n次元数ベクトル空間における変分ノルムと距離空間 : トピック一

・定義:Rn上の変分ノルムノルムから定められる距離 
・性質:ノルム空間と距離空間、 

※計量実ベクトル空間関連ページ:内積・計量実ベクトル空間の定義/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/直交補空間 


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定義:実n次元数ベクトル空間における変分ノルム   

  [神谷浦井『経済学のための数学入門』§3.2.3例3.2.1(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2(p.278);]
(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  
(本題)
1. 任意のn次元数ベクトルv=( v1, v2, , vn )n にたいして、
  ‖
v1=v1v2+…+vn  (右辺の+は、実数の足し算。) 
 と定義する。
2. 上記の‖v1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xnにたいして、‖x1≧0 であって、      
                   ‖
x1=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、(xn) ( ( x1≧0 ) かつ (x1=x=) ) 
              あるいは、
(xn) ( ( x1≧0 ) かつ (xx1>) )  
 
(2) 線形性 任意のxn任意の実数aにたいして、‖ax1=ax1  
          
論理記号で表すと、(xn) (aR) (ax1=ax1 ) 
 
(3) 三角不等式 任意のx,ynにたいして、‖xy1≦‖x1+‖y1 
              ※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) ( xy1≦‖x1+‖y1 ) 
3. 上記の‖v1を、変分ノルムと呼ぶ。
4. 変分ノルムをノルムとして指定してやることによって、
 
ノルム空間 n , 1 )を設定することができる。  
→[トピック一覧:ノルム空間]
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トピック一覧:ノルム空間 
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定義:変分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  
x1n次元数ベクトル空間Rnにおける変分ノルム   
(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、
    
d1(x, y) = xy1   
 とおくと、
d1(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()。
    
d1(x, y) は、ノルムから定められた距離の定義を満たす(∵変分ノルムノルムの定義を満たす)。
    したがって、
d1(x, y) は、距離の定義を満たす。  
d1(x, y)=xy1 を、変分ノルムから定められる距離という。
d1(x, y)=x1y1x2y2+…+xnyn  となる。
  なぜなら、
  
d1(x, y)=xy1 =( x1, x2, , xn )( y1, y2, , yn )1 
     =
( x1, x2, , xn )( y1, y2, , yn )1  ∵逆ベクトルの定義 
     =
( x1y1, x2y2, , xnyn )1  ∵ベクトル和の定義 
     =
x1y1x2y2+…+xnyn  ∵変分ノルムの定義 



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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  
x1Rnにおける変分ノルム 
n , 1 ):変分ノルムノルムとして指定した、ノルム空間  
(本題)
n次元数ベクトル空間Rnノルムとして変分ノルム 1 が指定され、
 
ノルム空間n , 1 )が設定されているならば、  
 
n次元数ベクトル空間Rnの距離を、「変分ノルムから定められる距離d1 によって定義することによって、 
 
距離空間Rn,d1 )を設定することができる。
 つまり、
 「
変分ノルムから定められる距離」によって、ノルム空間Rn, 1)はいつでも距離空間Rn,d1 )と見なせる。 

(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)。