自然な内積の性質 : トピック一覧 

・定理:零ベクトルとの内積/スカラー倍したベクトルのそれ自身との内積  
・定理:ベクトルと行列との積とベクトルとの内積  
・定理:シュヴァルツの不等式/三角不等式  


 【関連ページ】
  ※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:ユークリッド空間Rn-内積・ノルム・距離/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/ユークリッド空間の部分空間の正規直交基底の存在/直交補空間/直交射影/部分空間の直交  
  ※上位概念:一般の計量実ベクトル空間と内積 

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定理 : 零ベクトルとの内積は0  

 [砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (p.239);]
(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。
(本題)   
任意のn次元数ベクトルx零ベクトルとの(自然な)内積は0.
  (
xV)( x=x=0) 
活用→同じベクトルどおしの内積の平方根はノルムの定義を満たす。  
なぜ? 
  
x=( x1, x2, , xn )( , , , ) 
     =x1・0+ x2・0+ …+ xn・0  ∵(自然な)内積の定義  
     =0  

定理:線形性 

 [永田『理系のための線形代数の基礎』4.1問2(p.114);砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1);
  志賀『ベクトル解析30講』第11講(p.79);]
(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。
(本題)   
任意の実n次元数ベクトルx任意の実数aに対して、
      
※活用→同じベクトルどおしの内積の平方根はノルムの定義を満たす。  
※なぜ?     
     ∵自然な内積の線形性2 
         ∵絶対値の性質   



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定理 : ベクトルと行列との積とベクトルとの内積 

 [佐武『線形代数学』T§6 (p.32);松坂『解析入門4』18.2補第(p.103)]
(舞台設定)
R  :実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間   
Rmm次元数ベクトル空間   
xn次元縦ベクトル
   具体的に書くと、x1, x2, , xnRとして、x=t( x1, x2, , xn )n  
ym次元縦ベクトル
   具体的に書くと、y1, y2, , ymRとして、y=t( y1, y2, , ym )m  
・:
nに定義された(自然な)内積。これによって、n計量実ベクトル空間となる。
, 〉:mに定義された(自然な)内積。これによって、m計量実ベクトル空間となる。
Anm列の実行列   
(本題)   
任意のn次元縦ベクトルx, 任意のm次元縦ベクトルy,任意のnm列の実行列Aに対して、
 
x(Ay )= ( tA)x , y   
※なぜ?→双一次形式を参照せよ。 
※活用例→定理「直交変換は直交行列で表現される」の証明 



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シュヴァルツの不等式   

 [斎藤『線形代数入門』4章§6計量線形空間(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.114);
  砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1)志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.78-9);
  志賀『固有値問題30講』8講(p.61);草場『線形代数』定理5.1(p.128);布川『線形代数と凸解析』定理4.1(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』定理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。
(本題)
任意のn次元数ベクトルx,yについて、次の不等式が成立する。 
  
xy     
  つまり、
   
n次元数ベクトルx,y(自然な)内積絶対値は、
   「
n次元数ベクトルxノルム」と「n次元数ベクトルyノルム」の積をこえない。  
なぜ? [永田『理系のための線形代数の基礎4.1(p.114);砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1)]
x零ベクトルであるときは、両辺0で成立。∵零ベクトルとの内積(自然な)内積の性質3:正値性  
・以下、
x零ベクトルでないケースを考える。  …(1) 
任意の実数cにたいして、(cxy) (cxy)≧0  …(2) 
        ∵
(自然な)内積の性質3:正値性 
(cxy) (cxy)  
    =
(cxcxy)(ycxy)  ∵内積の線形性1 
    =
(cxcx)(cxy)(ycxy)  ∵内積の線形性1 
    =
(cxcx)(cxy)(ycx)(yy)  ∵内積の線形性1 
    =
(cxcx)2(cxy)(yy)   ∵内積の対称性 
    =
c(xcx)2(cxy)(yy)   ∵内積の線形性2 
    =
c2(xx)2(cxy)(yy)   ∵内積の線形性2 
    =
c2(xx)2c(xy)(yy)   ∵内積の線形性2 
         …
(3)
・ここまで、cは、任意の実数とされていたのだから、
 
c=xy/xx とおいたところで、(2)3)に変更はない。  
 
(3)に、c=xy/xx を代入すると、 
 
(cxy)(cxy)(xy)2 /(xx)2 (xy)2/(xx)(yy) 
         =(
(xy)2 2(xy)2/(xx)(yy) 
         =−
(xy)2/(xx)(yy)   
 これに(2)を適用して、
  −(xy)2/(xx)(yy)≧0
     
(yy)(xy)2/(xx) ∵両辺に(xy)2/(xx)を加える 
     
(xx) (yy)(xy)2  ∵両辺に(xx)をかける 
     
(xx) (yy)(xy)2  ∵絶対値の性質  
     (xy)2(xx) (yy)  
                 



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定理 : 三角不等式 

  [斎藤『線形代数入門』4章§6計量線形空間(p.120);永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.114)
   砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1);志賀『ベクトル解析30講』第11講(p.79);
   志賀『固有値問題30講』8講(p.63);布川『線形代数と凸解析』定理4.2(p.67);
  柳井竹内『射影行列・一般逆行列・特異値分解』定理1.1(p.2)  .]
(舞台設定)
R  :実数体R  
Rnn次元数ベクトル空間   
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)
任意のn次元数ベクトルx,yについて、次の不等式が成立する。 
        
          *左辺の+は
ベクトル和、右辺の+は実数の和。   
  つまり、
  
n次元数ベクトルx,yベクトル和とそれ自身との(自然な)内積の平方根は、
  「
n次元数ベクトルxとそれ自身との(自然な)内積の平方根」と
  「
n次元数ベクトルyとそれ自身との(自然な)内積の平方根」の和をこえない。 
活用→同じベクトルどおしの内積の平方根はノルムの定義を満たす。  
なぜ?  
    
    =
( xy ) ( xy )   
    =
x(xy)y(xy)        ∵内積の線形性1  
    =
xxxyy (xy)     ∵内積の線形性1 
    =
xxxyyxyy  ∵内積の線形性1 
    =
xx2xyyy      ∵内積の対称性 
    ≦
xx2xyyy    ∵絶対値の性質   
    ≦xx2yy    ∵シュヴァルツの不等式 
        
 


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(reference)

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。
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。
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.239-241).
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。
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。