実2次元数ベクトル空間の定義 ― トピック一覧 |
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・定義:実2次元数ベクトル・第i成分・スカラー / R2/基本ベクトル/零ベクトル 実2次元数ベクトル空間・ベクトル和・スカラー倍/逆ベクトル ・定理:数ベクトル空間のベクトル和の性質/数ベクトル空間のスカラー乗法の性質/数ベクトル空間はベクトル空間の一例 零ベクトルのスカラー倍/ベクトルのスカラー0倍 |
※実2次元数ベクトル空間関連ページ:線形結合/一次独立・一次従属/線形結合と線形独立・従属の関係/基底/次元/部分ベクトル空間 ※上位概念:一般のベクトル空間/実ベクトル空間/ 一般の体上の数ベクトル空間/実n次元数ベクトル空間Rn ※線形代数目次・総目次 |
定義:実2次元数ベクトル・2次元実ベクトル・2項実ベクトル、第i成分i-th component 、スカラー | ||||||
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設定 |
R:実数体(実数をすべて集めた集合)
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[文献―R2限定] ・川久保『線形代数学』1.1(pp.1-2); ・志賀『線形代数30講』4講(pp.22-23);5講(pp.29-30); ・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2) ・戸田山田『計量経済学の基礎:統計的手法の理論とプログラミング』2.4.1(p.72) ・佐和『回帰分析』2.1.2(p.16); ・グリーン『計量経済分析』2.4.1(p.22); ・二階堂『経済のための線型代数』I§1-注意2(p.20)。; [文献] ・藤原『線形代数』1.1(p.4); ・草場『線形代数』2.3(p.39); ※実2次元数ベクトルの一般化1:実n次元数ベクトル/n次元数ベクトル ※実n次元数ベクトルの一般化2:実行列/体上の行列 |
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定義1 |
・実2次元数ベクトルとは、 実数を2個並べたもの すなわち、 実数体Rから2個の実数x,yをとって順序をつけた順序対 v= (x,y) ただし、x∈Rかつy∈R のこと。 ・つまり、実2次元数ベクトルとは、 実n次元数ベクトルで、次数nを2としたもの である。 |
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定義2 |
上記のxをベクトルvの第1成分、 上記のyをベクトルvの第2成分 と呼ぶ。 |
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図示 | ||||||
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定義4 |
実2次元横ベクトル・2項実行ベクトルとは、 ( x,y )のように実数を横に並べた2次元実ベクトルのこと。 実2次元縦ベクトル・2項実列ベクトルとは、
横ベクトルと縦ベクトルの違いは、行列との演算において意味をもつ。 ※縦ベクトルを、実際に縦に並べて表記する代わりに、行列の転置記号を用いて、 横ベクトルの転置 t (x,y) と表すことが多く見られる。 書籍等では、 縦ベクトルを実際に縦に並べて表すと、 スペースを費やし、ページが増えて、印刷コストがかさむ といった理由から、 webでは、テキストだけで、縦ベクトルを縦に並べて表すのは難しい、 といった理由から、 縦ベクトルを実際に縦に並べることを避ける傾向にある。 |
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定義5 |
実数体Rからつくった上記の実ベクトルに対して、 「実数体Rの元」そのもの、すなわち実数をスカラーと呼ぶ。 |
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※ |
実2次元数ベクトルの上位概念:実n次元数ベクトル |
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※ |
ここで「実2次元数ベクトル」というときの「2次元」のは、単に、「2個並べた」という意味。 基底を構成するベクトルの個数として定義される「ベクトル空間の次元」とは、とりあえず無関係。 |
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※ |
用語が統一されていない。 ・「実2次元数ベクトル」の名称を用いるテキスト→永田『理系のための線形代数の基礎』1.2(p.8); ・「2項実ベクトル」の名称を用いるテキスト→斎藤『線形代数入門』2章§1(p.31); ・「2次元実ベクトル」の名称を用いるテキスト→藤原『線形代数』1.1(p.4); ・以上の名称の使用を回避し、実数を成分とした数ベクトルなどとしているテキスト →佐武『線形代数学』;志賀『線形代数30講』5講(p.28);13講(p.83);14講(p.88); ・このように様々な名称が案出されるのは、 単に、「実ベクトル」というと、実ベクトル空間一般のベクトルを指す可能性があるため? |
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定義:ベクトルの相等 | ||
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実2次元数ベクトルu,vについてu=v(実2次元数ベクトルu, v が等しい) とは、 実2次元数ベクトルu,vの各成分の値が等しいことをいう。 すなわち、 u =(xu, yu) , v =(xv, yv)について、u=vとは、 xu=yuかつxv=yv であることをいう。 |
[文献―R2限定] ・川久保『線形代数学』1.1(p.2) [文献] ・二階堂『経済のための線型代数』I§1(pp.18-9)。 |
定義:R2 | ||
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設定 |
R:実数体(実数をすべて集めた集合)
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[文献―R2限定] |
定義 |
・R2は、実2次元数ベクトルをすべて集めた集合を指す。 ・実2次元数ベクトルの定義に遡れば、 R2は、実数の順序対をすべて集めた集合とも言いかえられる。 ・これを直積の概念を使って、言い表せば、 R2とは、RとRの直積:R×R のことである。 すなわち、 R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } ・実2次元数ベクトルを図式化するとき、 実2次元数ベクトルは、x-y座標平面上にプロットされるが、 このx-y座標平面の全体が表しているのが、R2に他ならない。 |
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※ |
R2にベクトル和とスカラー乗法という演算を定義したものが、 実2次元数ベクトル空間。 |
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定義:2次元零ベクトル | ||
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設定 |
R:実数体(実数をすべて集めた集合)
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[文献―R2限定] ・川久保『線形代数学』1.2(p.6) ・志賀『線形代数30講』5講(p.29); ・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2) [文献] ・二階堂『経済のための線型代数』I§1(p.19) 。; ・戸田山田『計量経済学の基礎:統計的手法の理論とプログラミング』2.1.2(p.49) ※実2次元零ベクトルの一般化:実n次元零ベクトル |
定義 |
実数体Rにおける加法の単位元「0」を2個並べた 0= ( 0, 0 ) を、2次元の零ベクトルと呼ぶ。 |
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確認 |
実数体Rにおける加法の単位元0は、当然0∈R 。 |
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図解 | 2次元零ベクトル0= ( 0, 0 )は、 x-y座標平面上に、以下のように図示できる。 ![]() |
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定義:基本ベクトル | ||
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設定 |
R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトルをすべて集めた集合。 すなわち、R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } |
[文献―R2限定] ・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2) ※実2次元基本ベクトルの一般化:実n次元基本ベクトル |
本題 |
R2における基本ベクトルとは、 ![]() e2=(0,1) ![]() |
性質 |
基本ベクトルの一次結合、基本ベクトルは一次独立、基本ベクトルは基底をなす
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定義:実2次元数ベクトル空間・ベクトルの加法・スカラー乗法 | ||
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設定 |
R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトルをすべて集めた集合。 すなわち、R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } |
[文献―R2限定] ・川久保『線形代数学』1.2(pp.3-5) ・志賀『線形代数30講』5講(pp.28-9);5講(p.30);6講(p.37); ・志賀『固有値問題30講』1講(pp.1-2) ・戸田山田『計量経済学の基礎:統計的手法の理論とプログラミング』2.4.1(p.72) ・グリーン『計量経済分析』2.4.1(p.22); ・二階堂『経済のための線型代数』I§1-注意2(p.20)。; [文献] 草場『線形代数』2.3(p.39) ホフマン『線形代数学I』2.1-例1(p.29); 二階堂『経済のための線型代数』I§1(pp.18-9) ※実2次元数ベクトル空間の一般化: 実n次元数ベクトル空間/数ベクトル空間/実ベクトル空間/ベクトル空間 |
本題 |
実2次元数ベクトル空間とは、 集合R2に、次の2つの演算を定義したもののこと。 (演算1:ベクトルの加法) 任意のu=(xu, yu)∈R2 と、任意のv =(xv, yv)∈R2に対して、 そのベクトル和u+vを、次のように定義する。 u+v=(xu, yu)+(xv, yv)=( xu+xv, yu+yv ) ※最右辺の+は、実数体Rに定められている加法を指す。 (演算2:スカラー乗法) Rの任意の元aと、R2の任意の元v=(x,y)に対して、 そのスカラー倍avを、次のように定義する。 av=a(x,y)=( ax,ay ) ※最右辺のax,ayは、実数体Rに定められている乗法を指す。 |
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図解 | [スカラー倍の図解] |
x-y平 面上において、 《v=(x,y)のス カラーa倍》av=( ax,ay )は、 原点(0,0)と(x,y)と を結ぶ直線上にあって、 (0,0)から、《(0,0)と(x,y)と の間の距離》のa倍の距離に位置する点として示される。 なお、このとき、 aが正ならば、av=(ax,ay)は、v=(x,y)と 同じ側にあるが、 aが負ならば、av=(ax,ay)は、原点をはさんで、v=(x,y)と 反対側に位置する。 |
図解 | x-y座標平 面上において、 ベクトル和u+v=(xu, yu)+(xv, yv)=( xu+xv, yu+yv ) は、どのように、表されるか? step1: 原点(0,0)とu=(xu, yu) とを線分で結ぶ。 step2: 原点(0,0)とv=(xv, yv) とを線分で結ぶ。 step3: 上記二つの線分を二辺とする平行四辺形、 つまり、原点,u,vを頂点とする平行四辺形を描く。 具体的には、 ・線分「原点(0,0)―u」と平行に、vを起点とする線分を描く。 ・線分「原点(0,0)―v」と平行に、uを起点とする線分を描く。 step4: 上記の平行四辺形において、原点と向き合う頂点が、 ベクトル和u+v=(xu, yu)+(xv, yv)=( xu+xv, yu+yv ) である。 ただし、 ・原点(0,0)、u=(xu,yu) 、v=(xv,yv) が 同一直線上かつ同一象限にある場合は、 その直線上で、原点-u間の距離と、原点-v間の距離を足した位置 ・原点(0,0)、u=(xu,yu) 、v=(xv,yv) が 同一直線上にはあるが、異なる象限に位置している場合は、 u,vのうち原点から遠いほうから、 u,vのうち原点から近いいほうの原点との距離だけ、 原点との直線上を、原点へ戻った位置 が、ベクトル和u+vとなる。 |
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※ |
ここで「実2次元数ベクトル空間」というときの「2次元」は、単に、数を「2個並べた」という意味。 基底を構成するベクトルの個数として定義される「ベクトル空間の次元」とは、とりあえず無関係。 数を「2個並べた」ベクトルの集合に上記の演算を定義しただけの「2次元数ベクトル空間」が、 ベクトル空間になるかどうか、そのベクトル空間としての次元が2次元であるかどうかは、 別に説明を要す。 →実2次元数ベクトル空間がベクトル空間になることの証明 →実2次元数ベクトル空間のベクトル空間としての次元が2次元であることの証明 |
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※ |
このように定義すると、 「任意のu,v∈R2に対して、u+v∈R2」「任意のa∈R, v∈R2に対して、av∈R2」となる。 なぜなら、 (step1) 実数体Rの定義より、 実数体Rは、加法, 乗法という二項演算が定められた代数系である。 したがって、二項演算の定義から、 p,q∈Rを満たす限りで任意の(p,q)にたいして、p+q∈R, pq∈Rが定められていることになる。 (step2) R2は、{ (x,y)|x∈Rかつy∈R }と定義されたから、 任意のu=(xu,yu)∈R2と、任意のv=(xv,yv)∈R2に対して、 xu,yu,xv,yv∈Rである。 (step3) 任意のu=(xu,yu)∈R2と、任意のv=( xv,yv )∈R2に対して、 step1, step2より、 xu+xv∈R, yu+yv ∈R となるから、 u+v=(xu+xv, yu+yv)は、 R2={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に属す。 (step4) 任意のa∈Rと、任意のv=( xv,yv )∈R2に対して、 step1, step2より、 axv∈R, ayv∈R となるから、 av=( axv, ayv )は、 R2={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に属す。 |
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※ | 実2次元数ベクトル空間の上位概念:実n次元数ベクトル空間/数ベクトル空間/実ベクトル空間/ベクトル空間 | |
※ |
・実2次元数ベクトル空間はベクトル空間の一例→詳細 ・実ベクトル空間が実n次元数ベクトル空間と同型となるための条件:有限次元実ベクトル空間であること |
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※ |
実n次元数ベクトル空間の下位概念:内積空間・ノルム空間・ユークリッド空間
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定義:逆ベクトル | |||
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設定 | R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトル空間。 すなわち、 R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 |
[文献―R2限定] ・川久保『線形代数学』1.2(p.6) ・戸田山田『計量経済学の基礎:統計的手法の理論とプログラミング』2.4.1(p.72) ※実n次元数ベクトルの逆ベクトル | |
定義 |
・v=( x,y )∈R2の逆ベクトル−vとは、 v=( x,y )∈R2を、「−1」によってスカラー倍したもの。 すなわち、 −v=(-1)v=(-1)(x,y )=( (-1)x,(-1)y )=( -x,-y ) | ||
性質 |
「任意のa∈R, v∈R2に対して、av∈R2」だから(∵)、 −v=(-1)v=∈R2 |
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定理:実2次元数ベクトル空間におけるベクトルの加法の性質 | |||
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設定 |
R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトル空間。 すなわち、 R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 |
[文献―R2限定] [文献] |
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1. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+は、 「結合則:( ∀u,v,w∈Rn) ( ( u+v )+w = u+( v+w ) )」を満たす。 |
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2. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+と、 R2における2次元零ベクトル0=(0,0)は、 任意のv∈R2にたいして、 v+0= v を満たす。 |
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3. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+は、 任意のv∈R2 にたいして、 v+(−v)=0 を満たす。 |
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4. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているベクトルの加法+は、 「可換則:( ∀u,v∈R2 ) (u+v =v+u )」を満たす。 |
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証明1 | |||
証明2 | |||
証明3 | |||
証明4 |
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定理:実2次元数ベクトル空間におけるスカラー乗法の性質 | |||
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設定 | R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトル空間。 すなわち、 R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 |
[文献―R2限定] |
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1. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法と、 実数体R上で定義された乗法の単位元"1" は、 任意のv∈R2に対して、1v=v を満たす。 |
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2. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法は、 結合則:任意のa,b∈Rと、任意のv∈R2に対して、(ab)v=a(bv) を満たす。 |
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3. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法とベクトルの加法+は、 ベクトルに関する分配則:任意のa∈Rと、任意のu,v∈R2に対して、a(u+v)=au+av を満たす。 |
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4. |
実2次元数ベクトル空間R2において定義されているスカラー乗法とベクトルの加法+は、 スカラーに関する分配則:任意のa,b∈Rと、任意のv∈R2に対して、(a+b)v=av+bv を満たす。 |
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証明1 | |||
証明2 | |||
証明3 | |||
証明4 |
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定理:実2次元数ベクトル空間は実ベクトル空間・ベクトル空間の一例である。 | |||
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設定 | R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトル空間。 すなわち、 R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 |
[文献] |
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本題 |
実2次元数ベクトル空間R2は、 |
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なぜ? |
・実数体Rは、体Kの一具体例である。
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定理:零ベクトルのスカラー倍 | ||
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設定 |
R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトル空間。 すなわち、 R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 0:R2上の零ベクトル。 a:スカラー。つまり、a∈R |
・佐武『線形代数学』T§1(p.3); ※一般化:実n次元数ベクトル空間のケース |
本題 |
零ベクトルのスカラー倍は、すべて、零ベクトル。 つまり、任意のa∈Rにたいして、a0=0 |
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定理:ベクトルのスカラー0倍 | ||
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設定 | R:実数体(実数をすべて集めた集合) R2:実2次元数ベクトル空間。 すなわち、 R2=R×R={ (x,y)|x∈Rかつy∈R } に、ベクトルの加法とスカラー乗法を定義したもの。 0:R2上の零ベクトル。 a:スカラー。つまり、a∈R |
[文献] ・佐武『線形代数学』T§1(p.3); ※一般化:実n次元数ベクトル空間のケース |
本題 |
任意の実2次元数ベクトルのスカラー0倍は、すべて、零ベクトル。 すなわち、任意のv∈R2 にたいして、0v=0 |
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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210線形空間(pp.570-576)
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、2.1ベクトル空間(pp.28-34)。
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、1.3ベクトル空間(pp.14-6)。
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.115)。
砂田利一『現代数学への入門:行列と行列式』2003年、§5.1-b(p.155).
志賀浩二『数学30講シリーズ:線形代数30講』朝倉書店、1988年、13講ベクトル空間へ(p.83);14講ベクトル空間の例と基本概念(p.88)。
藤原毅夫『理工系の基礎数学2:線形代数』岩波書店、1996年、1.1ベクトルとベクトルの演算(p.4)、4.1線形空間と写像(p.91)。
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、§3.1ベクトル空間とは何か(p.105)。
西村和雄『経済数学早わかり』日本評論社、1982年、2章線形代数§1ベクトル(pp.26-)。
Chiang, Fundamental Methods of Mathematical Economics: Third Edition, McGraw Hill,1984,1.
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、2.4基底と次元(pp.36-41)。
高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、1.2V定義1.2.2(p.10)。
二階堂副包『経済のための線型代数』培風館、1961年、I§1(pp.18-9)。
数理統計学のテキスト
William H. Greene(斯波・中妻・浅井訳) 『経済学体系シリーズ:グリーン計量経済分析I:改訂4版』エコノミスト社、2000年、第2章行列代数2.2行列の用語(pp.10-12);2.3行列の算法(pp.12-21)。
岩田暁一『経済分析のための統計的方法(第2版)』東洋経済新報社、1983年、12.1行列の演算(pp.269-277);12.4.2逆行列(pp.294-5)。
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