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ノルムと三角不等式さんかくふとうしき

date2026-07-14document_iddoc_93cbcfbc9802d342a016007674df05d6descriptionノルムを、長さと距離を対象にする関数として定義し、内積から三角不等式が導かれる理由まで整理する講義である。prerequisites内積空間の基本 / ベクトル空間と基底 / 不等式の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linear-algebra-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/inner-product-space-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/orthogonal-complements-and-projections.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/inner-products-orthogonality-and-projections.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

Normsノルム and the triangle inequality三角不等式さんかくふとうしき

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、ノルムは「ながさ」を抽象化ちゅうしょうかした関数かんすうであり、三角不等式さんかくふとうしきによって距離きょりとしての振舞ふるまいが保証ほしょうされるということである。

内積ないせきinner productから v=v,v定義ていぎするだけでは、まだ「ながさ」として十分じゅうぶんかどうかは明確めいかくでない。ながさなら、0 以上いじょうであり、スカラーばい比例ひれいし、2 つのベクトルをしたながさがかくながさのえない必要ひつようがある。この最後さいご条件じょうけん三角不等式さんかくふとうしきである。

1Introduction

The important point of this lecture is that a normノルム is a function that abstracts length, and the triangle inequality三角不等式さんかくふとうしき guarantees that it behaves like distance.

If we define v=v,v from an inner product内積ないせき, we still need to check that it really behaves like length: it should be nonnegative, scale by |a| under scalar multiplication, and satisfy the rule that the length of a sum is no greater than the sum of the lengths. The last condition is the triangle inequality.

2用語ようご定義ていぎ

ノルムNorm とは、ベクトル空間くうかん V から非負実数ひふじつすうへの関数かんすう · であり、任意にんいu,vV とスカラー a について、つぎたすものである。

v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0,v=0v=0
av=|a|v
u+v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v

三角不等式さんかくふとうしきTriangle inequality とは、うえの 3 番目ばんめ不等式ふとうしきである。

距離きょりMetric は、ノルムから d(u,v)=u-v定義ていぎできる。

2Terms and definitions

A normノルム on a vector space V is a function · from V to the nonnegative real numbers such that, for all u,vV and scalars a,

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

and

u+v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v.

The third inequality is the triangle inequality三角不等式さんかくふとうしき. A metric距離きょり can be defined from a norm by

d(u,v)=u-v.

3方針ほうしん

まずノルムの公理こうり確認かくにんし、つぎに内積ないせきinner productから定義ていぎしたノルムがその公理こうりたすことをしめす。三角不等式さんかくふとうしきだけは自明じめいでないため、コーシー・シュワルツの不等式ふとうしきもちいて導出どうしゅつする。

data/lecture/math/linear-algebra/inner-product-space-basics.lecture.n.md

3Plan

First we verify the norm axioms. Then we show that the norm induced by an inner product satisfies them. The triangle inequality is the only nontrivial part, and it follows from the Cauchy-Schwarz inequality.

data/lecture/math/linear-algebra/inner-product-space-basics.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

三角不等式さんかくふとうしきは、「迂回経路うかいけいろ距離きょりは、直行ちょっこうする距離きょりよりみじかくならない」という幾何学的きかがくてき事実じじつ抽象形ちゅうしょうけいである。

ベクトルでは、u だけ移動いどうし、つぎに v だけ移動いどうする経路けいろと、u+v一度いちど移動いどうする経路けいろ比較ひかくする。直接ちょくせつ移動いどうみちよりながくならない。これが u+v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v である。

4Intuitive explanation

The triangle inequality is the abstract form of the geometric fact that a detour is not shorter than the direct path. Moving by u and then by v is a path whose total length is u+v, while moving directly to u+v has length u+v. Therefore

u+v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 内積ないせきinner productからノルムを定義ていぎする

内積空間ないせきくうかんinner product spaceでは

v=v,v

定義ていぎする。正定値性せいていちせいにより v,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 であり、v,v=0v=0同値どうちequivalentである。したがって非負性ひふせいれいベクトルの判定はんてい成立せいりつする。

スカラー a については、

av2=av,av=|a|2v,v

であるから、

av=|a|v

る。

5.22. 三角不等式さんかくふとうしき導出どうしゅつする

実内積空間じつないせきくうかんでは、

u+v2=u+v,u+v

である。展開てんかいすると、

u+v2=u2+2u,v+v2

コーシー・シュワルツの不等式ふとうしきより u,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]|u,v|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]uv である。したがって

u+v2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u2+2uv+v2=(u+v)2

両辺りょうへん非負ひふなので、平方根へいほうこん適用てきようして

u+v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v

る。

複素ふくそcomplex内積空間ないせきくうかんinner product spaceでは、展開てんかい2Reu,vあらわれるが、Reu,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]|u,v| により同様どうよう証明しょうめいできる。

5Precise explanation

5.11. Defining a norm from an inner product

In an inner product space内積空間ないせきくうかん,

v=v,v.

Positive definiteness gives v,v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 and v,v=0v=0, so nonnegativity and the zero-vector condition hold.

For a scalar a,

av2=av,av=|a|2v,v,

so

av=|a|v.

5.22. Deriving the triangle inequality

In a real inner product space,

u+v2=u+v,u+v=u2+2u,v+v2.

By Cauchy-Schwarz,

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

Therefore

u+v2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u2+2uv+v2=(u+v)2.

Both sides are nonnegative, so taking square roots gives

u+v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v.

In a complex inner product space, the expansion contains 2Reu,v, and the proof is the same because

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

6具体例ぐたいれい

R2標準内積ひょうじゅんないせきでは、

(x,y)=x2+y2

である。u=(1,0)v=(0,1) とすると、

u+v=2,u+v=2

であり、2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2三角不等式さんかくふとうしき対応たいおうする。

6Concrete example

In R2 with the standard inner product,

(x,y)=x2+y2.

For u=(1,0) and v=(0,1),

u+v=2,u+v=2,

so the triangle inequality reads 2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2.

7べつ観点かんてん

ノルムがあたえられると、まず

d(u,v)=u-v

によって距離きょり定義ていぎされる。非負性ひふせい対称性たいしょうせい三角不等式さんかくふとうしきにより、これは距離関数きょりかんすうとして機能きのうする。

解析的かいせきてきには、ノルムは極限きょくげん収束しゅうそく定義ていぎするための道具どうぐである。d(vn,v)=vn-v0記述きじゅつできるとき、ベクトルれつcolumn vnvちかづくことを意味いみする。

幾何的きかてきには、ノルムは原点げんてんからの距離きょりである。三角不等式さんかくふとうしきは、この距離きょり幾何学的きかがくてき直観ちょっかん整合せいごうすることを保証ほしょうする。

7Another viewpoint

Once a norm is given,

d(u,v)=u-v

defines distance. This supports notions such as convergence and error:

d(vn,v)=vn-v0.

Geometrically, a norm is distance from the origin, and the triangle inequality ensures that this distance is compatible with geometric intuition.

8判定基準はんていきじゅん

  • ながさ、距離きょり収束しゅうそく誤差ごさ対象たいしょうにするなら、ノルムを確認かくにんする。
  • 内積ないせきinner productあたえられているなら、まず v=v,v構成こうせいする。
  • 不等式ふとうしき証明しょうめいでは、コーシー・シュワルツの不等式ふとうしきから三角不等式さんかくふとうしき接続せつぞくする。

8Criteria

  • When length, distance, convergence, or error is involved, identify the norm.
  • If an inner product is given, first construct v=v,v.
  • For inequalities involving norms induced by inner products, Cauchy-Schwarz is the standard tool leading to the triangle inequality.

9どこまで成立せいりつするか

内積ないせきinner productからられるノルムはかなら三角不等式さんかくふとうしきたす。一方いっぽうで、すべてのノルムが内積ないせきinner productからしょうじるわけではない。たとえば Rn1 ノルムや ノルムは重要じゅうようだが、一般いっぱんには標準内積ひょうじゅんないせきから直接ちょくせつ導出どうしゅつされるものではない。

9Scope and limitations

Every norm obtained from an inner product satisfies the triangle inequality. However, not every norm comes from an inner product. For example, the 1 and norms on Rn are important norms, but they are not generally the norm induced by the standard inner product.

10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[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]d(u,v)=u-v

10Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=v,v
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]u+v[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u+v
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]d(u,v)=u-v

11一言ひとことでいうと

  • ノルムはながさを抽象化ちゅうしょうかした関数かんすうであり、三角不等式さんかくふとうしきにより距離きょりとして作用さようする。

11In one sentence

A normノルム abstracts length, and the triangle inequality三角不等式さんかくふとうしき makes that length behave as a distance.

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