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内積・直交・射影-基本演習md cdd36d5
exercise/math/linear-algebra/inner-products-orthogonality-and-projections.exercise.n.md

内積ないせきinner product直交ちょっこうorthogonal射影しゃえいprojection-基本演習きほんえんしゅう

date2026-07-14document_iddoc_e7e37224d1d66361b4d851136c6b9a5fdescription内積、ノルム、直交、Gram-Schmidt の直交化、射影、最小二乗法を確認する基本演習である。prerequisitesノルムと三角不等式 / 内積空間の基本 / 直交化の基本 / 直交補空間と射影 / 最小二乗法の基本type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/norms-and-triangle-inequality.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/inner-product-space-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/complex-inner-products-and-unitary-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/orthogonalization-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/orthogonal-complements-and-projections.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/least-squares-basics.lecture.n.md
mathlinear-algebraexerciseinner-productprojectionleast-squares

この演習えんしゅうでは、内積ないせきinner productながlength角度かくどangleはかり、直交化ちょっこうかorthogonalization射影しゃえいprojection最小二乗法さいしょうにじょうほうleast squares method計算けいさん意味いみ両方りょうほうから確認かくにんする。

data/lecture/math/linear-algebra/inner-product-space-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/complex-inner-products-and-unitary-matrices.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/orthogonalization-basics.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/orthogonal-complements-and-projections.lecture.n.md

1演習えんしゅう方針ほうしん

内積ないせきinner productは、ベクトル空間くうかんながさと角度かくどれる道具どうぐである。射影しゃえいprojectionは「とどかないてんを、部分空間ぶぶんくうかんsubspaceなかもっとちかてんとす」操作そうさoperationである。この演習えんしゅうでは、計算けいさんまえ直交性ちょっこうせいれいベクトルのあつかいを確認かくにんする。

幾何的きかてき結論けつろんまえに、まず内積ないせきinner product計算けいさんする。ノルムnormx2=x,x からること、直交ちょっこうorthogonal内積ないせき0 であること、射影係数しゃえいけいすうprojection coefficient方向ほうこうベクトルのながさの二乗にじょうることを確認かくにんする。

射影しゃえいprojection最小二乗法さいしょうにじょうほうleast squares methodでは、残差ざんさresidual診断しんだんになる。px部分空間ぶぶんくうかんsubspaceへの射影しゃえいなら、x-p はその部分空間ぶぶんくうかんsubspaceのすべてのベクトルに直交ちょっこうorthogonalする。最小二乗解さいしょうにじょうかい Axb では、これは AT(b-Ax)=0、すなわち正規方程式せいきほうていしき ATAx=ATb としてあらわれる。


2問題もんだい 1

u=(12),v=(3-1)

について、u,vuvもとめ、uv直交ちょっこうorthogonalするかを判定はんていせよ。

2.1解答例かいとうれい

u,v=1·3+2(-1)=1
u=12+22=5,v=32+(-1)2=10

u,v0 なので直交ちょっこうorthogonalしない。

2.2解説かいせつ

内積ないせきinner product0 であることは、角度かくど直角ちょっかくであることをあらわす。ここではあたい1 なので、完全かんぜんには直交ちょっこうorthogonalしていない。直交性ちょっこうせい成分せいぶんcomponentではなく、内積ないせきinner product判定はんていする。


3問題もんだい 2

a=(10),b=(20)

について、a+b=a+b成立せいりつすることを確認かくにんし、なぜ等号とうごう成立せいりつするかを説明せつめいせよ。

3.1解答例かいとうれい

a+b=(30)=3

また a=1b=2 なので、

a+b=3=a+b

である。abおなきなので等号とうごう成立せいりつする。

3.2解説かいせつ

三角不等式さんかくふとうしきは、遠回とおまわりしても直線距離ちょくせんきょりよりみじかくならないことをあらわす。等号とうごう成立せいりつするのは、2 ほんのベクトルがおな方向ほうこう境界例きょうかいれいである。不等式ふとうしきでは等号成立条件とうごうせいりつじょうけんまで確認かくにんする。


4問題もんだい 3

x1=(110),x2=(101)

に Gram-Schmidt の直交化ちょっこうかorthogonalizationおこなえ。

4.1解答例かいとうれい

まず

u1=x1=(110)

とする。つぎに

u2=x2-x2,u1u1,u1u1=(101)-12(110)=(12-121)

である。

4.2解説かいせつ

射影係数しゃえいけいすうでは u1,u1るため、u10確認かくにん必要ひつようである。ここでは u1,u1=20 なのでってよい。直交化ちょっこうかorthogonalizationは、x2 から u1 方向ほうこう成分せいぶんcomponentき、u1垂直すいちょく残差ざんさ操作そうさoperationである。


5問題もんだい 4

y=(21),u=(11)

について、yspan(u) への正射影せいしゃえいもとめよ。

5.1解答例かいとうれい

projuy=y,uu,uu=32(11)=(3232)

5.2解説かいせつ

射影しゃえいprojectionは、yu 方向ほうこう成分せいぶんcomponentと、それに直交ちょっこうorthogonalする残差ざんさ分解ぶんかいする。分母ぶんぼ u,uu0 ならせいである。もし u=0 なら、span(u)零空間れいくうかんだけであり、この公式こうしきは 0 除算じょさんになるので使つかえない。


6問題もんだい 5

A=(11),b=(20)

について、Ax=b最小二乗解さいしょうにじょうかいもとめ、射影しゃえいprojectionとの関係かんけい説明せつめいせよ。

6.1解答例かいとうれい

正規方程式せいきほうていしき

ATAx=ATb

である。ATA=2ATb=2 なので x=1 である。したがって近似きんじベクトルは

Ax=(11)

である。

6.2解説かいせつ

bCol(A)=span((11))ぞくさないので、Ax=b厳密げんみつにはけない。最小二乗法さいしょうにじょうほうleast squares methodは、bもっとちか列空間れつくうかんcolumn spaceてんえら方法ほうほうである。ATA=20 なので、このれいでは正規方程式せいきほうていしき一意いちいける。


7問題もんだい 6

R2

x1=|x1|+|x2|,x=max{|x1|,|x2|}

定義ていぎする。これらがノルムの条件じょうけんたすことを確認かくにんせよ。

7.1解答例かいとうれい

どちらもあたいは 0 以上いじょうであり、0 になるのは x1=x2=0 のときだけである。

スカラーscalar c について

cx1=|c|x1,cx=|c|x

である。

また

x+y1=|x1+y1|+|x2+y2|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]|x1|+|y1|+|x2|+|y2|=x1+y1

である。さらに

|xi+yi|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]|xi|+|yi|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x+y

i=1,2成立せいりつするので、

x+y[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x+y

である。

7.2解説かいせつ

ノルムはながさの抽象化ちゅうしょうかである。かたち標準ひょうじゅんx12+x22ちがっても、非負性ひふせい同次性どうじせいhomogeneity三角不等式さんかくふとうしきたせばノルムである。この問題もんだいは、定義ていぎもどって判定はんていする練習れんしゅうである。


8問題もんだい 7

u=(12),v=(24),w=(1-1)

について、(u,v)(u,w) のそれぞれでコーシー・シュワルツの不等式ふとうしき等号とうごう成立せいりつするかを判定はんていせよ。

8.1解答例かいとうれい

v=2u なので、uv一次従属いちじじゅうぞくlinear dependenceである。したがって

|u,v|=uv

成立せいりつする。

一方いっぽうwu定数倍ていすうばいではないので、uw一次独立いちじどくりつlinear independenceである。したがって等号とうごう成立せいりつしない。

8.2解説かいせつ

コーシー・シュワルツの不等式ふとうしきでは、あたい計算けいさんするだけでなく、等号成立条件とうごうせいりつじょうけん重要じゅうようである。等号とうごうは 2 ほんのベクトルがおな直線ちょくせんうえにあるとき、つまり一次従属いちじじゅうぞくlinear dependenceのときに成立せいりつする。


9問題もんだい 8

U=span{(110),(101)}

とする。y=(1,2,3)TU への正射影せいしゃえいもとめ、U基底きていbasisを 1 つもとめよ。

9.1解答例かいとうれい

u1=(1,1,0)Tu2=(1,0,1)T とし、射影しゃえいprojectionp=au1+bu2 とおく。y-pu1,u2直交ちょっこうorthogonalするので、

2a+b=3,a+2b=4

る。これをくと

a=23,b=53

である。したがって

p=23u1+53u2=(732353)

である。また n=(1,-1,-1)Tu1,u2両方りょうほう直交ちょっこうorthogonalするので、U基底きていbasisとして {n}れる。

9.2解説かいせつ

2 次元じげんdimension部分空間ぶぶんくうかんsubspaceへの射影しゃえいprojectionでは、残差ざんさ部分空間ぶぶんくうかんsubspaceのすべての方向ほうこう直交ちょっこうorthogonalするように係数けいすうcoefficientめる。この問題もんだいは、射影しゃえいprojectionを「ちかてんさがす」問題もんだいから、直交条件ちょっこうじょうけん連立方程式れんりつほうていしき変換へんかんする練習れんしゅうである。


10問題もんだい 9

A=(101112),b=(122)

について、正規方程式せいきほうていしきいて最小二乗解さいしょうにじょうかいもとめ、残差ざんさ列空間れつくうかんcolumn space直交ちょっこうorthogonalすることを確認かくにんせよ。

10.1解答例かいとうれい

ATA=(3335),ATb=(56)

である。したがって

(3335)(αβ)=(56)

くと

α=76,β=12

である。よって最小二乗解さいしょうにじょうかい(7/6,1/2)T である。

残差ざんさ

r=b-A(7612)=(-1613-16)

であり、

ATr=(00)

なので、残差ざんさ列空間れつくうかんcolumn space直交ちょっこうorthogonalする。

10.2解説かいせつ

最小二乗法さいしょうにじょうほうleast squares methodでは、b そのものを列空間れつくうかんcolumn spaceれるのではなく、bもっとちか列空間れつくうかんcolumn spaceてんさがす。残差ざんさ列空間れつくうかんcolumn space直交ちょっこうorthogonalすることが、最短距離さいたんきょりになっている理由りゆうである。


11問題もんだい 10

M=(2001)

により

x,yM=xTMy

定義ていぎする。これが R2内積ないせきinner productであることを確認かくにんせよ。

11.1解答例かいとうれい

M対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrixなので、

x,yM=y,xM

である。また x=(x1,x2)T について

x,xM=2x12+x22

であり、これはつねに 0 以上いじょうで、0 になるのは x=0 のときだけである。加法性かほうせいadditivity同次性どうじせいhomogeneity行列積ぎょうれつせき分配法則ぶんぱいほうそくからしたがう。したがって内積ないせきinner productである。

11.2解説かいせつ

標準内積ひょうじゅんないせきだけが内積ないせきinner productではない。正定値せいていちpositive definite対称行列たいしょうぎょうれつsymmetric matrix使つかうと、方向ほうこうごとのおもみをえた内積ないせきinner productつくれる。


12問題もんだい 11

N=(100-1)

により xTNy定義ていぎしたものが内積ないせきinner productではないことを説明せつめいせよ。

12.1解答例かいとうれい

e2=(0,1)T とすると、

e2TNe2=-1

である。内積ないせきinner productなら x,x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 でなければならないので、これは正定値性せいていちせいはんする。したがって内積ないせきinner productではない。

12.2解説かいせつ

双線型そうせんけいえるしきでも、ながさの二乗にじょう対応たいおうする x,xになるなら内積ないせきinner productではない。内積ないせきinner product判定はんていでは、正定値性せいていちせい境界例きょうかいれいかなら確認かくにんする。


13順序上じゅんじょじょう注意ちゅうい複素内積ふくそないせきcomplex inner product

つぎ問題もんだいは、後続こうぞく複素内積ふくそないせきcomplex inner productとユニタリ行列ぎょうれつ (unitary matrix) の演習えんしゅうへの先取さきどりである。ここで使つか最小限さいしょうげん事実じじつは、複素内積ふくそないせきcomplex inner productでは共役対称性きょうやくたいしょうせいconjugate symmetryにより z,z が 0 以上いじょう実数じっすうreal numberにならなければならない、というてんである。

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14問題もんだい 12

C

(z,w)=zw

定義ていぎしたものが、複素内積ふくそないせきcomplex inner productではないことを説明せつめいせよ。

14.1解答例かいとうれい

z=i とすると、

(i,i)=i2=-1

である。複素内積ふくそないせきcomplex inner productなら z,z は 0 以上いじょう実数じっすうreal numberでなければならない。したがって、この定義ていぎ複素内積ふくそないせきcomplex inner productではない。

14.2解説かいせつ

複素ふくそcomplex場合ばあい共役きょうやくわすれると、ながさの二乗にじょうになったり複素数ふくそすうcomplex numberになったりする。複素内積ふくそないせきcomplex inner product共役対称性きょうやくたいしょうせいconjugate symmetry要求ようきゅうする理由りゆうはここにある。


15問題もんだい 13

u=(10),v=(01),w=(20)

について、u+v<u+vu+w=u+w確認かくにんし、等号とうごう成立せいりつする場合ばあい成立せいりつしない場合ばあいちがいを説明せつめいせよ。

u+v=(11)=2<2=u+v

である。一方いっぽう

u+w=(30)=3=u+w

である。uv直交ちょっこうorthogonalしており、おな方向ほうこういていない。uwせい定数倍ていすうばい関係かんけいにあるため、おなきの直線上ちょくせんじょうならぶ。

この問題もんだいは、三角不等式さんかくふとうしきtriangle inequality境界例きょうかいれい確認かくにんする。れいベクトルをのぞけば、等号とうごうは 2 ほんのベクトルがせい定数倍ていすうばいになっている場合ばあいあらわれる。きがちが場合ばあいは、せんながさが直線距離ちょくせんきょりよりながくなる。


18証明しょうめい演習えんしゅう:Cauchy-Schwarz と射影しゃえい最小性さいしょうせい

18.1問題もんだい

この証明しょうめい演習えんしゅうでは実内積空間じつないせきくうかんreal inner product space限定げんていする。複素内積ふくそないせきcomplex inner product場合ばあい共役きょうやく位置いち必要ひつようがあるため、後続こうぞく複素内積ふくそないせき演習えんしゅうあつかう。

Cauchy-Schwarz の不等式ふとうしき証明しょうめいせよ。また、v-pU なら pUvもっとちかてんであることを証明しょうめいせよ。

18.2解答かいとう

v0 のとき、t=u,v/v,v とおく。v0 なので分母ぶんぼは 0 ではない。0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u-tv2展開てんかいすると

|u,v|2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u2v2

る。

とくu0 で、yspan(u) への射影しゃえい

p=y,uu,uu

とおくと、y-pu である。任意にんいcuspan(u) について

y-cu=(y-p)+(p-cu)

であり、ふたつのこう直交ちょっこうする。したがって

y-cu2=y-p2+p-cu2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]y-p2

となり、pspan(u)なかyもっとちかい。

つぎに、任意にんいqU について

v-q=(v-p)+(p-q)

であり、ふたつのこう直交ちょっこうする。よって

v-q2=v-p2+p-q2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]v-p2

である。

18.3解説かいせつ

Cauchy-Schwarz は内積ないせきながさで評価ひょうかする定理ていりであり、射影しゃえい最小性さいしょうせい直交ちょっこう最短距離さいたんきょりめることをべている。


19補強問題ほきょうもんだい最小二乗法さいしょうにじょうほうleast squares method正規方程式せいきほうていしきnormal equation

19.1問題もんだい 14

実行列じつぎょうれつ A とベクトル b について、xAxb最小二乗解さいしょうにじょうかいleast-squares solutionであることと、残差ざんさresidual r=b-AxCol(A)直交ちょっこうorthogonalすること、すなわち ATr=0 であることが同値どうちequivalentであることを証明しょうめいせよ。

19.2解答例かいとうれい

任意にんい摂動せつどう hたいして、

b-A(x+h)=r-Ah

である。誤差ごさ二乗にじょう

r-Ah2=r2-2r,Ah+Ah2

である。もし rCol(A) なら、任意にんいh について r,Ah=0 なので、誤差ごさr2 以上いじょうである。ぎゃくに、x誤差ごさ最小さいしょうにするなら、一変数関数いちへんすうかんすう r-tAh2t=0微分係数びぶんけいすう 0 をつ。したがって任意にんいh について r,Ah=0 であり、これは ATr=0同値どうちequivalentである。

19.3解説かいせつ

正規方程式せいきほうていしきnormal equationは、「残差ざんさresidual列空間れつくうかんcolumn space直交ちょっこうorthogonalする」という幾何的条件きかてきじょうけん代数的だいすうてきかたちである。

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