n次元数ベクトル空間における内積と計量実ベクトル空間Rnの定義 : トピック一覧 

・定義:内積/計量実ベクトル空間/内積により定まるノルム/単位ベクトル
    ノルムから定められる距離/ベクトルの直交/ベクトルのなす角 
・定理:単位ベクトル化/計量実ベクトル空間−ノルム空間−距離空間の関係    
   


 【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/正規直交系・正規直交基底の定義/
  ※上位概念:一般の計量実ベクトル空間と内積 
 

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定義:実n次元数ベクトル空間における内積 inner product  

 [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.124);
  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(pp.78-80);
  佐武『線形代数学』V§6(p.117);砂田『行列と行列式』§7.1(p.238);志賀『固有値問題30講』8講(p.61);
  ホフマン・クンツェ『線形代数学U』8.1内積(p.92); ]
(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)
任意の2つのn次元数ベクトルx,yに対して、実数x,y〉を定める関係があって、
次の[要件1][要件4]を満たすとき、
x,y〉を、xy内積inner productとよぶ。
 [要件1:線形性1] 
    任意のn次元数ベクトルx1,x2,yにたいして、〈x1+x2, y〉=〈x1, y〉+〈x2, y〉 
    任意のn次元数ベクトルx,y1,y2にたいして、〈 x, y1+y2 〉=〈x, y1〉+〈x, y2〉   
          すなわち、(x1,x2,yn) ( x1+x2, y〉=〈x1, y〉+〈x2, y ) 
               (x,y1,y2n) ( x, y1+y2 〉=〈x, y1〉+〈x, y2 )  
 [要件2:線形性2]
    任意のn次元数ベクトルx,y任意の実数aにたいして、〈ax,y=ax,y, x,ay=ax,y〉  
          すなわち、(x,yn) (aR) ( ax,y=ax,yかつ x,ay=ax,y ) 
 [要件3:正値性] 任意のn次元数ベクトルxにたいして、〈x,x〉≧0 であって、      
                   〈x,x=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、(xn) ( ( x,x〉≧0 ) かつ ((x,x)=x=) ) 
          あるいは、(xn) ( ( x,x〉≧0 ) かつ (x≠0(x,x)>) )        
 [要件4:対称性] 任意のn次元数ベクトルx,yにたいして、〈x,y=y,x〉 
          すなわち、(x,yn) ( x,y=y,x ) 
※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  
※上位概念:実ベクトル空間における内積 
※実n次元数ベクトル空間における内積の具体例:
 ・自然な内積
 ・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。  



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定義:計量実ベクトル空間・実計量線形空間・内積空間    metric vector space 

 [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.124);
 永田『理系のための線形代数の基礎』4.1(p.114);佐武『線形代数学』V§6(p.117);砂田『行列と行列式』§7.1(p.238)
  ホフマン・クンツェ『線形代数学U』8.2内積空間(p.98); ]
(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  
x,y〉:n次元数ベクトル空間Rnにおけるn次元数ベクトルx,y内積
(本題)
内積の定義されたn次元数ベクトル空間Rnは、
計量実ベクトル空間・計量線形空間・内積空間等と呼ばれる。

※上位概念:実ベクトル空間上の計量実ベクトル空間 
※下位概念:自然な内積をRnに定義してつくった計量実ベクトル空間  



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定義:内積により定まるノルム norm  

 [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.124);
  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(p.239);
  志賀『ベクトル解析30講』第11講(pp.78-80);志賀『固有値問題30講』8講(p.61);
  ホフマン・クンツェ『線形代数学U』8.1内積(p.91); ]
(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  
x,y〉:n次元数ベクトル空間Rnにおけるn次元数ベクトルx,y内積
     これによって、n計量実ベクトル空間となる。  
(本題1)
n次元数ベクトルxのそれ自身との内積の平方根
        
は、ノルムの定義を満たす。
なぜ? 
   ・は、内積の要件3より、ノルム定義の第1要件を満たす。   
   ・は、内積の性質によって、ノルム定義の第2要件を満たす。   
   ・は、内積の性質によって、ノルム定義の第3要件を満たす。  
(本題2)
n次元数ベクトルxのそれ自身との内積の平方根
        
 を、内積により定まるノルムと呼ぶ。
n次元数ベクトルx内積により定まるノルム長さを、記号「x」で表す。  
・つまり、任意のxVにたいして、
         
(本題3)
計量実ベクトル空間Rnに、内積により定まるノルム ‖を定義することによって 
 組(Rn, ノルム空間となる。  
※上位概念: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 
※具体例:自然な内積により定まるノルムとしてのユークリッドノルム  




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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  
x,y〉:n次元数ベクトル空間Rnにおけるn次元数ベクトルx,y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内積により定まるノルム 

(本題)
計量実ベクトル空間Rnにおける単位ベクトルとは、 x=1を満たすn次元数ベクトルxのこと。

※上位概念:一般の計量実ベクトル空間における単位ベクトル 
※具体例:n次元ユークリッド空間における単位ベクトル



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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  
x,y〉:n次元数ベクトル空間Rnにおけるn次元数ベクトルx,y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内積により定まるノルム 

(本題1)
任意のn次元数ベクトルxについて、
  x零ベクトルないならば
  「xノルムの逆数(スカラーになる)」と、ベクトルxとのスカラー積    
    ( 1/x ) x         
   は、
    ノルム1n次元数ベクトルになり、
   x直交する全てのn次元数ベクトル直交する
以上を論理記号でかくと、
   (xn)( x   ( 1/x ) x =1 )  
   (x,yn)( xかつx,y0   ( 1/x ) x, y 0  )  

(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?
 ・ノルムであるための要件1: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 ) x,y=x,y/x  …(2)  
      ∵内積であるための要件2:線形性2 
 ・ xかつx,y0 ならば任意のn次元数ベクトルx,yにたいして、(1)(2)x,y0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。 
※上位概念:一般の計量実ベクトル空間における単位ベクトル化 
※具体例:n次元ユークリッド空間における単位ベクトル化



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定義:ノルムから定められる距離 

 [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);
  ホフマン・クンツェ『線形代数学U』8.2練習問題4(p.110); ] 

(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  
x,y〉:n次元数ベクトル空間Rnにおけるn次元数ベクトルx,y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内積により定まるノルム 
Rn,‖‖):計量実ベクトル空間Rnに、内積により定まるノルム ‖を定義した、ノルム空間 

(本題1)
任意のn次元数ベクトルx, yに対し、
 n次元数ベクトルx n次元数ベクトルy逆ベクトルについて、
 内積により定まるノルムをとると、
 Rnにおけるx, y間の距離の定義を満たす。 
 すなわち、
 任意の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。
※なぜ?→証明  
※上位概念: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 
※具体例: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)
(本題2)
計量実ベクトル空間Rnに、上記の距離d(x, y)を定義することによって 
 組(Rn,d距離空間となる。  

※具体例:n次元ユークリッド空間 



定理:計量実ベクトル空間、ノルム空間、距離空間   

 [砂田『行列と行列式』§7.1(a)定理7.9 (pp.240-1).。]
計量実ベクトル空間Rnに、内積により定まるノルム‖ ‖を定義することによって 
 組( Rn, ‖ ‖ )はノルム空間となる。  
計量実ベクトル空間Rnは、内積により定まるノルムから定められる距離によって、距離空間となる。
※上位概念: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 
※具体例:n次元ユークリッド空間の設定 



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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);。]
(舞台設定)
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  
x,y〉:n次元数ベクトル空間Rnにおけるn次元数ベクトルx,y内積
     これによって、n計量実ベクトル空間となる。  
(本題)
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、xy  x,y0  
※上位概念:一般の計量実ベクトル空間における直交 
※具体例:n次元ユークリッド空間における直交
※活用例:直交系正規直交系直交基底正規直交基底
 


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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);]
(舞台設定)
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  
x,y〉:n次元数ベクトル空間Rnにおけるn次元数ベクトルx,y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内積により定まるノルム 

Rn,‖‖):計量実ベクトル空間Rnに、内積により定まるノルム‖ ‖を定義した、ノルム空間 
(本題)

※上位概念:一 般の計量実ベクトル空間における角 
※具体例:n次元ユークリッド空間における角 
 


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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U』8.1内積(pp.91-7);8.2内積空間(pp.98-111)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).
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)。