実2次元数ベクトル空間の定義 ― トピック一覧 
・定義:実2次元数ベクトル・第i成分・スカラー / R2/基本ベクトル/零ベクトル
    実2次元数ベクトル空間・ベクトル和・スカラー倍/逆ベクトル 
・定理:数ベクトル空間のベクトル和の性質/数ベクトル空間のスカラー乗法の性質/数ベクトル空間はベクトル空間の一例
    零ベクトルのスカラー倍/ベクトルのスカラー0倍            

※実2次元数ベクトル空間関連ページ:線形結合/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 
※上位概念:一般のベクトル空間/実ベクトル空間/ 一般の体上の数ベクトル空間/実n次元数ベクトル空間Rn   
※線形代数目次・総目次

定義:実2次元数ベクトル・2次元実ベクトル・2項実ベクトル、第i成分i-th component 、スカラー
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合)  
[文献―R2限定]
・川久保『線形代数学』1.1(pp.1-2);
・志賀『線形代数30講』4講(pp.22-23);5講(pp.29-30);
・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2)
・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』2.4.1(p.72)
・佐和『回帰分析』2.1.2(p.16);
・グリーン『計量経済分析』2.4.1(p.22);
・二階堂『経済のための線型代数』I§1-注意2(p.20)。;

[文献]
・藤原『線形代数』1.1(p.4);
・草場『線形代数』2.3(p.39);



※実2次元数ベクトルの一般化1:実n次元数ベクトル/n次元数ベクトル 
※実n次元数ベクトルの一般化2:実行列/体上の行列 


定義1 ・実2次元数ベクトルとは、
 実数を2個並べたもの 
 すなわち、
 実数体Rから2個の実数x,yをとって順序をつけた順序対 
  v= (x,y)  ただし、x∈Rかつy∈R  
 のこと。 
・つまり、実2次元数ベクトルとは、
  実n次元数ベクトルで、次数nを2としたもの
 である。

定義2 上記のxをベクトルvの第1成分、
上記のyをベクトルvの第2成分
と呼ぶ。
図示
実2次元数ベクトル ( , )は、
x-y座標平面上に、以下のように図示できる。
実2次元数ベクトルの図示


定義4 実2次元横ベクトル・2項実行ベクトルとは、
( x,y )のように実数を横に並べた2次元実ベクトルのこと。
実2次元縦ベクトル・2項実列ベクトルとは、

( x' )
y'
といった具合に、実数を縦に並べた実2次元ベクトルのこと。
横ベクトルと縦ベクトルの違いは、行列との演算において意味をもつ。

※縦ベクトルを、実際に縦に並べて表記する代わりに、行列の転置記号を用いて、
 横ベクトルの転置  
    t (x,y) 
 と表すことが多く見られる。
 書籍等では、
   縦ベクトルを実際に縦に並べて表すと、
   スペースを費やし、ページが増えて、印刷コストがかさむ
 といった理由から、
 webでは、テキストだけで、縦ベクトルを縦に並べて表すのは難しい、
 といった理由から、
 縦ベクトルを実際に縦に並べることを避ける傾向にある。
定義5 実数体Rからつくった上記の実ベクトルに対して、
  「実数体Rの元」そのもの、すなわち実数をスカラーと呼ぶ。
※ 実2次元数ベクトルの上位概念:実n次元数ベクトル 

※ ここで「実2次元数ベクトル」というときの「2次元」のは、単に、「2個並べた」という意味。
 基底を構成するベクトルの個数として定義される「ベクトル空間の次元」とは、とりあえず無関係。
※ 用語が統一されていない。
・「実2次元数ベクトル」の名称を用いるテキスト→永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.8);
・「2項実ベクトル」の名称を用いるテキスト→斎藤『線形代数入門』2章§1(p.31); 
・「2次元実ベクトル」の名称を用いるテキスト→藤原『線形代数』1.1(p.4); 
・以上の名称の使用を回避し、実数を成分とした数ベクトルなどとしているテキスト
 →佐武『線形代数学』;志賀『線形代数30講』5講(p.28);13講(p.83);14講(p.88);   
・このように様々な名称が案出されるのは、
   単に、「実ベクトル」というと、実ベクトル空間一般のベクトルを指す可能性があるため?
→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
→線形代数目次・総目次
定義:ベクトルの相等

実2次元数ベクトルu,vについてu=v(実2次元数ベクトルu, v が等しい)
とは、
実2次元数ベクトルu,vの各成分の値が等しいことをいう。 
すなわち、
u =(xu, yu) , v =(xv, yv)について、u=vとは、
xu=yuかつxv=yv であることをいう。
[文献―R2限定]
・川久保『線形代数学』1.1(p.2)

[文献]
・二階堂『経済のための線型代数』I§1(pp.18-9)。
定義:R2
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合) 

[文献―R2限定]
・志賀『線形代数30講』4講(pp.22-23);
・グリーン『計量経済分析』2.4.1(p.22);


[文献]
『岩波数学辞典』210線形空間:A定義 例2 (p.570);
ホフマン『線形代数学I』2.1-例1(p.29);


※R2の一般化:Rn 

定義 ・R2は、実2次元数ベクトルをすべて集めた集合を指す。
・実2次元数ベクトルの定義に遡れば、
   R2は、実数の順序対をすべて集めた集合とも言いかえられる。
・これを直積の概念を使って、言い表せば、  
   R2とは、RとRの直積:R×R のことである。
 すなわち、
    R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } 
・実2次元数ベクトルを図式化するとき、
 実2次元数ベクトルは、x-y座標平面上にプロットされるが、
 このx-y座標平面の全体が表しているのが、R2に他ならない。 
  
※ R2にベクトル和とスカラー乗法という演算を定義したものが、
実2次元数ベクトル空間。

 


→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
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定義:2次元零ベクトル

設定

R:実数体(実数をすべて集めた集合)
[文献―R2限定]
・川久保『線形代数学』1.2(p.6)
・志賀『線形代数30講』5講(p.29);
・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2)
[文献]
・二階堂『経済のための線型代数』I§1(p.19) 。;
・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』2.1.2(p.49)

※実2次元零ベクトルの一般化:実n次元零ベクトル

定義

実数体Rにおける加法の単位元「0」を2個並べた 
      0= ( 0, 0 )   
 を、2次元の零ベクトルと呼ぶ。


確認

実数体Rにおける加法の単位元0は、当然0∈R 。  
したがって、0=( 0, 0 ) は、
実2次元数ベクトルの定義を満たし、

0∈R2 
図解 2次元零ベクトル0= ( 0, 0 )は、
x-y座標平面上に、以下のように図示できる。
  基本ベクトル

→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
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定義:基本ベクトル
設定 R:実数体(実数をすべて集めた集合)   
R2:実2次元数ベクトルをすべて集めた集合。
  すなわち、R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }  
[文献―R2限定]
・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2)


※実2次元基本ベクトルの一般化:実n次元基本ベクトル

本題

R2における基本ベクトルとは、
次の2個の「実2次元数ベクトル」e1, e2のことをいう。 

 e1=(1,0)  
     基本ベクトル

 e2=(0,1) 
     基本ベクトル

性質 基本ベクトルの一次結合、基本ベクトルは一次独立、基本ベクトルは基底をなす 
→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
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定義:実2次元数ベクトル空間・ベクトルの加法・スカラー乗法

設定

R
:実数体(実数をすべて集めた集合) 
R2:実2次元数ベクトルをすべて集めた集合。
  すなわち、R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }   

[文献―R2限定]
・川久保『線形代数学』1.2(pp.3-5)
・志賀『線形代数30講』5講(pp.28-9);5講(p.30);6講(p.37);
・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2)
・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』2.4.1(p.72)
・グリーン『計量経済分析』2.4.1(p.22);
・二階堂『経済のための線型代数』I§1-注意2(p.20)。;

[文献]
草場『線形代数』2.3(p.39)
ホフマン『線形代数学I』2.1-例1(p.29);
二階堂『経済のための線型代数』I§1(pp.18-9)

※実2次元数ベクトル空間の一般化:
     実n次元数ベクトル空間/数ベクトル空間/実ベクトル空間/ベクトル空間 
本題 実2次元数ベクトル空間とは、
集合R2に、次の2つの演算を定義したもののこと。  
(演算1:ベクトルの加法)  
任意のu=(xu, yu)∈R2 と、任意のv =(xv, yv)∈R2に対して、
そのベクトル和u+vを、次のように定義する。  
 u+v=(xu, yu)+(xv, yv)=( xu+xv, yu+yv ) 
  ※最右辺の+は、実数体Rに定められている加法を指す。
(演算2:スカラー乗法)   
Rの任意の元aと、R2の任意の元v=(x,y)に対して、
そのスカラー倍avを、次のように定義する。
 av=a(x,y)=( ax,ay ) 
  ※最右辺のax,ayは、実数体Rに定められている乗法を指す。

図解 [スカラー倍の図解]
実2次元数ベクトル( , )の
は、
x-y座標平面上に、以下のように図示できる。
実2次元数ベクトルのスカラー倍の図示



x-y平 面上において、
《v=(x,y)のス カラーa倍》av=( ax,ay )は、
 原点(0,0)と(x,y)と を結ぶ直線上にあって、
 (0,0)から、《(0,0)と(x,y)と の間の距離》のa倍の距離に位置する点として示される。
なお、このとき、
a
が正ならば、av=(ax,ay)は、v=(x,y)と 同じ側にあるが、
aが負ならば、av=(ax,ay)は、原点をはさんで、v=(x,y)と 反対側に位置する。
図解
[ベ クトル和の図解]
x-y座標平面上に、
u=( , )と v=( , )との
実2次元数ベクトルの和の図示

x-y
座標平 面上において、
ベクトル和u+v=(xu, yu)+(xv, yv)=( xu+xv, yu+yv )
は、どのように、表されるか?
 step1: 原点(0,0)とu=(xu, yu) とを線分で結ぶ。 
 step2: 原点(0,0)とv=(xv, yv) とを線分で結ぶ。  
 step3: 上記二つの線分を二辺とする平行四辺形、
     つまり、原点,u,vを頂点とする平行四辺形を描く。
     具体的には、
      ・線分「原点(0,0)―u」と平行に、vを起点とする線分を描く。
      ・線分「原点(0,0)―v」と平行に、uを起点とする線分を描く。
 step4: 上記の平行四辺形において、原点と向き合う頂点が、
      ベクトル和u+v=(xu, yu)+(xv, yv)=( xu+xv, yu+yv )
     である。
ただし、
 ・原点(0,0)、u=(xu,yu) 、v=(xv,yv) が
  同一直線上かつ同一象限にある場合は、
  その直線上で、原点-u間の距離と、原点-v間の距離を足した位置
 ・原点(0,0)、u=(xu,yu) 、v=(xv,yv) が
  同一直線上にはあるが、異なる象限に位置している場合は、
  u,vのうち原点から遠いほうから、
  u,vのうち原点から近いいほうの原点との距離だけ、
  原点との直線上を、原点へ戻った位置
が、ベクトル和u+vとなる。
※ ここで「実2次元数ベクトル空間」というときの「2次元」は、単に、数を「2個並べた」という意味。
基底を構成するベクトルの個数として定義される「ベクトル空間の次元」とは、とりあえず無関係。
数を「2個並べた」ベクトルの集合に上記の演算を定義しただけの「2次元数ベクトル空間」が、
ベクトル空間になるかどうか、そのベクトル空間としての次元が2次元であるかどうかは、
別に説明を要す。
→実2次元数ベクトル空間がベクトル空間になることの証明  
→実2次元数ベクトル空間のベクトル空間としての次元が2次元であることの証明 
※ このように定義すると、
 「任意のu,v∈R2に対して、u+v∈R2」「任意のa∈R, v∈R2に対して、av∈R2」となる。
なぜなら、     
(step1)  
実数体Rの定義より、
  実数体Rは、加法, 乗法という二項演算が定められた代数系である。
 したがって、二項演算の定義から、   
  p,q∈Rを満たす限りで任意の(p,q)にたいして、p+q∈R, pq∈Rが定められていることになる。 
(step2)
R2は、{ (x,y)|x∈Rかつy∈R }と定義されたから、 
  任意のu=(xu,yu)∈R2と、任意のv=(xv,yv)∈R2に対して、 
xu,yu,xv,yv∈Rである。  
(step3)
任意のu=(xu,yu)∈R2と、任意のv=( xv,yv )∈R2に対して、
 step1, step2より、 xu+xv∈R, yu+yv ∈R となるから、 
u+v=(xu+xv, yu+yv)は、
   R2={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }
に属す。
(step4)
任意のa∈Rと、任意のv=( xv,yv )∈R2に対して、
 step1, step2より、 axv∈R, ayv∈R となるから、 
 av=( axv, ayv  )は、
   R2={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }
に属す。

※ 実2次元数ベクトル空間の上位概念:実n次元数ベクトル空間/数ベクトル空間/実ベクトル空間/ベクトル空間 
※ ・実2次元数ベクトル空間はベクトル空間の一例→詳細
・実ベクトル空間が実n次元数ベクトル空間と同型となるための条件:有限次元実ベクトル空間であること
※ 実n次元数ベクトル空間の下位概念:内積空間・ノルム空間・ユークリッド空間
→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
→線形代数目次・総目次
定義:逆ベクトル
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。 
  すなわち、
      R
2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } 
  に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
[文献―R2限定]
・川久保『線形代数学』1.2(p.6)
・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』2.4.1(p.72)


※実n次元数ベクトルの逆ベクトル

定義 ・v=( x,y )∈R2の逆ベクトル−vとは、
 v=( x,y )∈R2を、「−1」によってスカラー倍したもの。
 すなわち、 
  −v=(-1)v=(-1)(x,y )=( (-1)x,(-1)y )=( -x,-y )  


[逆ベクトルの図解]
実2次元数ベクトル( , )の 逆ベクトル
は、
x-y平面上に、以下のように図示できる。
実2次元数ベクトルのスカラー倍の図示



性質 「任意のa∈R, v∈R2に対して、av∈R2」だから(∵)、  
 −v=(-1)v=∈R2 

→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
→線形代数目次・総目次
 
定理:実2次元数ベクトル空間におけるベクトルの加法の性質
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。 
  すなわち、
      R
2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }  
  に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。    

[文献―R2限定]
・川久保『線形代数学』1.2(p.6)
・志賀『線形代数30講』5講(p.29);

[文献]
二階堂『経済のための線型代数』I§1(p.19)


※一般化:
  ・実n次元数ベクトル空間のケース  
  ・一般の体上の数ベクトル空間のケース
  ・一般の実ベクトル空間のケース 
      (実ベクトル空間では、性質ではなく、定義の一部)
  ・一般のベクトル空間のケース
      (一般のベクトル空間では、性質ではなく、定義の一部)

1. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+は、
  「結合則:( ∀u,v,w∈Rn) ( ( u+v )+w = u+( v+w ) )」を満たす。
2. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+と、
  R2における2次元零ベクトル0=(0,0)は、
    任意のv∈R2にたいして、 v+0= v を満たす。
3. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+は、
    任意のv∈R2 にたいして、 v+(−v)=0 を満たす。 
4. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+は、
  「可換則:( ∀u,v∈R2 ) (u+v =v+u )」を満たす。 
証明1
証明2
証明3
証明4
→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
→線形代数目次・総目次
 
定理:実2次元数ベクトル空間におけるスカラー乗法の性質
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。 
  すなわち、
      R
2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }  
  に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 

[文献―R2限定]
・川久保『線形代数学』1.2(p.7)
・志賀『線形代数30講』5講(p.29);
[文献]
・杉浦『解析入門I』I章§4命題4.1(p.34);
・二階堂『経済のための線型代数』I§1(p.19);

※一般化:
  ・実n次元数ベクトル空間のケース  
  ・一般の体上の数ベクトル空間のケース
  ・一般の実ベクトル空間のケース 
      (実ベクトル空間では、性質ではなく、定義の一部)
  ・一般のベクトル空間のケース
      (一般のベクトル空間では、性質ではなく、定義の一部)

1. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法と、
実数体R上で定義された乗法の単位元"1" は、 
     任意のv∈R2に対して、1v=v 
を満たす。 
2. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法は、
    結合則:任意のa,b∈Rと、任意のv∈R2に対して、(ab)v=a(bv) 
を満たす。
3. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法とベクトルの加法+は、
    ベクトルに関する分配則:任意のa∈Rと、任意のu,v∈R2に対して、a(u+v)=au+av  
を満たす。
4. 実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法とベクトルの加法+は、
    スカラーに関する分配則:任意のa,b∈Rと、任意のv∈R2に対して、(a+b)v=av+bv
を満たす。
証明1
証明2
証明3
証明4
→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
→線形代数目次・総目次
 
定理:実2次元数ベクトル空間は実ベクトル空間・ベクトル空間の一例である。
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。 
  すなわち、
      R
2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } 
  に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。

[文献]
・『岩波数学辞典』210線形空間:A定義(pp.570-576);
・ホフマン『線形代数学I』2.1例1(p.29);
・志賀『線形代数30講』13講(pp.85-7);14講(pp.88-90);
・松坂『集合・位相入門』3章§5C(p.133);

※一般化:
  ・実n次元数ベクトル空間のケース  
  ・一般の体上の数ベクトル空間のケース

本題

実2次元数ベクトル空間R2は、
実数体R上のベクトル空間(すなわち実ベクトル空間)の一具体例であり、
体K上のベクトル空間の一具体例である。


なぜ?

・実数体Rは、体Kの一具体例である。 
・実2次元数ベクトル空間R2には、
  任意のu,v∈R2に対して、u+v∈R2、任意のa∈R, v∈R2に対して、av∈R2 
 を一つずつ定めるベクトルの加法とスカラー乗法が定められており、
 体K上のベクトル空間であるための条件I-1,II-1を、
 実2次元数ベクトル空間R2は、満たしている。   
・実2次元数ベクトル空間R2では、
 実2次元数ベクトル空間におけるベクトルの加法の性質と、
 実2次元数ベクトル空間におけるスカラー乗法の性質の8つの条件が
 成り立っている。
 この8条件は、
 体K上のベクトル空間であるための条件I-2,II-2は満たすものである。
 したがって、実2次元数ベクトル空間R2は、
 体K上のベクトル空間であるための条件I-2,II-2を満たしている。


 

→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
→線形代数目次・総目次

定理:零ベクトルのスカラー倍
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。 
  すなわち、
      R
2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }  
  に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
0:R2上の零ベクトル。  
a:スカラー。つまり、a∈R


[文献]
・佐武『線形代数学』�T§1(p.3);

※一般化:実n次元数ベクトル空間のケース

本題 零ベクトルのスカラー倍は、すべて、零ベクトル。
つまり、任意のa∈Rにたいして、a0=0

[図解―操作可能]
実2次元零ベクトル( 0,0 )の スカラー 倍は、
は、
x-y平面上に、以下のように図示できる。
実2次元数ベクトルのスカラー倍の図示




定理:ベクトルのスカラー0倍
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。 
  すなわち、
      R
2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R }  
  に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。
0:R2上の零ベクトル。
a:スカラー。つまり、a∈R

 

[文献]
・佐武『線形代数学』�T§1(p.3);


※一般化:実n次元数ベクトル空間のケース

本題 任意の実2次元数ベクトルのスカラー0倍は、すべて、零ベクトル。
 すなわち、任意のv∈R2 にたいして、0v=0  

[図解―操作可能]
実2次元数ベクトル( , )の スカラー0倍は、
x-y平面上に、以下のように図示できる。
実2次元数ベクトルのスカラー倍の図示





→[トピック一覧:実2次元数ベクトル空間の定義]
→線形代数目次・総目次
 

(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、2.1ベクトル空間(pp.28-34)。
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、§5.1-b(p.155).
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年、13講ベクトル空間へ(p.83);14講ベクトル空間の例と基本概念(p.88)。
藤原毅夫『理工系の基礎数学2:線形代数』岩波書店、1996年、1.1ベクトルとベクトルの演算(p.4)、4.1線形空間と写像(p.91)。


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)。
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-)。
Chiang, Fundamental Methods of Mathematical Economics: Third Edition, McGraw Hill,1984,1.
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)。
高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、1.2�V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§1(pp.18-9)。


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)。

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