n次元数ベクトル空間Rnにおけるノルムとノルム空間の定義 

・定義:Rn上のノルムノルム空間単位ベクトルノルムから定められる距離 
・性質:ノルム空間と距離空間単位ベクトル化 
Rn上のノルムの下位類型:ユークリッドノルム変分ノルムsupノルム 
※上位概念:実ベクトル空間一般におけるノルム空間
※計量実ベクトル空間Rn関連ページ: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/計量同型写像
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定義:実n次元数ベクトル空間におけるノルム・ノルム空間   

  [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)]

【舞台設定】
 R実数体 
 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 )Rn  
【本題】
任意のn次元数ベクトル v=( v1,v2,…,vn )Rn にたいして、実数vを定める関係があって、
 次の[要件1]〜[要件3]を満たすとき、
 vを、vノルムnormとよぶ。
 [要件1] 非負性 任意のxRnにたいして、‖x‖≧0 であって、      
                   ‖x‖=0となるのはx零ベクトルである場合のみに限る。
          論理記号で表すと、xRn ( ( ‖x‖≧0 ) かつ (‖x‖=0x=) ) 
              あるいは、xRn ( ( ‖x‖≧0 ) かつ (xx‖>0) )  
 [要件2] 線形性 任意のxRn任意の実数aにたいして、‖ax‖=ax‖  
          論理記号で表すと、xRn  aR  (‖ax‖=ax‖ ) 
 [要件3] 三角不等式 任意のx,yRn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,yRn ( ‖xy‖≦‖x‖+‖y‖ ) 
・様々なノルムが定義可能である。
  たとえば、ユークリッドノルム変分ノルムsupノルムなど。  
・実n次元数ベクトル空間において単に「ノルム」といえば、ユークリッドノルムを指すのが普通。 
ノルムの定義されたn次元数ベクトル空間Rn
 ないし、

 ノルム‖‖の定義されたn次元数ベクトル空間Rnにおける、
 ノルムn次元数ベクトル空間の組(Rn,‖‖)
 のことをノルム空間とよぶ。  
※上位概念:実ベクトル空間一般におけるノルム実ベクトル空間一般におけるノルム空間  


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 
 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 )Rn  
 ‖v‖:ノルム空間Rnに定義されているノルム   
【本題】
 ノルム空間Rnにおける単位ベクトルとは、 v=1を満たすn次元数ベクトルv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 
 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 )Rn  
 ‖v‖:ノルム空間Rnに定義されているノルム   

【本題1】

任意のn次元数ベクトルvRn について、
  v零ベクトルでないならば
  「vノルムの逆数(スカラーになる)」と、実n次元数ベクトルvとのスカラー積    
    ( 1/v ) v   
   は、
   ノルム1のn次元数ベクトルになる。
以上を論理記号でかくと、
   vRn ( v   ( 1/v ) v =1 )   

【本題2】

 ( 1/v ) v をつくることを、v単位ベクトル化という。 

※どうして、 ( 1/v ) v =1 といえるのか?
 ・ノルムであるための要件1:非負性より、 vならば、‖v‖>0 
   したがって、 vならば1/v >0      
 ・   ( 1/v ) v = ( 1/v )v  ∵ノルムであるための要件2:線形性   

             =1     


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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);]

【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  
 ‖x‖:ノルム空間Rnに定義されているノルム   

【本題】 

n次元数ベクトル空間Rnに属す任意の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。
d(x, y)=xy を、ノルムから定められる距離という。
※いろいろなノルムをつくりえるので、
  いろいろなノルムに応じて、いろいろなノルムから定められる距離をつくりえる。
  例:ユークリッドノルムから定められる距離変分ノルムから定められる距離
    supノルムから定められる距離      
どうして、ノルムから定められた距離d(x, y)=xy距離の定義を満たすといえるのか?
  →
矢野『距離空間と位相構造1.1.1距離関数(p.5);神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3(p.123);  
d(x, y)は、ノルムの要件1:非負性により、Vにおけるx, y間の距離の要件(i)非負性を満たす。   
d(x, y)は、Vにおけるx, y間の距離の要件(ii) を満たす。
   なぜなら、 
    
任意のx,yVにたいして、
     
d(x, y)=xy=xy=0  ∵ノルムの要件1:非負性  
               
x=y       
 ・
d(x, y)は、Vにおけるx, y間の距離の要件(iii) 対称性を満たす。
   なぜなら、
    
任意のx,yVにたいして、 
     
d(x, y)=xy 
        
=−1(x)−1y   ∵逆ベクトルの定義 
        
=−1(xy    ∵スカラー積のベクトルに関する分配則  
        
=−1(yx     ∵ベクトル和の可換則   
        
=−1yx  ∵ノルムの要件2:線形性 
        
=yx  ∵絶対値の定義 
        
=yx   
        
=d(y, x)  
d(x, y)は、Vにおけるx, y間の距離の要件(iv) 三角不等式を満たす。
   なぜなら、
    任意のx,y,zVにたいして、 
     d(x, z)=xz 
        =xz     ∵零ベクトルの加法の性質 
        =xyyz  ∵自らの逆ベクトルとの加法  
        =xyyz  ∵ベクトル和の結合則 
          ≦xyyz  ∵ノルムの要件3:三角不等式  
            =d(x, y)d(y, z)      


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定理:ノルム空間と距離空間  

[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);]    


【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  
 ‖x‖:ノルム空間Rnに定義されているノルム   

【本題】 

n次元数ベクトル空間Rnノルムが定義され、ノルム空間Rn,‖‖)が設定されているならば、  
 n次元数ベクトル空間Rnの距離dを、「ノルムから定められる距離」によって定義することによって、 
 距離空間Rn,d)を設定することができる。
 つまり、
 「ノルムから定められる距離」によって、ノルム空間Rn,‖‖)はいつでも距離空間Rn,d)と見なせる。




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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.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)。
位相空間・距離空間についてのテキスト
松坂和夫『集合・位相入門』岩波書店、1968年、§5ノルム空間、Banach空間(pp.275-288)。
矢野公一『距離空間と位相構造』共立出版、1997年、1.1.1距離関数(p.5)。
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)。