n次元ユークリッド空間 : トピック一覧

・自然な内積:自然な内積の定義自然な内積の性質自然な内積と内積・計量実ベクトル空間一般 
・ユークリッドノルム:ユークリッドノルムの定義ノルム・ノルム空間一般との関係
・ユークリッド距離:ユークリッドノルムから定められる距離の定義ユークリッド距離との関係n次元数ベクトル空間からユークリッド空間  
・ユ―クリッド空間における基本概念:直交単位ベクトル単位ベクトル化 
※計量実ベクトル空間Rn関連ページ:ノルム・ノルム空間の定義/内積・計量実ベクトル空間の定義
※ユークリッド空間Rn関連ページ:内積の性質/正規直交系・正規直交基底の定義/直交系・直交基底と内積/直交系・正規直交系の性質/正規直交基底の存在と構成/計量同型写像 
※ユークリッド空間Rnの部分空間関連ページ:ユークリッド空間の部分空間の基底/直交補空間/部分空間の直交/ユークリッド空間の部分空間の正規直交基底の存在/直交射影 

線形代数目次
総目次

定義:実n次元数ベクトル空間における(自然な)内積・標準内積  

【舞台設定】
 R実数体 
 Rnn次元数ベクトル空間  
 x, yn次元数ベクトル。具体的に書くと、x1, x2, …, xnRとして、x=( x1, x2, …, xn )Rn  、 y1, y2, …, ynRとして、y=( y1, y2, …, yn )Rn   

【本題】
n次元数ベクトル空間Rnにおいて、n次元数ベクトルx=( x1, x2, …, xn ), y=( y1, y2, …, yn )(自然な)内積 xy は、
 xyx1y1x2y2+…+xnyn    
と定義される。 

n次元数ベクトルx,y(自然な)内積 xy は、実数。 
n次元数ベクトルx,y横ベクトルのとき、行列の積を用いて、 xyxty( x1, x2, …, xn)t( y1, y2, …, yn ) 
  n次元数ベクトルx,y縦ベクトルのとき、行列の積を用いて、xytxy とも表せる。  
※内積によって定義される概念:内積により定まるノルムベクトルの直交ベクトルのなす角  
自然な内積は内積の一例自然な内積の性質  
(自然な)内積以外の内積〈 x,yの例については、ホフマン・クンツェ『線形代数学II』8.1例1(p.92)を参照。  

【文献】
 砂田『行列と行列式』例7.5(p.239);神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.124);志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.80-81):なぜ数ベクトル空間でこのような内積が使われるのかまで説明; 斎藤『線形代数入門』2章§6(p.61);4章§6例1(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.113-4);佐武『線形代数学』T§6(p.31);ホフマン『線形代数学II』8.1例1(p.92);草場『線形代数』定義5.2(p.128);
 杉浦『解析入門I』I§4定義2(p.36);西村『経済数学早わかり』2章§1.4(p.33);布川『線形代数と凸解析』例4.1(p.64);柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』§1.1.1(p.1;4);佐和『回帰分析』2.1.4内積と射影(p.21) 

定理:自然な内積の性質

【舞台設定】
R実数体 
Rnn次元数ベクトル空間  
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, …, xnRとして、x=( x1, x2, …, xn )Rn 、 y1, y2, …, ynRとして、y=( y1, y2, …, yn )Rn

【本題】
n次元数ベクトル空間 Rn における n次元数ベクトルx=( x1, x2, …, xn ) , y=( y1, y2, …, yn )(自然な)内積xyは、次に示す4つの性質を満たす。
              ※活用例:自然な内積と、内積・計量実ベクトル空間  
 [性質1:線形性1]
  任意のn次元数ベクトルx1,x2,yRnにたいして、(x1+x2)yx1yx2y 
  任意のn次元数ベクトルx,y1,y2Rnにたいして、x( y1+y2 ) =xy1xy2 
          すなわち、x1,x2,yRn ( (x1+x2)yx1yx2y )、 (x,y1,y2Rn) ( x( y1+y2 ) =xy1xy2 ) 
  ※なぜ?→証明 
 [性質2:線形性2] 
  任意のn次元数ベクトルx,yRn任意の実数aにたいして、(ax)y=a (xy), x(ay)=a (xy)  
        すなわち、x,yRn aR ( (ax)y=a (xy) かつ x(ay)=a (xy) ) 
  ※なぜ?→証明 
 [性質3:正値性]
  任意のn次元数ベクトルxRnにたいして、xx≧0 であって、      
                   xx=0となるのはx零ベクトルである場合のみに限る。
          すなわち、xRn ( ( xx≧0 ) かつ ( xx=0x=) )   あるいは、xRn ( ( xx≧0 ) かつ ( xxx>0) )  
  ※だから、自分自身と直交するn次元数ベクトルは、零ベクトルだけ。   
  ※なぜ?→証明 
 [性質4:対称性]
  任意のx,yRnにたいして、xy=yx 
          すなわち、x,yRn ( xy=yx ) 
  ※なぜ?→証明 

【文献】
  神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.124);砂田『行列と行列式』§7.1(p.238);志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.80-81):なぜ数ベクトル空間でこのような内積が使われるのかまで説明;
  斎藤『線形代数入門』2章[6.1](p.61);4章§6例1(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.113-4);佐武『線形代数学』T§6(p.31);草場『線形代数』§5.1(p.127);杉浦『解析入門I』I§4命題4.2(p.36);布川『線形代数と凸解析』定義4.1例4.1(p.64);佐和『回帰分析』2.1.4内積と射影(p.21)柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』§1.1.1(p.2)

定理:(自然な)内積は、内積の定義を満たし、計量実ベクトル空間を設定する。 

 [神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.124);砂田『行列と行列式』§7.1(p.238)
  志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.80-81):なぜ数ベクトル空間でこのような内積が使われるのかまで説明;
  斎藤『線形代数入門』2章[6.1](p.61);4章§6例1(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.113-4);
  佐武『線形代数学』T§6(p.31);]
(舞台設定)
R実数体R 
Rnn次元数ベクトル空間  
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=( x1, x2, , xn )n  
           
y1, y2, , ynRとして、y=( y1, y2, , yn )n  
(本題)
n次元数ベクトルx, y(自然な)内積xyは、 
 
n次元数ベクトル空間Rnにおける内積〈 x, y 〉の定義を満たし、 
   (つまり、
(自然な)内積xyは、内積〈 x, y の一例) 
 したがって、
(自然な)内積が定義されたn次元数ベクトル空間Rnも、
 
計量実ベクトル空間(計量線形空間・内積空間)の定義を満たす。
なぜ?→自然な内積の線形性・正値性・対称性は、内積〈 x, y 〉の定義そのもの。
(自然な)内積以外の内積〈 x, y の例については、
  ホフマン・クンツェ『線形代数学II』8.1例1(p.92)を参照。  



トピック一覧:n次元ユークリッド空間―内積・ノルム・距離 
線形代数目次総目次


定義:実n次元数ベクトル空間におけるユークリッドノルム   

  [神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.121-2);砂田『行列と行列式』§7.1(pp.241-2);
   松坂『集合・位相入門』§5-B例1(pp.277-8);矢野『距離空間と位相構造』1.1.1例1.3(pp.4-5)
   志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.80-81);佐武『線形代数学』T§6(p.33);草場『線形代数』定義5.1(p.127);
   斎藤『線形代数入門』2章§6(p.62);4章§6例1(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.114);
  杉浦『解析入門I』I§4(p.36);;西村『経済数学早わかり』2章§1.4(p.33);布川『線形代数と凸解析』定義4.3(p.66);;
  佐和『回帰分析』2.1.4内積と射影(p.21)柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』§1.1.1(p.1;4)   ]
(舞台設定)
 
R実数体R  
 
Rnn次元数ベクトル空間  
 
vn次元数ベクトル
       具体的に書くと、
v1, v2, , vnRとして、v=( v1, v2, , vn )n  
 
xyn次元数ベクトルx, y(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる。
(本題)
1. 任意のn次元数ベクトルv=( v1, v2, , vn )n にたいして、
  ‖
v‖=「vvの負でない平方根」
 と定義する。
つまり、
  
v=( v1, v2, , vn )n にたいして、   
      
 と定義する。
2. 上記の‖v‖は、次の性質をもち、n次元数ベクトル空間におけるノルムの定義を満たす。
 
(1) 非負性 任意のvnにたいして、‖v‖≧0 であって、      
                   ‖
v=0となるのはv零ベクトルである場合のみに限る。
          
論理記号で表すと、(vn) ( ( v‖≧0 ) かつ (v=v=) ) 
              あるいは、
(vn) ( ( v‖≧0 ) かつ (vv>) )  
 
(2) 線形性 任意のvn任意の実数aにたいして、‖av=av‖  
          
論理記号で表すと、(vn) (aR) (av=av ) 
 
(3) 三角不等式 任意のx,ynにたいして、‖xy‖≦‖x‖+‖y‖ 
              ※ただし、不等式左辺の
n次元数ベクトル空間に定義されたベクトル和、
                      不等式右辺の+は、
実数の足し算。 
          
論理記号で表すと、(x,yn) ( xy‖≦‖x‖+‖y ) 
なぜ? 
   ・‖
v‖は、自然な内積の正値性と‖v‖の定義により、(1)非負性を満たす。   
   ・‖
v‖は、内積の性質によって、(2)線形性を満たす。   
   ・‖
v‖は、内積の性質によって、(3)三角不等式を満たす。  
3. 上記の‖v‖を、ユークリッドノルムと呼ぶ。
  
n次元数ベクトル空間において単に「ノルム」といえば、このユークリッドノルムを指すのが普通。
4. ユークリッドノルムノルムとして指定してやることによって、
 
ノルム空間 n , )が設定される。
5. 定義より、‖v2=vv であるから、
 
n次元数ベクトルx, y横ベクトルのとき、
   
行列の積を用いて、‖v2= vv=vtv( v1, v2, , xn )t( y1, y2, , yn ) 
 
n次元数ベクトルx, y縦ベクトルのとき、
   
行列の積を用いて、‖v2= vvtvv 
 とも表せる。    
 
※上位概念:n次元数ベクトル空間における内積により定まるノルム一般の計量実ベクトル空間における内積により定まるノルム  

定義:ユークリッドノルムから定められる距離・ユークリッド距離 

 [神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.123);松坂『集合・位相入門』§5-A(p.277);
  矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5);志賀『固有値問題30講』8講(p.61);
  杉浦『解析入門I』I§4(pp.37-8);;柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』§1.1.1(p.2) ] 
(舞台設定)
R実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間 
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=( x1, x2, , xn )n  
           
y1, y2, , ynRとして、y=( y1, y2, , yn )n  
xyn次元数ベクトルx, y(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる。 
x‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム((自然な)内積を用いて定義される)   
n,‖‖):計量実ベクトル空間Rnに、内積により定義されたユークリッドノルム ‖を定義した、
      
ノルム空間 
(本題)
1.
 任意の実n次元数ベクトルx, yに対し、
    d(x, y)=xy    
 とおくと、d(x, y)は、Rnにおけるx, y間の距離の定義を満たす。
  ∵ノルムから定められた距離一般は距離の定義を満たす()。
   d(x, y) は、ノルムから定められた距離の定義を満たす
           (∵ユークリッドノルムノルムの定義を満たす)。
   したがって、d(x, y) は、距離の定義を満たす。  
2.
 d(x, y)=xy を、ユークリッドノルムから定められる距離という。
3.
   
 となる。
 つまり、ユークリッドノルムから定められる距離は、ユークリッド距離にほかならない。  
  なぜなら、
  d(x, y)=xy =( x1, x2, , xn )( y1, y2, , yn ) 
     =
( x1, x2, , xn )( y1, y2, , yn )  ∵逆ベクトルの定義 
     =( x1y1, x2y2, , xnyn )  ∵ベクトル和の定義 
      
                ∵ユークリッドノルムの定義 
※上位概念:実n次元数ベクトル空間におけるノルムから定められた距離一般の計量実ベクトル空間においてノルムから定められる距離

 


定理:計量実ベクトル空間、ノルム空間、距離空間・ユークリッド空間  

 [神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.123);松坂『集合・位相入門』§5-A(p.277);
  矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離関数(p.5);志賀『固有値問題30講』8講(p.63);
  砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1).]    

(舞台設定)
R実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間  
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=( x1, x2, , xn )n  
           
y1, y2, , ynRとして、y=( y1, y2, , yn )n  
xyn次元数ベクトルx, y(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる
x‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム((自然な)内積を用いて定義される)   
n,‖‖):計量実ベクトル空間Rnに、内積により定義されたユークリッドノルム ‖を定義した、
      
ノルム空間  

(本題)
次の手順で、
n次元数ベクトル空間Rnからユークリッド空間をつくることができる。 
Step1: n次元数ベクトル空間Rnに、(自然な)内積を定義して、n計量実ベクトル空間とする。
Step2: 計量実ベクトル空間Rnに、(自然な)内積を用いてユークリッドノルム ‖を定義して、
      
nノルム空間n , )を設定する。
Step3: ノルム空間n , )に、ユークリッドノルム ‖を用いてユークリッド距離dを定義して、
    
距離空間Rn,d 、すなわちユークリッド空間を設定する。  
実n次元数ベクトル空間Rnユークリッド空間と、ことわりなく、呼ばれる場合、
 暗黙の了解事項として、(自然な)内積ユークリッドノルムユークリッド距離が定義されている。

上位概念:内積から定まるノルム一般を用いたRn上のノルム空間の設定・ノルムから定められる距離一般を用いたRn上の距離空間の設定一般の計量実ベクトル空間からのノルム空間・距離空間の設定 




トピック一覧:n次元ユークリッド空間―内積・ノルム・距離 
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定義:直交する orthogonal  

 [斎藤『線形代数入門』4章§6計量線形空間(p.120);神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.125);
  永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.114);志賀『ベクトル解析30講』第11講(p.80);
  志賀『固有値問題30講』9講(p.67);草場『線形代数』§5.1(p.129);
  杉浦『解析入門I』I§4注意1(p.37);布川『線形代数と凸解析』定義4.4(p.68);
  佐和『回帰分析』2.1.4内積と射影(p.21);  。]

(舞台設定)
R  :実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間  
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=( x1, x2, , xn )n  
           
y1, y2, , ynRとして、y=( y1, y2, , yn )n  
xyn次元数ベクトルx, y(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる。 
x‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム((自然な)内積を用いて定義される) 
d (x, y)ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
Rn,d ):n次元ユークリッド空間  
(本題)
n次元ユークリッド空間Rn,d )においてn次元数ベクトルx,y直交するとは、
 
n次元数ベクトルx,y自然な内積ゼロであるということ。
n次元数ベクトルx,y直交することを、記号「xy」で表す。    
・つまり、
n次元ユークリッド空間においては、xy  xyx1y1+ x2y2++xnyn0  
※自分自身と直交する
n次元数ベクトルは、零ベクトルだけ。→自然な内積の正値性  
上位概念:一般の計量実ベクトル空間における直交内積一般による計量実ベクトル空間Rnにおける直交 
※活用例:直交系正規直交系直交基底正規直交基底  

定義:ベクトルのなす角angle   

 [永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.115);志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.79-80);
  杉浦『解析入門I』I§4注意1(p.37);草場『線形代数』§5.1(p.129);;;
  佐和『回帰分析』2.1.4内積と射影(p.21);柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』定義1.1(p.2) ]

(舞台設定)
R  :実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間  
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=( x1, x2, , xn )n  
           
y1, y2, , ynRとして、y=( y1, y2, , yn )n  
xyn次元数ベクトルx, y(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる。 
x‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム((自然な)内積を用いて定義される) 
d (x, y)ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
Rn,d ):n次元ユークリッド空間  
(本題)


※上位概念:一般の計量実ベクトル空間における直交内積一般による計量実ベクトル空間Rnにおける角 


→[トピック一覧:n次元ユークリッド空間―内積・ノルム・距離]
線形代数目次総目次


定義:単位ベクトル  

[砂田『行列と行列式』§7.1(pp.241-2);]
(舞台設定)
R実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間 
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=( x1, x2, , xn )n  
           
y1, y2, , ynRとして、y=( y1, y2, , yn )n  
xyn次元数ベクトルx, y(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる。 
x‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム((自然な)内積を用いて定義される) 
d (x, y)ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
Rn,d ):n次元ユークリッド空間  
(本題)
n次元ユークリッド空間Rn,d )における単位ベクトルとは、
    
ユークリッドノルムx=1 
    すなわち、
    
x2 = x12x22+…+ xn2 = 1    
を満たすn次元数ベクトルx のこと。

定理:単位ベクトル化  

[永田『理系のための線形代数の基礎』補題4.2.1(p.116);]    
(舞台設定)
R実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間 
x, yn次元数ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=( x1, x2, , xn )n  
           
y1, y2, , ynRとして、y=( y1, y2, , yn )n  
xyn次元数ベクトルx, y(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる。 
x‖:計量実ベクトル空間Rnにおけるユークリッドノルム((自然な)内積を用いて定義される) 
d (x, y)ユークリッドノルムから定められたユークリッド距離  
Rn,d ):n次元ユークリッド空間  

(本題1)
任意のn次元数ベクトルxnについて、
  
x零ベクトルでないならば
  「
xユークリッドノルムの逆数(スカラーになる)」と、n次元数ベクトルxとのスカラー積    
    
( 1/x ) x   
      
   は、
   
n次元ユークリッド空間Rn,d )における単位ベクトルとなる。
以上を
論理記号でかくと、
   (
xn)( x   ( 1/x ) x =1 )   

(本題2)
 
( 1/x ) xをつくることを、x単位ベクトル化という。 

どうして、 ( 1/x ) x = といえるのか?→詳細 

どうして、( 1/x ) xは、x直交する全てのn次元数ベクトル直交するといえるのか?
 ・
ユークリッドノルムの非負性より、 xならばx>0 
   したがって、
xならば1/x> …(1)  
 ・{
( 1/x ) x }y =( 1/x ) ( xy)=( xy)/x  …(2)  
     
 ∵自然な内積の線形性2 
 ・ 
x かつ xy0 ならば任意のn次元数ベクトルx,yにたいして、(1)(2) xy0より、
    {
( 1/x ) x }y =0 
  が成り立つ。
  つまり、xならばx直交する全てのn次元数ベクトルと、( 1/x ) xは、x直交する。 



トピック一覧:n次元ユークリッド空間―内積・ノルム・距離  
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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317バナッハ空間(pp.922-):ノルムとノルム空間の解説が含まれている;項目341ヒルベルト空間B.(pp.1006-7):内積の定義が含まれている.
線形代数のテキスト
ホフマン・クンツェ『線形代数学II』8.1内積(pp.91-7)、培風館、1976年。
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、4.1内積(p.114);。
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.117)。
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年。
志賀浩二『数学30講シリーズ:ベクトル解析30講』朝倉書店、1988年、第11講(pp.78-80)。
藤原毅夫『理工系の基礎数学2:線形代数』岩波書店、1996年。
斎藤正彦『線形代数入門』東京大学出版会、1966年、4章§6計量線形空間(p.120)。
砂田利一『現代数学への入門:行列と行列式』2003年、§7.1-(a)内積 (pp.238-9).
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、5.1(pp.127-130)。
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、§1.1.1。
木村英紀『線形代数:数理科学の基礎』東京大学出版会、2003年、3.3内積とノルム(p.55)。
解析学のテキスト
杉浦光夫『解析入門I』東京大学出版会、1987年、I章§4(pp.33-38)。
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、§3.2.3(p.124)。
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、4.1.1内積と直交(pp.65-70)。
数理統計学のテキスト
佐和隆光『回帰分析』 朝倉書店、1979年、2.1ベクトルとベクトル空間。
久米均『数理統計学』コロナ社、1984年、1.線形代数1.6.計量ベクトル空間(p.6)。