2次元数ベクトル空間R2に定められているスカラー乗法
v1,v2,…,vll個の実2次元数ベクトル。 
    具体的に書くと、
         v1= ( x1, y1 )  ただし、x1, y1 R 
        v2= ( x2, y2 )  ただし、x2, y2 R 
          :             :  
        vl= (  xl, yl )  ただし、xl, yl R  
    したがって、v1 , v2 , …, vl R2
    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  
[文献―R2限定]
*神谷『経済学のための数学入門 』例3.1.1(pp.108-9):2個のベクトル
・砂田『行列と行列式』§5.1-e(p.21):2個のベクトル

・志賀『線形代数30講』8講(pp.49-50);
・川久保『線形代数学』定理6.4.2(p.128)
・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(pp.76-7)
・グリーン『計量経済分析I』2.4.3(pp.25-6);
・佐和『回帰分析』2.1.2(p.17);


以下は、R2限定かどうか確かめてない。
[文献3]
・柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』 §1.2(pp.5-6);
・草場『線形代数』定義2.2(pp.54-5);
・高橋『経済学とファイナンスのための数学』1.2V定義1.2.2(p.10);
Chiang,Fundamental Methods of Mathematical Economics 4.3 (pp.70-71) .
・ 矢野田代『社会科学者のための基礎数学』2章§6(p.43). ;


[長い解説]
背景
問1
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlを取り上げる。
このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
    a1v1+a2v2++alvl= 
を満たすl個の実数a1, a2, …, al は存在するだろうか?
存在するとしたら、それは、どのような実数l個の組合せになるのだろうか?

つまり、
 実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次結合零ベクトル(0,0)にするような
     係数の組み合わせa1, a2, …, al は存在するのだろうか?


回答
1-1
・どのようにl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlを選んだとしても、
 このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
    a1v1+a2v2++alvl=  
 を満たすl個の実数a1, a2, …, alは少なくとも一組は存在する。
 このことを論理記号であらわせば、 
 ( v1,v2,…,vl R2 )(a1, a2, …, alR)( a1v1+a2v2++alvl=
・なぜ、そうなるのかといえば、 
 どのようにl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlを選んだとしても、
 このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
 l個の実数a1a2=…=al=0が、  
     a1v1+a2v2++alvl=
 を満たすからである。 
  ∵実2次元数ベクトルのスカラー0倍は零ベクトル
   零ベクトルとのベクトル和の性質 


・以上を、
 2個の実2次元数ベクトル ( x1, y1 ),( x2, y2 ) と、
 その一次結合a1( x1, y1 )+ a2( x2, y2 )について、
 確かめてみよう。 
・どのように、2個の実2次元数ベクトル( x1, y1 ),( x2, y2 ) を選んだとしても、  
 係数a1, a2,を両方ともゼロにしてしまえば、
 一次結合a1( x1, y1 )+a2( x2, y2 )零ベクトル(0,0)になることは、
 以下の図をいじれば、明白。

[図]
 線型結合 ( , ) ( , )を、
 以下のx-y平面上に表示。
                      
実2次元数ベクトルの線型結合



回答
1-2

・つまり、
 どのようにl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlを選んだとしても、
 このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
    a1v1+a2v2++alvl= 
 を満たすl個の実数a1, a2, …, alとして、
 a1a2=…=al=0が、いつでも存在する。
これは、見方をかえれば、
 どのようにl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlを選んだとしても、
 このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
      a1v1+a2v2++alvl=かつa1a2=…=al=0
   を満すl個の実数a1, a2, …, al   
 が、いつでも存在するということ。   
 このことを論理記号であらわすと、
 (v1,v2,…,vlR2
      (a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ(a1a2=…=al=0))

背景
問2
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlを取り上げる。
・このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
   一次結合a1v1+a2v2++alvlを、零ベクトル(0,0)にするl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
   すなわち、 a1v1+a2v2++alvl=を満たすl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
 としては、
 まず、a1a2=…=al=0をあげることができる。
 (∵前段)。
・では、
 このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
  一次結合a1v1+a2v2++alvlを、零ベクトル(0,0)にするl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
  すなわち、a1v1+a2v2++alvl=を満たすl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
 は、
 (i) a1a2=…=al=0だけであって、
   a1a2=…=al=0以外の組合せは存在しないのだろうか? 
 それとも、 
 (ii) a1a2=…=al=0に加えて、a1a2=…=al=0以外の組合せも存在するのだろうか?

・つまり、
 このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
 「a1v1+a2v2++alvl=を満たし、
   かつa1a2=…=al=0を満たさない 
  l個の実数a1, a2, …, al
 は   
 (i)  存在しないのか、 
 (ii)  存在するのか。

・この問いを論理記号であらわせば、 
 与えられたl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、  
 (i) ¬((a1, a2, …, alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0))) 
 であるのか、それとも、
 (ii) (a1, a2, …, alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0))
 であるのか。 
回答
2
・問2については、一概には、どちらともいえない。
 l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlの選び方によって、
  「a1v1+a2v2++alvl=を満たし、
    かつa1a2=…=al=0を満たさない 
   l個の実数a1, a2, …, al
 が   
  (i)  存在しない
 こともあれば、 
  (ii)  存在する
 こともある。  
・(i) (ii) の2つのケースに重複はないので、
 l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlは、(i) か(ii) のいずれかである。 
・ということは、
 (i) (ii) は、あらゆるl個の実2次元数ベクトルを、2つのケースに二分する分類軸として機能する。
 (i)を一次独立ないし線形独立と呼び、 (ii) 一次従属ないし線形従属をとよぶ。

[定義]

線形独立

定義
(1)
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次独立線形独立であるとは、
・「このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
   一次結合a1v1+a2v2++alvlを、零ベクトル(0,0)にするl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
   すなわち、a1v1+a2v2++alvl=を満たすl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
  は、
  a1a2=…=al=0だけであって、a1a2=…=al=0以外の組合せは存在しない」ということ
・つまり、
 「この実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
    a1v1+a2v2++alvl=を満たし、かつa1a2=…=al=0を満たさない 
  l個の実数a1, a2, …, al は存在しない」ということ
論理記号であらわせば、与えられたv1,v2,…,vl R2にたいして、 
   ¬((a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0)))
をいう。 
(2) この定義は、次のように述べてもよい。
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次独立・線形独立であるとは、
・「この実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、どのようにl個の実数a1, a2, …, al をとっても、
   a1v1+a2v2++alvlとなるか、あるいはa1a2=…=al=0となるか、しかない」
  ということ。
論理記号であらわせば、与えられたv1,v2,…,vl R2にたいして、 
   (a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl)または(a1a2=…=al=0))
 ということ。  
(3) この定義は、次のようにも述べてもよい。
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次独立・線形独立であるとは、
・「この実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、どのようにl個の実数a1, a2, …, al をとっても、
   a1v1+a2v2++alvl=ならばa1a2=…=al=0」
  ということ。
論理記号であらわせば、与えられたv1,v2,…,vl R2にたいして、 
   (a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=) (a1a2=…=al=0))
 ということ。  
(4) この3つの線形独立の定義が同じモノであることは、次のようにして確かめられる。
   ¬((a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0)))
    (a1,a2,…,alR¬((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0))
    ∵存在命題の否定は否定命題の全称命題に言いかえられる 
    (a1,a2,…,alR)(¬(a1v1+a2v2++alvl=)または¬¬(a1a2=…=al=0))
    ∵連言の否定は、否定命題の選言に言いかえられる    
    (a1,a2,…,alR)(¬(a1v1+a2v2++alvl=)または(a1a2=…=al=0))
    ∵命題の2重否定はもとの命題  
    (a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)(a1a2=…=al=0))
    ∵ならば⇒の定義 :「AB」とは、「(¬A)またはB」のこと 

[次のステップへ]
 線型独立linearly independentの定義は、分かった。
 では、どういう風に、実2次元数ベクトルをあつめると、
 それらは、線型独立になるのだろうか?
 端的なメルクマールはないのだろうか?
 →答えは、判定の簡便法を参照。
線形従属

定義
(1)
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次従属・線形従属であるとは、
このl個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
   一次結合a1v1+a2v2++alvlを、零ベクトル(0,0)にするl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
   すなわち、a1v1+a2v2++alvl=を満たすl個の実数a1, a2, …, alの組合せ
  には、
  a1a2=…=al=0に加えて、a1a2=…=al=0以外の組合せもある
  ということ
・つまり、
 「a1v1+a2v2++alvl= を満たし、かつa1a2=…=al=0を満たさない 
   l個の実数a1, a2, …, al が存在する」ということ
論理記号であらわせば、 
 (a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0))
 ということ
をいう。 
(2) この定義は、次のように述べてもよい。
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次従属・線形従属であるとは、
・「この実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
   『a1v1+a2v2++alvl または a1a2=…=al=0』
  を満たさないl個の実数a1, a2, …, al が存在する」
 ということ
論理記号であらわせば、与えられたv1,v2,…,vl Rnにたいして、 
 (a1,a2,…,alR¬¬(a1v1+a2v2++alvl=)または(a1v1+a2v2++alvl=))
 ということ
をいう。  
(3) この定義は、次のようにも述べてもよい。
l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次従属・線形従属であるとは、
・「この実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlにたいして、
   『a1v1+a2v2++alvl=ならばa1v1+a2v2++alvl=
  を満たさないl個の実数a1, a2, …, al が存在する」
 ということ
論理記号であらわせば、与えられたv1,v2,…,vl Rnにたいして、 
  (a1,a2,…,alR¬((a1v1+a2v2++alvl=) (a1a2=…=al=0))
 ということ   
をいう。  
(4) この3つの線形従属の定義が同じモノであることは、次のようにして確かめられる。
  (a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0))
 a1,a2,…,alR¬¬(a1v1+a2v2++alvl=)または(a1a2=…=al=0))
    ∵命題の2重否定はもとの命題選言の否定と否定命題の連言は言い換え可能 
 a1,a2,…,alR¬((a1v1+a2v2++alvl=) (a1a2=…=al=0))
    ∵ならば⇒の定義 :「AB」とは、「(¬A)またはB」のこと
[次のステップへ]
 線型従属linearly dependentの定義は、分かった。
 では、どういう風に、実2次元数ベクトルをあつめると、
 それらは、線型従属になるのだろうか?
 端的なメルクマールはないのだろうか?
 →答えは、判定の簡便法を参照。
線形従属
/独立

関係
・「l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlが一次従属・線形従属である」は、
 「l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlが一次独立・線形独立である」ことの否定命題
・「l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlが一次独立・線形独立である」は、
 「l個の実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlが一次従属・線形従属である」ことの否定命題
・なぜなら、
 「v1,v2,…,vlが一次独立・線形独立」は、
   ¬((a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0)))
 として、
 「v1,v2,…,vlが一次従属・線形従属」は、   
   ((a1,a2,…,alR)((a1v1+a2v2++alvl=)かつ¬(a1a2=…=al=0))) 
 として、
 定義されているのだから、明らか。
上位概念:一般のベクトル空間における一次独立体上の数ベクトル空間における一次独立
     一般のベクトル空間における一次従属体上の数ベクトル空間における一次従属 
     n次元数ベクトル空間における一次独立・従属 


→[トピック一覧:線形従属・線形独立]
線形代数目次総目次

一次独立/従属の判定の簡便法
実2次元数ベクトル一次独立/従属の判定は、
 ・1つの実2次元数ベクトルに関する一次独立/従属の判定
 ・2つの実2次元数ベクトルに関する一次独立/従属の判定
 ・3つ以上の実2次元数ベクトルに関する一次独立/従属の判定
に分けると、簡便である。 


[1つの実2次元数ベクトルに関する一次独立/従属の判定]

設定 R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間 
v:1個の実2次元数ベクトル
      具体的に書くと、
      v= ( x, y )  ただし、x, y R 
      したがって、v R2
a1スカラーa1R 
一般化:一つの実n次元数ベクトルの一次独立性の判定 

[文献]
・佐武『線形代数学』V§1(p.86);
本題
次の二つの命題は同値
 命題P実2次元数ベクトルv一次独立
 命題Q実2次元数ベクトルv零ベクトル以外。   
次の二つの命題も同値
 命題P否定命題実2次元数ベクトルv一次従属
 命題Q否定命題実2次元数ベクトルv零ベクトル

なぜ?
step1:(¬命題Q)¬命題P)を示す。
 ・v=ならば
   任意aRにたいして、a。 
 ・だから、
  v=ならば、(a1R)((a1v=)かつ(a1≠0))。
 ・つまり、
  v=ならばvは、一次従属の定義「(a1R)((a1v=)かつ(a1≠0))」を満たす。 
step2:「(¬命題Q)¬命題P)」がstep1で示されたので、その対偶「命題P命題Q」も成り立つ()。
step3:命題Q命題Pを示す
 ・v= ( x, y )ならば、「x≠0またはy≠0 」 …(3-1) 
 ・(3-1)より、
  「v= ( x, y )かつa1≠0」ならば「『x≠0またはy≠0 』かつ a1≠0」…(3-2)     
 ・(3-2)と分配則より、
  「v= ( x, y )かつa1≠0」ならば「『x≠0かつa1≠0』またはy≠0かつa1≠0 』」…(3-3) 
  ・実数の性質より、「( x,yR ) ( x0かつy0 xy0 )」だから、
    (x≠0かつa1≠0) a1x≠0、(y≠0かつa1≠0) a1y≠0   
  したがって、(3-3)より、
  「v= ( x, y )かつa1≠0」ならばa1x≠0またはa1y≠0」
  つまり、
  「vかつa1≠0」ならばa1v」…(3-4) 
 ・(3-4)は、
   「v ならばa1≠0ならばa1v』」…(3-5)
   と言い換えてよい()。
 ・(3-5)は、
   「v ならばa1=0またはa1v』」…(3-6)
   と言い換えてよい(∵「AならばB」の定義:(¬A)B)。
 ・(3-6)より、
    v ならば
       「v一次独立」の定義「¬((a1R)((a1v=)かつ(a1≠0)))」が満たされる。
step4:「命題Q命題P」がstep3で示されたので、その対偶「(¬命題P(¬命題Q)」も成り立つ()。
 




[2つの実2次元数ベクトルに関する一次独立/従属の判定]

設定 R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間 
v1,v2:2個の実2次元数ベクトル
    具体的に書くと、
    v1= ( x1, y1 )  ただし、x1, y1 R 
    v2= ( x2, y2 )  ただし、x2, y2 R 
    したがって、v1 , v2 R2
a1, a2スカラーa1, a2 R 
[文献]
・砂田『行列と行列式』§5.1-e(p.21):2個のベクトル;
・志賀『線形代数30講』8講(p.49):2個の実2次元数ベクトル;
・ 神谷『経済学のための数学入門p.108!;
・西村『経済数学早わかりp.39;
・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pp.76-7
・高橋『経済学とファイナンスのための数学』1.2V定義1.2.2(p.10);

本題 次の三つの命題は同値
命題P実2次元数ベクトルv1,v2一次独立
命題Q実2次元数ベクトルv1を、実2次元数ベクトルv2のスカラー倍として、表せない。
    かつ実2次元数ベクトルv2を、実2次元数ベクトルv1のスカラー倍として、表せない。
命題R:原点,v1,v2が、一直線上に並ばない(三点のうち、二点ないし三点が、同一点上に重なるということもない。)。

次の三つの命題も同値
 命題P否定命題実2次元数ベクトルv1,v2一次従属
 命題Q否定命題実2次元数ベクトルv1を、実2次元数ベクトルv2のスカラー倍として、表せる。
          または実2次元数ベクトルv2を、実2次元数ベクトルv1のスカラー倍として、表せる。
 命題R否定命題:原点,v1,v2が、一直線上に並ぶ。(三点のうち、二点ないし三点が、同一点上に重なってもよい。) 

     
図解
[図解:二つの実2次元数ベクトルの一次独立/従属]
 v1 ,
 v2 , について、

実2次元数ベクトルの一次独立の判定

左図をいじると、
原点,v1,v2が、一直線上に並ぶかどうかで、
v1,v2の一次独立/従属が決定されることがわかる。

証明

v1,v2の一次結合を零ベクトルにする係数は、は存在するか。]
step
1:「(¬命題P(¬命題Q)」の証明
  ¬命題Pv1,v2一次従属」とは、「(a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))」のこと。
 したがって、¬命題Pv1,v2一次従属ならば
          (a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0)を満たすa1,a2Rのうち、   
            a1が0でない場合、v1=−(a2/a1)v2 と表せ、
            a2が0でない場合、v2=−(a1/a2)v1 と表せる。
 つまり、¬命題Pv1,v2一次従属ならば、(¬命題Q)が成立する。
step2:「(¬命題P(¬命題Q)」が示されたので、その対偶「命題Q命題P」も成り立つ()。          
step3:「(¬命題Q(¬命題P)」の証明
    ¬命題Qとは、「(a2R)(v1a2v2またはa1R)(v2a1v1)」。
   ・(a2R)(v1=a2v2a2R)(1v1−a2v2=)だから、
       (a2R)(v1a2v2)  (a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))
     つまり、(a2R)(v1a2v2ならばv1,v2について一次従属の定義が満たされる。
           (たとえ、a2=0であっても、成り立つことに注意。)
   ・(a1R)(v2a1v1a1R)(a1v1v2=)だから、
       (a1R)(v2a1v1)  (a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))
     つまり、(a1R)(v2a1v1ならばv1,v2について一次従属の定義が満たされる。
           (たとえ、a1=0であっても、成り立つことに注意。)
   したがって、(¬命題Q)が成り立つならば¬命題Pv1,v2一次従属」が成り立つ。    
step4:「(¬命題Q(¬命題P)」が示されたので、その対偶「命題P命題Q」も成り立つ()。 
step5:「(¬命題Q(¬命題R)」の証明
     ¬命題Qとは、「(a2R)(v1a2v2またはa1R)(v2a1v1)」。
    ・(a2R)(v1a2v2)が成り立つケースについて考える。
     (a2R)(v1a2v2)が成り立つケースは、以下の4ケースで、言い尽くされる。
       [ケース1] v2 である場合
             このとき、a2の値にかかわりなくv1
             だから、この場合、v1v2。つまり、 v1v2、原点は、同一点。 
       [ケース2] v2 かつ a2=0である場合
             このとき、v1。 
             だから、この場合、v1かつv2。つまり、v1、原点は同一で、v2は、別の一点。 
       [ケース3] v2 かつ a2≠0かつa2≠1である場合
             この場合、v1 かつ v2 であって、v1a2v2(a2≠0,1)が満たされている。
             つまり、v1,v2,原点は別の3点であって、原点を通る同一直線上に並ぶ。      
       [ケース4] v2 かつ a2≠1である場合
             この場合、v1 かつ v2 であって、v1v2が満たされている。
             つまり、v1,v2、原点とは異なる同一点。
       ※(a2R)(v1a2v2)が成り立つとき、「v2かつv1」のケースはありえないことに注意。          
      以上の検討から、
      (a2R)(v1a2v2)が成り立つ ならば、    
        ¬命題R「原点,v1,v2が、一直線上に並ぶ。(三点のうち、二点ないし三点が、同一点上に重なってもよい)」が成立する
      といえる。 
    ・(a1R)(v2a1v1)が成り立つケースについて考える。
     (a1R)(v2a1v1)が成り立つケースは、以下の4ケースで、言い尽くされる。
       [ケース1] v1 である場合
             このとき、a1の値にかかわりなくv2
             だから、この場合、v1v2。つまり、 v1v2、原点は、同一点。 
       [ケース2] v1 かつ a1=0である場合
             このとき、v2。 
             だから、この場合、v1かつv2。つまり、v2,原点は同一で、v1は別の一点。 
       [ケース3] v1 かつ a1≠0かつa1≠1 である場合
             この場合、v1 かつ v2 であって、v2a1v1(a1≠0,1)が満たされている。
             つまり、v1,v2は、原点とは異なる点であって、
                 原点を通る同一直線上に並ぶ別々の点。 
       [ケース4] v1 かつ a1=1 である場合
             この場合、v1 かつ v2 であって、v2v1
             つまり、v1,v2は、原点とは異なる同一点。
       ※(a1R)(v2a1v1)が成り立つとき、「v1かつv2」のケースはありえないことに注意。            
      以上の検討から、
      (a2R)(v1a2v2)が成り立つ ならば、    
        ¬命題R「原点,v1,v2が、一直線上に並ぶ。(三点のうち、二点ないし三点が、同一点上に重なってもよい)」が成立する
      といえる。 
    ・以上から、
     (a2R)(v1a2v2)であれ、(a1R)(v2a1v1)であれ、
      ¬命題Qが成り立つ ならば、    
        ¬命題R「原点,v1,v2が、一直線上に並ぶ。(三点のうち、二点ないし三点が、同一点上に重なってもよい)」が成立する
      といえる。
step6:「(¬命題Q(¬命題R)」が示されたので、その対偶「命題R命題Q」も成り立つ()。
step7:「(¬命題R(¬命題Q)(¬命題P)」の証明
   ・¬命題R「原点,v1,v2が、一直線上に並ぶ(三点のうち、二点ないし三点が、同一点上に重なってもよい)」は、
    以下の5ケースで、言い尽くされる。
    [ケース1:原点,v1,v2が同一点である場合]  
      これは、v1v2 である場合だから、v1=0v2, v2=0v1 と表せ、(¬命題Q)が成り立つ。
      また、v1v2 である場合、
       (¬命題P)」「(a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))」の成立は、容易に確認できよう。          
    [ケース2:原点,v1が同一点であって、v2のみが原点とは異なる一点である場合] 
      これは、v1かつv2 である場合だから、
      v2v1のスカラー倍として表しようがないが、
      v1=0v2というかたちで、v1v2のスカラー倍として表せる。
      また、v1かつv2 である場合、
       (¬命題P)」「(a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))」の成立も、
     0以外の適当な実数をa1、0をa2とすることで、 容易に確認できよう。  
    [ケース3:原点,v2が同一点であって、v1のみが原点とは異なる一点である場合]
      これは、v2かつv1 である場合だから、
      v1v2のスカラー倍として表しようがないが、   
      v2=0v1というかたちで、v2v1のスカラー倍として表せる。
      また、v2かつv1 である場合、
       (¬命題P)」「(a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))」の成立も、
     0をa1、0以外の適当な実数をa2とすることで、容易に確認できよう。  
    [ケース4:v1,v2が、原点とは異なる同一点である場合]  
      これは、v1v2 である場合だから、
      v1=1v2というかたちで、v1v2のスカラー倍として表せ、
      v2=1v1というかたちで、v2v1のスカラー倍として表せる。
      また、v1v2 である場合は、
       (¬命題P)」「(a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))」の成立を、
      1をa1、-1をa2とすることで、容易に確認できよう。
    [ケース5:原点,v1,v2が、一直線上に並ぶ異なる三点である場合]  
      これはv1かつv2かつv1v2であって、ある実数c≠0,1が存在して、v1=cv2が満たされる場合だから、
      v1cv2というかたちで、v1v2のスカラー倍として表せ、
      v2=(1/c)v1というかたちで、v2v1のスカラー倍として表せる。
      また、この場合は、a1v1+a2v2a1v1+(a2/c)v1に注意して、
       (¬命題P)「(a1,a2R)((a1v1+a2v2=)かつ¬(a1a2=0))」の成立を、
      1をa1、−ca2とすることで確認できよう。
step7:「(¬命題R(¬命題Q)(¬命題P)」が示されたので、その対偶「命題R命題P,Q」も成り立つ()。


[3つ以上の実2次元数ベクトルに関する一次独立/従属の判定]

設定
R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間 
v1,v2,…,vll個(l≧3)の実2次元数ベクトル
    具体的に書くと、
    v1= ( xv1, yv1 )  ただし、xv1, yv1 R 
    v2= ( xv2, yv2 )  ただし、xv2, yv2 R 
    :             :  
    vl= (  xvl, yvl )  ただし、xvl, yvl R   
    したがって、v1 , v2 , …, vl R2
    なお、個数lが3以上の有限個数であることに注意。
a1, a2, …, alスカラーa1, a2, …, al R 

本題 三つ以上の実2次元数ベクトルv1,v2, …, vl (個数lが3以上の有限個数)は、
無条件に、一次従属である。








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定理:単位ベクトルは一次独立
設定

R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間


一般化:n次元数ベクトルのケース 

[文献]
佐武『線形代数学』V§1(p.86);
永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.11)
本題

実2次元数ベクトル空間R2基本ベクトルは、一次独立


基本ベクトルは基底をなす

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定理:一次結合を用いた一次独立の言い換え
設定 R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間 
v1,v2,…,vll個の実2次元数ベクトル
    具体的に書くと、
    具体的に書くと、
    v1= ( xv1, yv1 )  ただし、xv1, yv1 R 
    v2= ( xv2, yv2 )  ただし、xv2, yv2 R 
    :             :  
    vl= (  xvl, yvl )  ただし、xvl, yvl R   
    したがって、v1 , v2 , …, vl R2
    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 
一般化:n次元数ベクトルのケース 

[文献]
志賀『線形代数30講』14講(p.90)
高橋『経済学とファイナンスのための数学』1.2V定義1.2.2(p.10);

本題 次の二つの命題は同値
命題P実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次独立
命題Q実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlのどの一つも、
     残りの(l−1)個の実2次元数ベクトル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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定理:一次結合を用いた一次従属の言い換え
設定 R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間
+実2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2次元数ベクトル空間R2に定められているスカラー乗法

v1,v2,…,vll個の実2次元数ベクトル。 
    具体的に書くと、
    具体的に書くと、
    v1= ( xv1, yv1 )  ただし、xv1, yv1 R 
    v2= ( xv2, yv2 )  ただし、xv2, yv2 R 
    :             :  
    vl= (  xvl, yvl )  ただし、xvl, yvl R   
    したがって、v1 , v2 , …, vl R2
    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   



一般化:n次元数ベクトルのケース 

[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);
柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』 §1.2(pp.5-6);
草場『線形代数』2.9定義2.2(pp.54-5);
藤原『線形代数』4.2(p.94);
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;
高橋『経済学とファイナンスのための数学』定義1.2.2(p.10);
グリーン『計量経済分析I』定義2.4(p.25)

本題 次の二つの命題は同値
命題P実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次従属
命題Q実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一つが、
    残りの(l−1)個の実2次元数ベクトル一次結合
    として表される。
上記の命題Qは、
 「実2次元数ベクトルv1,v2,…,vlの一つは、
  残りの(l−1)個の実2次元数ベクトルに一次従属である」
と言い表されることもある。
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:一次独立な実2次元数ベクトルはすべて非零ベクトル
設定 R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間 
+実2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2次元数ベクトル空間R2に定められているスカラー乗法

v1,v2,…,vll個の実2次元数ベクトル
    具体的に書くと、
    具体的に書くと、
    v1= ( xv1, yv1 )  ただし、xv1, yv1 R 
    v2= ( xv2, yv2 )  ただし、xv2, yv2 R 
    :             :  
    vl= (  xvl, yvl )  ただし、xvl, yvl R
    したがって、v1 , v2 , …, vl R2
    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  

一般化:n次元数ベクトルのケース 


[文献]
佐武『線形代数学』V§1(p.86);
志賀『線形代数30講』14講(p.90):証明付;
永田『理系のための線形代数の基礎』1.2問1(p.11)
佐和『回帰分析』2.1.2(p.17);
本題 次の命題と、その対偶が成り立つ。 
命題: 実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次独立ならば、 
      v1かつv2かつかつvl 
上記命題の対偶:「v1,v2,…,vlに一つでも零ベクトルが含まれるならばv1,v2,…,vl一次従属。 




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定理:一次独立な実2次元数ベクトルの部分集合、一次従属な実2次元ベクトルを含む集合
設定 R実数体(実数をすべて集めた集合)  
R2実2次元数ベクトル空間 
v1,v2,…,vll個の実2次元数ベクトル
    具体的に書くと、
    v1= ( xv1, yv1 )  ただし、xv1, yv1 R 
    v2= ( xv2, yv2 )  ただし、xv2, yv2 R 
    :             :  
    vl= (  xvl, yvl )  ただし、xvl, yvl R   
    したがって、v1 , v2 , …, vl R2
    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 
一般化:n次元数ベクトルのケース 


[文献]
佐武『線形代数学』V§1(p.86);
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);
本題 次の命題とその対偶が成り立つ。
命題: 実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl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)個の実2次元数ベクトル一次独立
上記命題の対偶実2次元数ベクトルv1,v2,…,vl一次従属(一次独立ない)ならば
        これにm個の任意の実2次元数ベクトルを付け加えた  
        v1,v2,…,vl, vl+1, …, vlm一次従属(一次独立ない)。 
証明 対偶「v1,v2,…,vl一次従属v1,v2,…,vl, vl+1, …, vlm一次従属」を示す。 
v1,v2,…,vl一次従属  
全部は0ではないスカラーa1, a2, …, al が存在して、a1v1a2v2alvl= 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、任意の実2次元数ベクトルvl+1, …, vlm にたいして、
       a1v1a2v2alvlvl+1vl+2vlm=  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+1al+2=…=alm=0と、
       任意の実2次元数ベクトルvl+1, …, vlmにたいして、
               a1v1a2v2alvlal+1vl+1almvlm=  
 つまり、v1,v2,…,vl, vl+1, …, vlm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)
矢野・田代『社会科学者のための基礎数学 改訂版』裳華房、1993年、2章§6(p.43).
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)。
草場公邦『線形代数(増補版)』(森毅、斉藤正彦責任編集『すうがくぶっくす』2巻)朝倉書店、1999年、2.9定義2.2(pp.54-5)。
柳井晴夫・竹内啓『UP応用数学選書10:射影行列・一般逆行列・特異値分解』 東京大学出版会、1983年、§1.2(pp.5-6)。
木村英紀『線形代数:数理科学の基礎』東京大学出版会、2003年、3.1一次独立(pp.50-51)。
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
Chiang, Fundamental Methods of Mathematical Economics: Third Edition, McGraw Hill,1984,4.3pp.70-71.
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-)。
高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、1.2V定義1.2.2(p.10)。
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)。
佐和隆光『回帰分析』 朝倉書店、1979年、2.1.2(p.17)。
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)。
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