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内積空間の基本md 5130876
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内積空間ないせきくうかんinner product space基本きほん

mathlinear-algebraundergraduatelecture

Basics of inner product spaces内積空間ないせきくうかん

1導入どうにゅう

この講義こうぎ中心ちゅうしん発想はっそうは、内積ないせきinner product導入どうにゅうすると、ただのベクトル空間くうかんながさと角度かくど概念がいねんくわわり、直交ちょっこうorthogonal最短さいたんといった幾何学的きかがくてき概念がいねんあつかえるようになることである。

ベクトル空間くうかんvector spaceだけでは、「加法かほうaddition可能かのうである」「実数じっすうreal numberばい可能かのうである」という代数的だいすうてき構造こうぞうstructureしか存在そんざいしない。しかし内積ないせきinner productがあると、「この 2 つはどれだけおなきをいているか」「このながさはどれくらいか」を数値すうちnumber表現ひょうげんできる。ここから直交基底ちょっこうきていorthogonal basis最小二乗法さいしょうにじょうほうleast squares method接続せつぞくする。

1Introduction

The central point of this lecture is that introducing an inner product内積ないせき adds length長さ and angle角度かくど to an ordinary vector spaceベクトル空間くうかん. Once this structure構造こうぞう is present, we can discuss orthogonality直交ちょっこう, shortest distance, orthogonal bases直交基底ちょっこうきてい, and the least squares method最小二乗法さいしょうにじょうほう.

A vector space by itself only has addition加法かほう and scalar multiplicationスカラー倍. An inner product lets us measure how much two vectors point in the same direction and how long a vector is.

2用語ようご定義ていぎ

内積空間ないせきくうかんInner product space とは、ベクトル空間くうかんvector space内積ないせきinner product定義ていぎされたものである。

実内積じつないせきReal inner product とは、2 つのベクトル u,v実数じっすうreal number u,v対応たいおうさせ、双線型性そうせんけいせい対称性たいしょうせい正定値性せいていちせいたす写像しゃぞうmapである。

複素内積ふくそないせきComplex inner product とは、複素ふくそcomplexベクトル空間くうかんvector space共役対称性きょうやくたいしょうせいconjugate symmetry半線型性はんせんけいせいsemilinearityふく内積ないせきinner productである。このノートではだい 1 変数へんすうvariable線型せんけいだい 2 変数へんすうvariable共役線型きょうやくせんけいconjugate-linearとする。

エルミート内積ないせきHermitian inner product は、複素内積ふくそないせきComplex inner productとほぼおな意味いみ使つかわれる用語ようごである。以後いご共役転置きょうやくてんちconjugate transpose随伴ずいはんadjoint、ユニタリ行列ぎょうれつ (unitary matrix)では、この規約きやく前提ぜんていになる。

ノルムNorm とは、内積ないせきinner productから

v=v,v

定義ていぎされるながさである。

2Terms and definitions

An inner product space内積空間ないせきくうかん is a vector spaceベクトル空間くうかん equipped with an inner product内積ないせき.

A real inner product実内積じつないせき assigns a real number実数じっすう u,v to two vectors and satisfies bilinearity双線型性そうせんけいせい, symmetry対称性たいしょうせい, and positive definiteness正定値性せいていちせい.

A complex inner product複素内積ふくそないせき on a complex複素ふくそ vector space uses conjugate symmetry共役対称性きょうやくたいしょうせい and sesquilinearity半線型性はんせんけいせい. In this series, the first variable変数へんすう is linear線型せんけい and the second variable is conjugate-linear共役線型きょうやくせんけい.

A Hermitian inner productエルミート内積ないせき is another name for the complex inner product used with conjugate transpose, adjoints, and unitary matrices.

The normノルム induced by an inner product is

v=v,v.

3方針ほうしん

まず高校こうこう内積ないせきinner product u·v で、どの性質せいしつながさや直交ちょっこうorthogonalささえていたかを抽出ちゅうしゅつする。そのあと、実数じっすうreal number場合ばあい複素数ふくそすうcomplex number場合ばあい公理こうりがどう変化へんかするかを確認かくにんする。

data/lecture/math/linear-algebra/vector-spaces-and-bases.lecture.n.md data/lecture/math/vector/geometric-vectors-and-dot-products.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/complex-inner-products-and-unitary-matrices.lecture.n.md

3Plan

We first extract the properties of the ordinary dot product点積てんせき that support length and orthogonality. Then we compare the realじつ and complex cases, especially where complex conjugation複素共役ふくそきょうやく enters.

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4直感的ちょっかんてき説明せつめい

高校こうこうまな内積ないせきinner product u·v は、「ながさのせきに、きの類似度るいじどけたもの」と解釈かいしゃくできる。おなきならおおきく、直角ちょっかくなら 0、逆向ぎゃくむきならになる。この性質せいしつだけを抽象化ちゅうしょうかしたものが内積空間ないせきくうかんinner product spaceである。

4Intuitive explanation

The dot product u·v can be read as "the product of lengths times the similarity of direction." It is large and positive when vectors point in the same direction, zero at a right angle, and negative in opposite directions. An inner product space内積空間ないせきくうかん abstracts the properties needed for this interpretation.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 内積ないせきinner product公理こうり

内積ないせきinner product定義ていぎ重要じゅうようなのは、「平面へいめん点積てんせき成立せいりつしていた、ながさと角度かくどあつかうのに必要ひつよう性質せいしつだけを抽出ちゅうしゅつする」ことである。

線型性せんけいせいlinearityがあると、実数じっすうreal numberばいたいする計算けいさん容易よういになる。対称性たいしょうせいがあると、「uv関係かんけい」をきを交換こうかんしてもおなりょうとして測定そくていできる。正定値性せいていちせいがあると、v,vながさの 2 じょうとして解釈かいしゃくしても矛盾むじゅんしない。

じつreal内積空間ないせきくうかんinner product spaceでは、任意にんいのベクトル u,v,w実数じっすうreal number aたいして

u+v,w=u,w+v,w
au,v=au,v
u,v=v,u
v,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0,v,v=0v=0

成立せいりつする。

5.22. 複素ふくそcomplex内積空間ないせきくうかんinner product space

複素ふくそcomplexベクトル空間くうかんでは、対称性たいしょうせいをそのままもちいない。単純たんじゅん対称性たいしょうせいでは iv,iv正定値性せいていちせい整合せいごうしないため、共役きょうやくふく定義ていぎ採用さいようする。

このノートの規約きやくでは、

au+bv,w=au,w+bv,w
u,av+bw=a_u,v+b_u,w
u,v=v,u_
v,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0,v,v=0v=0

成立せいりつする。実内積じつないせきは、この複素ふくそcomplex内積ないせきinner productから共役きょうやく不要ふようになった場合ばあいとして理解りかいできる。

5.33. ながさと直交ちょっこうorthogonal

内積ないせきinner productがあれば

v=v,v

ながさを定義ていぎできる。ここで正定値性せいていちせいがあるため、根号こんごうなかは 0 以上いじょうで、しかも v0 ならせいになる。したがってこの定義ていぎながさとして自然しぜんである。

また

u,v=0

のとき、uv直交ちょっこうorthogonalするという。これは高校こうこうu·v=|u||v|cosθ だったことを想起そうきすると自然しぜんである。cosθ=0状況じょうきょう抽象化ちゅうしょうかすると、「内積ないせきinner productが 0 なら直交ちょっこうorthogonal」という定義ていぎになる。

5.44. 高校こうこう内積ないせきinner productとの関係かんけい

u=(u1,u2),v=(v1,v2) とすると

u,v=u1v1+u2v2

高校こうこうもちいる内積ないせきinner productそのものである。したがって内積空間ないせきくうかんinner product spaceは、高校こうこう図形的ずけいてき感覚かんかく一般化いっぱんかした概念がいねんとして理解りかいできる。

5.55. 内積ないせきinner productから導出どうしゅつされる重要じゅうよう不等式ふとうしき

内積ないせきinner productがあると、コーシー・シュワルツの不等式ふとうしき

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

成立せいりつする。これは角度かくど定義ていぎしたり、射影しゃえいprojection考察こうさつしたりするときの土台どだいである。

証明しょうめい発想はっそうは、「ながさの 2 じょうにならない」という正定値性せいていちせいもちいることである。まず実内積空間じつないせきくうかんでは、任意にんい実数じっすうreal number tたいして

u-tv2=u-tv,u-tv

は 0 以上いじょうである。これを展開てんかいすると

u-tv2=u,u-2tu,v+t2v,v

となる。これは t の 2 次式じしきで、すべての t で 0 以上いじょうであるため、判別式はんべつしきは 0 以下いかである。したがって

4u,v2-4u,uv,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0

すなわち

u,v2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u,uv,v

である。ここで u,u=u2v,v=v2もちいれば

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

る。

複素内積空間ふくそないせきくうかんでは、判別式はんべつしきによる実数じっすうreal number t議論ぎろんだけでは不十分ふじゅうぶんである。このノートの規約きやくではだい 1 変数へんすう線型せんけいなので、v0 のとき

α=u,vv,v

く。すると

u-αv,v=0

である。分母ぶんぼv,v は、v0正定値性せいていちせいによりせい実数じっすうreal numberなので、0 除算じょさんきない。また、このノートではだい 1 変数へんすう線型せんけいにしているため、αうえかたちになる。だい 2 変数へんすう線型せんけいとする流儀りゅうぎでは共役きょうやく位置いちわる。

このえらかたにより u-αvv直交ちょっこうorthogonalする。つまり、uv 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する成分せいぶんcomponentけている。直交分解ちょっこうぶんかいにより

u2=|α|2v2+u-αv2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]|α|2v2

る。したがって

u2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]|u,v|2v2

となり、おな不等式ふとうしき成立せいりつする。v=0場合ばあい自明じめいである。

実内積空間じつないせきくうかんでは、u0,v0 なら

cosθ=u,vuv

定義ていぎしても、コーシー・シュワルツの不等式ふとうしきによって右辺うへんright-hand sideはかならず -1 から 1あいだはいる。したがって逆余弦ぎゃくよげんもちいて角度かくど θ定義ていぎできる。つまりコーシー・シュワルツの不等式ふとうしきは、外形上がいけいじょうたんなる評価式ひょうかしきであるが、内積空間ないせきくうかんinner product space角度かくど記述きじゅつするための基礎きそそのものである。

複素内積空間ふくそないせきくうかんでは u,v一般いっぱん複素数ふくそすうcomplex numberであるため、u,v/(uv) をそのまま cosθ として使用しようしない。複素数ふくそすうcomplex numberそのものは大小関係だいしょうかんけいたず、逆余弦ぎゃくよげん入力にゅうりょくとしてあつかえないためである。複素ふくそcomplex場合ばあいは、まず

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

直交性ちょっこうせい u,v=0基本きほんにする。角度かくど導入どうにゅうする場合ばあいは、実部じつぶもちいるか、実内積空間じつないせきくうかんとしてあつかなおすかを明示めいじする必要ひつようがある。

5Precise explanation

5.11. Axioms of an inner product内積ないせき

For a real inner product space, for all vectors u,v,w and real scalar a,

u+v,w=u,w+v,w,
au,v=au,v,
u,v=v,u,

and

v,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0,v,v=0v=0.

Linearity線型性せんけいせい makes algebraic calculation possible, symmetry measures the relation between u and v independently of order, and positive definiteness lets v,v behave as squared length長さの二乗.

5.22. Complex inner product spaces

In a complex vector space, ordinary symmetry is not compatible with positivity. For example, a length squared must not become negative when a vector is multiplied by i. Therefore the definition uses complex conjugation.

With the convention in this series,

au+bv,w=au,w+bv,w,
u,av+bw=a_u,v+b_u,w,
u,v=v,u_,

and

v,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0,v,v=0v=0.

The real case is the special case in which conjugation has no visible effect.

5.33. Length and orthogonality直交ちょっこう

An inner product defines length by

v=v,v.

Positive definiteness ensures the expression under the square root is nonnegative and is positive for v0.

Vectors u and v are orthogonal直交ちょっこう if

u,v=0.

This abstracts the condition cosθ=0 from the familiar formula u·v=|u||v|cosθ.

5.44. Relation to the high-school dot product

For u=(u1,u2) and v=(v1,v2),

u,v=u1v1+u2v2

is exactly the usual dot product in the plane. Inner product spaces generalize this geometric intuition.

5.55. Cauchy-Schwarz inequality

Every inner product satisfies the Cauchy-Schwarz inequalityコーシー・シュワルツの不等式ふとうしき

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

In a real inner product space, the proof uses the fact that

u-tv2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

for all real t. Expanding gives a quadratic in t whose discriminant is nonpositive, hence

u,v2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u,uv,v.

In a complex inner product space, one may take

α=u,vv,v

for v0 under the convention that the first variable is linear. Then u-αv is orthogonal to v, and the orthogonal decomposition gives the same inequality. The case v=0 is immediate.

For real inner product spaces, Cauchy-Schwarz justifies defining

cosθ=u,vuv

for nonzero u,v, because the right-hand side lies between -1 and 1. In complex inner product spaces, u,v is generally complex, so one does not use that quotient directly as cosθ without further conventions.

6どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎ角度かくどしき実内積空間じつないせきくうかん基本きほんにする。複素ふくそcomplex内積空間ないせきくうかんinner product spaceでは、どちらの変数へんすう線型せんけいとするかの規約きやくおうじて射影しゃえいprojection直交展開ちょっこうてんかい係数けいすうcoefficient共役きょうやくあらわれる。定義ていぎ段階だんかいじつreal複素ふくそcomplex区別くべつすることが重要じゅうようである。

6Scope and limitations

The angle formula in this lecture is primarily for real inner product spaces. In complex inner product spaces, projection coefficients and orthogonal expansions depend on which variable is chosen to be linear. It is important to distinguish the real and complex definitions at the start.

7判定基準はんていきじゅん

  • ながさ、角度かくど直交ちょっこうorthogonal射影しゃえいprojectionのような概念がいねんあらわれたら、内積ないせきinner product導入どうにゅうした空間くうかんとして解釈かいしゃくする必要ひつようがある。
  • 線型代数せんけいだいすうで「基底きていbasis選択せんたくする」とき、ただ一次独立いちじどくりつlinear independenceなだけでなく直交ちょっこうorthogonalまで要求ようきゅうするなら、内積空間ないせきくうかんinner product space議論ぎろんである。
  • 最小二乗さいしょうにじょうやフーリエ級数きゅうすう入口いりぐちにおいても、背景はいけいにあるのは内積ないせきinner productである。

7Criteria

  • If length, angle, orthogonality直交ちょっこう, or projection appears, work in an inner product space.
  • If a basis is required to be orthogonal or orthonormal, ordinary linear independence is not enough; inner product structure is being used.
  • Least squares and Fourier expansions both rely on inner products.

8最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=v,v
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]u,v=0u,vは直交
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]複素内積では共役対称性を用いる

8Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=v,v
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]u,v=0u,vareorthogonal
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Complexinnerproductsuseconjugatesymmetry[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")]

9一言ひとことでいうと

  • 内積空間ないせきくうかんinner product spaceは、ベクトル空間くうかんながさと角度かくど導入どうにゅうするための枠組わくぐみである。

内積ないせきinner productは、代数的だいすうてきなベクトルにながさ、角度かくど直交ちょっこうorthogonalityという幾何的きかてき意味いみをあたえる規則きそくである。重要じゅうようなのは公式こうしきだけでなく公理こうりである。正値性せいちせい非零ひれいベクトルのながさが 0 にならないことを保証ほしょうし、線型性せんけいせい計算けいさんをささえ、複素ふくそでは共役対称性きょうやくたいしょうせい必要ひつようになる。

コーシー・シュワルツの不等式ふとうしきは、公理こうりから幾何きかうつはしである。|x,y|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]xy をあたえ、つぎのノルムの講義こうぎあつか三角不等式さんかくふとうしきにつながり、等号とうごう成立せいりつするのは 2 つのベクトルが一次従属いちじじゅうぞくlinearly dependent場合ばあいだとしめす。等号条件とうごうじょうけん境界きょうかいケースは、定理ていりのおまけではなく内容ないよう一部いちぶである。

9In one sentence

An inner product space内積空間ないせきくうかん is the framework that adds length, angle, and orthogonality to a vector space.

An inner product内積ないせき is a rule that turns algebraic vectors into geometric objects with length, angle, and orthogonality直交ちょっこう. The important point is not only the formula but the axioms: positivity prevents nonzero vectors from having zero length, linearity controls calculation, and conjugate symmetry is essential over complex scalars.

Cauchy-Schwarz is the bridge from the axioms to geometry. It proves the estimate |x,y|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]xy, leads to the triangle inequality for the induced norm developed in the next norm lecture, and identifies equality as the case where the two vectors are linearly dependent. These equality and boundary cases are part of the theorem, not optional details.

10定理ていり証明しょうめい:Cauchy-Schwarz の不等式ふとうしき

内積空間ないせきくうかんで、任意にんいu,v について

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

成立せいりつする。

v=0場合ばあい両辺りょうへんが 0 なので成立せいりつする。以下いかでは v0 とする。

任意にんいスカラーscalar t について

0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u-tv2=u-tv,u-tv

である。ここで

t=u,vv,v

とおく。v0 なので v,v=v20 であり、ここでの除算じょざん正当せいとうである。展開てんかいすると

0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u2-|u,v|2v2

となる。両辺りょうへんv2>0けて

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

る。両辺りょうへん非負ひふなので平方根へいほうこんって結論けつろんしたがう。

10Theorem and proof: Cauchy-Schwarz inequality

For all u,v in an inner product space,

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

If v=0, both sides are 0. Assume v0. With the convention used here, take

t=u,vv,v.

Since v,v=v2>0, this is valid. From

0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u-tv2

and expansion, we obtain

0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u2-|u,v|2v2.

Multiplying by v2>0 gives

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

Taking square roots gives the conclusion.

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