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線型結合と張る空間の基本md 88b74c7
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線型結合せんけいけつごうlinear combination空間くうかん基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_98dfd2e7cd6a1b242c8d9e5430620a08description線型結合、張る空間、部分空間を具体的なベクトル計算から導入し、基底・階数・列空間へ進む前提を作る講義である。prerequisitesベクトルの基本演算 / 一次方程式の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/vector-operations.lecture.n.md / data/lecture/math/vector/zero-opposite-vectors-and-standard-basis.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-systems-and-augmented-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/column-independence-and-rank.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/vector-spaces-and-bases.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/vectors-and-linear-combinations.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎ重要じゅうようなのは、線型結合せんけいけつごうlinear combinationは、あたえられたベクトルを材料ざいりょうにして到達可能とうたつかのう方向ほうこうつく操作そうさoperationであるということである。

基底きていbasis階数かいすうrank理解りかいするには、まず「どのベクトルをわせると、どの範囲はんいまで到達とうたつできるか」を確認かくにんする必要ひつようがある。

2用語ようご定義ていぎ

たい K じょうのベクトル空間くうかんかんがえる。ベクトル v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vk とスカラー c1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],ckKたいして

c1v1++ckvk

線型結合せんけいけつごうLinear combinationという。

空間くうかんSpan とは、すべての線型結合せんけいけつごうlinear combinationられる集合しゅうごうsetである。

span(v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vk)={c1v1++ckvkc1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],ckK}

部分空間ぶぶんくうかんSubspace とは、れいベクトルをふくみ、とスカラーばいじているベクトル集合しゅうごうsetである。空間くうかんは、材料ざいりょうベクトルをふく最小さいしょう部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。

なぜ span(v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vk)部分空間ぶぶんくうかんsubspaceになるかを確認かくにんしておく。まず c1==ck=0ればれいベクトルがはいる。つぎに

x=i=1kaivi,y=i=1kbivi

が span にぞくするとき、

x+y=i=1k(ai+bi)vi

おな材料ざいりょうベクトルの線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。また、スカラー rK について

rx=i=1k(rai)vi

も span にぞくする。したがって、span はれいベクトル、、スカラーばいたも集合しゅうごうsetであり、部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。

3方針ほうしん

2 ほんのベクトルからはじめ、係数けいすうcoefficient変化へんかさせるとどの範囲はんいられるかを確認かくにんする。そのあと、れつベクトルcolumn vectorならべた行列ぎょうれつmatrix判定はんていする方法ほうほう接続せつぞくする。

data/lecture/math/linear-algebra/vector-operations.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

1 ぽん非零ひぜろベクトルを定数倍ていすうばいすると、原点げんてんとおる 1 ぽん直線ちょくせんられる。2 ほんきがことなるベクトルをわせると、平面へいめん全体ぜんたいつくれる場合ばあいがある。

線型結合せんけいけつごうlinear combinationは、材料ざいりょうベクトルから作成可能さくせいかのう全体ぜんたい調査ちょうさする操作そうさoperationである。

空間くうかんたんなるてんあつまりではない。れいベクトルをふくみ、とスカラーばいじるため、部分空間ぶぶんくうかんsubspaceになる。この性質せいしつにより、列空間れつくうかんcolumn space基底きていbasisおな言葉ことば記述きじゅつできる。

5厳密げんみつ説明せつめい

v1=(1,0)Tv2=(0,1)T とする。このとき

av1+bv2=(a,b)T

である。a,b自由じゆう選択せんたくできるため、R2任意にんいのベクトルを表現ひょうげんできる。

一方いっぽうw1=(1,1)Tw2=(2,2)T では

aw1+bw2=(a+2b)(1,1)T

であり、られるのは直線ちょくせんだけである。2 ほんあっても、方向ほうこう重複ちょうふくしていれば平面へいめん全体ぜんたいれない。

6よくある誤解ごかい

  • ベクトルの本数ほんすうおおければひろ空間くうかんるとはかぎらない。方向ほうこう重複ちょうふく重要じゅうようである。
  • 線型結合せんけいけつごうlinear combinationでは、係数けいすうcoefficient任意にんい選択せんたくする。特定とくてい係数けいすうcoefficient 1 くみだけを考察こうさつしてはならない。
  • 空間くうかん材料ざいりょうベクトルの配置はいち決定けっていされる。

7なぜ空間くうかん部分空間ぶぶんくうかんsubspace

材料ざいりょうベクトルを v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vk とする。まず、すべての係数けいすうcoefficientを 0 にすれば、

0=0v1++0vk

となるため、れいベクトルは空間くうかんふくまれる。つぎに、

x=i=1kaivi,y=i=1kbivi

がどちらも空間くうかんぞくするとする。このとき、

x+y=i=1k(ai+bi)vi

であり、これもおな材料ざいりょうベクトルの線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。したがって、空間くうかん加法かほうadditionじている。さらに、スカラーscalar rたいして、

rx=i=1k(rai)vi

であるため、スカラー倍scalar multiplicationでもじている。ゆえに、空間くうかん部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。

8具体例ぐたいれい

v1=(1,0)Tv2=(0,1)T とすると、

av1+bv2=(a,b)T

であるため、R2 全体ぜんたいられる。一方いっぽうw1=(1,1)Tw2=(2,2)T なら

aw1+bw2=(a+2b)(1,1)T

となり、空間くうかん(1,1)Tとお直線ちょくせんだけである。

9定理ていり証明しょうめい空間くうかん最小さいしょう部分空間ぶぶんくうかんsubspace

S={v1,,vk} とする。span(S)Sふく部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。もし USふく部分空間ぶぶんくうかんsubspaceなら、U線型結合せんけいけつごうlinear combinationじているため、a1v1++akvk をすべてふくむ。よって

span(S)U

であり、空間くうかん最小さいしょう部分空間ぶぶんくうかんsubspaceである。

10よくある誤解ごかい

  • ベクトルの本数ほんすうおおくても、重複ちょうふくした方向ほうこうあたらしい範囲はんいやさない。
  • 線型結合せんけいけつごうlinear combination係数けいすうcoefficient固定こていではなく任意にんいうごかす。
  • 空間くうかんとスカラーばいじた対象たいしょうである。

11どこまで成立せいりつするか

線型結合せんけいけつごうlinear combination定義ていぎ任意にんいのベクトル空間くうかん成立せいりつする。多項式たこうしき関数かんすうにおいても、とスカラーばい定義ていぎされていればおなかんがえをもちいる。

12最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]span(v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vk)={c1v1++ckvk}
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]張る空間は到達可能な線型結合全体である
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]span(v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vk)は部分空間である

13定理ていり証明しょうめい空間くうかん最小さいしょう部分空間ぶぶんくうかんである

S={v1,,vk} とする。このとき

span(S)={a1v1++akvkaiF}

Sふく最小さいしょう部分空間ぶぶんくうかんである。

まず、span(S)線型結合せんけいけつごうじている。ふたつのげん

x=iaivi,y=ibivi

ると、任意にんいスカラーscalar c,d について

cx+dy=i(cai+dbi)vi

なので、これも S線型結合せんけいけつごうである。したがって部分空間ぶぶんくうかんである。

つぎに、USふく任意にんい部分空間ぶぶんくうかんとする。U線型結合せんけいけつごうじているので、v1,,vk のすべての線型結合せんけいけつごうふくむ。よって span(S)U である。

したがって、span(S)S から線型結合せんけいけつごうだけでつくれる最小さいしょう線型世界せんけいせかいである。

14演習えんしゅうリンク

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