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ベクトル空間と基底md cf7041a
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ベクトル空間vector space基底きていbasis

date2026-07-14document_iddoc_77e3ed64a7a767a25cf258db5e87bd86descriptionベクトル空間と基底を、体上の公理、生成、一次独立、一意表示の関係から整理し、座標表示が成立する理由を説明する講義である。prerequisitesベクトルの線型結合 / 連立一次方程式の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/linear-algebra/linear-algebra-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-combinations-and-spans.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/column-independence-and-rank.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/inner-product-space-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md / data/exercise/math/linear-algebra/vector-spaces-bases-and-rank.exercise.n.md
mathlinear-algebraundergraduatelecture

Vector spacesベクトル空間 and bases基底きてい

1導入どうにゅう

ベクトル空間vector spaceは、矢印やじるしだけを扱うtermための概念がいねんではない。関数かんすう多項式たこうしき数列すうれつ行列ぎょうれつも、足し算termとスカラーばい自然しぜん定まりterm必要ひつよう規則きそく満たせtermばベクトル空間くうかんとして扱えるterm

この抽象ちゅうしょう目的もくてきは、対象たいしょう見た目term捨てtermて、「足すterm」「定数ていすう倍するterm」「線型せんけい結合けつごう作るterm」という構造こうぞうだけを残すtermことである。その構造こうぞうだけで、生成せいせいspan一次独立いちじどくりつlinear independence基底きていbasis次元じげんdimension定義ていぎできる。

1Introduction

A vector spaceベクトル空間 is not only a collection of arrows. Functions, polynomials, sequences, and matrices can also be treated as vector spaces if addition and scalar multiplication are defined naturally and satisfy the required rules.

The purpose of this abstraction is to ignore the outward form of the objects and keep only the structure of adding, multiplying by scalars, and forming linear combinations. From that structure alone we can define span生成せいせい, linear independence一次独立いちじどくりつ, basis基底きてい, and dimension次元じげん.

2用語ようご定義ていぎ

たい K うえベクトル空間vector space V とは、 u+v とスカラーばい cv定義ていぎされ、通常つうじょう結合けつごう法則ほうそく交換こうかん法則ほうそく分配ぶんぱい法則ほうそくれいベクトルとぎゃくベクトルの存在そんざい満たすterm集合しゅうごうである。

有限ゆうげんのベクトル v1,...,vn に対しterm

c1v1++cnvn

かたちのベクトルを線型結合せんけいけつごうlinear combinationという。すべての線型せんけい結合けつごう集合しゅうごう張る空間spanという。

v1,...,vn一次独立いちじどくりつlinear independenceであるとは、

c1v1++cnvn=0

から必ずterm

c1==cn=0

導かtermれることである。V張りterm、かついち独立どくりつであるベクトルのくみ基底きていbasisという。

2Terms and definitions

A vector spaceベクトル空間 V over a fieldたい K is a set equipped with addition u+v and scalar multiplication cv satisfying the usual associativity, commutativity, distributivity, existence of a zero vector, and existence of additive inverses.

For vectors v1,...,vn, a vector of the form

c1v1++cnvn

is a linear combination線型結合せんけいけつごう. The set of all such linear combinations is the span張る空間.

The vectors v1,...,vn are linearly independent一次独立いちじどくりつ when

c1v1++cnvn=0

forces

c1==cn=0.

A list of vectors that spans V and is linearly independent is a basis基底きてい of V.

3方針ほうしん

基底きてい理解りかいするには、「足りるterm」と「余分よぶんがない」を分けるtermのがよい。

v1,...,vnV張るtermとは、どのベクトルもその材料ざいりょう作れるtermという意味いみである。これは「足りるterm」という条件じょうけんである。一方いっぽういち独立どくりつとは、材料ざいりょうのどれも材料ざいりょうから作れtermないという意味いみである。これは「余分よぶんがない」という条件じょうけんである。

基底きていbasisは、この2条件じょうけん同時にterm満たすterm最小限さいしょうげん座標軸ざひょうじくである。

3Plan

To understand a basis, separate the two ideas “enough” and “no redundancy.”

The vectors v1,...,vn span V when every vector in V can be made from them. This is the “enough” condition. Linear independence means that none of the listed vectors can be made from the others. This is the “no redundancy” condition.

A basis基底きてい is a minimal coordinate system satisfying both conditions at once.

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

4.11. 平面へいめんれい

R2 では、

e1=(10),e2=(01)

使うtermと、任意にんい

(xy)

(xy)=xe1+ye2

書けるterm。しかもこの係数けいすう x,y一意いちいである。これが座標ざひょう意味いみである。

4.22. 基底きていは「測りtermかた」を決めるterm

同じtermベクトルでも、基底きてい変えるterm座標ざひょう変わるterm。ベクトルそのものは空間くうかんない対象たいしょうであり、座標ざひょうはその対象たいしょう基底きてい測っtermかず並びtermである。この区別くべつが、基底変換きていへんかんchange of basis相似そうじsimilarity重要じゅうようになる。

4Intuitive explanation

4.11. The plane as an example

In R2, using

e1=(10),e2=(01),

any vector

(xy)

can be written as

(xy)=xe1+ye2.

Moreover, the coefficients x,y are unique. This is the meaning of coordinates.

4.22. A basis determines a way to measure

The same vector can have different coordinates when the basis changes. The vector itself is an object in the space; coordinates are the numbers obtained by measuring that object using a basis. This distinction becomes important in change of basis基底変換きていへんかん and similarity相似そうじ.

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. 基底きていによる座標ざひょう表示ひょうじ

B=(v1,...,vn)V基底きていであるとき、任意にんいvinV一意いちい

v=x1v1++xnvn

書けるterm。この係数けいすうれつvB に関するterm座標ざひょうcoordinatesという。

5.22. 一意いちいせい証明しょうめい

もし

v=x1v1++xnvn=y1v1++ynvn

なら、両辺りょうへん引いterm

0=(x1-y1)v1++(xn-yn)vn

である。基底きていいち独立どくりつなので、

x1-y1==xn-yn=0

である。したがって xi=yi がすべての i成立するterm

ここでは引き算termだけを使っtermている。係数けいすう割るterm操作そうさはしていないので、特定とくてい係数けいすうれいかどうかを確認かくにんする必要ひつようはない。

5Formal explanation

5.11. Coordinate expression by a basis

When B=(v1,...,vn) is a basis of V, every vinV has a unique expression

v=x1v1++xnvn.

The list of coefficients is called the coordinates座標ざひょう of v with respect to B.

5.22. Proof of uniqueness

Suppose

v=x1v1++xnvn=y1v1++ynvn.

Subtracting the two expressions gives

0=(x1-y1)v1++(xn-yn)vn.

Because the basis is linearly independent,

x1-y1==xn-yn=0.

Thus xi=yi for every i.

Only subtraction is used here. No coefficient is divided by, so we do not need to check whether a particular coefficient is nonzero.

6例題れいだい基底きていかどうかを判定はんていする

6.1問題もんだい

R2 の2つのベクトル

v1=(12),v2=(34)

R2基底きていであるか判定はんていせよ。

6.2解説かいせつ

2つのベクトルが R2基底きていであることは、2つがいち独立どくりつであることと同値どうちである。係数けいすう a,b について

a(12)+b(34)=(00)

考えるterm成分せいぶん書くtermと、

a+3b=0,2a+4b=0

である。1ほんから a=-3b、こを2ほん入れるtermとと

2(-3b)+4b=-2b=0

なので b=0、したがっ a=0 である。よっていち独立どくりつであり、R2基底きていである。。

この例題れいだいは、基底きてい判定はんていが「余分よぶんなベクトルがないか」を確認かくにんする作業さぎょうであることを示しtermている。後でterm行列ぎょうれつれつ調べるtermときも、同じterm考え方termれつベクトルのいち独立どくりつせい判定はんていする。

6Worked example: deciding whether vectors form a basis

6.1Problem

Decide whether the two vectors in R2

v1=(12),v2=(34)

form a basis of R2.

6.2Explanation

For two vectors in R2, being a basis is equivalent to being linearly independent. Consider coefficients a,b satisfying

a(12)+b(34)=(00).

Componentwise, this gives

a+3b=0,2a+4b=0.

From the first equation, a=-3b. Substituting this into the second gives

2(-3b)+4b=-2b=0,

so b=0, and therefore a=0. Hence the vectors are linearly independent and form a basis of R2.

This example shows that basis checking is the task of confirming that there is no redundant vector. Later, when we inspect the columns of a matrix, we use the same idea to test linear independence of column vectors.

7実数じっすう複素数ふくそすう変わるtermこと

同じterm集合しゅうごうでも、スカラーとして使うtermからだ変わるtermと、ベクトル空間くうかんとしての意味いみ変わるterm。たとえば CC うえでは1次元じげんだが、R うえでは2次元じげんである。

この違いtermは、複素内積ふくそないせきcomplex inner productエルミート性Hermitian propertyユニタリ行列unitary matrix扱うtermときに重要じゅうようになる。どのからだじょう線型せんけいせい考えtermているかを曖昧あいまいにすると、どうつぎせい意味いみ変わっtermてしまう。

7What changes over real and complex scalars

The same underlying set can become a different vector space when the scalar field changes. For example, C is one-dimensional over C, but two-dimensional over R.

This distinction matters when studying complex inner products複素内積ふくそないせき, the Hermitian propertyエルミート性, and unitary matricesユニタリ行列. If the scalar field is unclear, the meaning of homogeneity changes.

8定理ていり証明しょうめい有限ゆうげん基底きてい本数ほんすう一定いっていである

8.1定理ていり

有限ゆうげん次元じげんベクトル空間くうかん V基底きていは、どれを選んtermでも同じterm本数ほんすうのベクトルを持つterm。この本数ほんすうV次元じげんdimensionという。

8.2証明しょうめい方針ほうしん

完全かんぜん証明しょうめいには交換こうかん補題ほだい使うterm直感ちょっかんつぎ通りtermである。m ほんいち独立どくりつなベクトルが n ほんのベクトルで張らtermれる空間くうかん入っtermているなら、m<=n でなければならない。生成せいせいするがわより多くterm独立どくりつ方向ほうこう作れtermないからである。

2つの基底きてい BC があり、Bm ほんCn ほんだとする。Bいち独立どくりつで、C空間くうかん張るtermので m<=n である。ぎゃくCいち独立どくりつで、B空間くうかん張るtermので n<=m である。したがって m=n である。

8Theorem and proof idea: finite bases have the same size

8.1Theorem

Every basis of a finite-dimensional vector space V has the same number of vectors. This number is the dimension次元じげん of V.

8.2Proof idea

A full proof uses the exchange lemma. The intuition is this: if m linearly independent vectors lie in a space spanned by n vectors, then m<=n. One cannot create more independent directions than the number of generators available.

Let B and C be two bases, with m and n vectors respectively. Since B is linearly independent and C spans the space, m<=n. Conversely, since C is linearly independent and B spans the space, n<=m. Therefore m=n.

9最終形さいしゅうけい

基底きていbasisは、「空間くうかん全体ぜんたい作れるterm」ことと「余分よぶんがない」ことを同時にterm満たすtermベクトルのくみである。

basis=spanningset+linearindependence

基底きてい選ぶtermと、ベクトルはかず並びtermとして表せるterm。したがって、基底きてい線型せんけい写像しゃぞう行列ぎょうれつ表すtermための座標ざひょうけいでもある。

9Final form

A basis基底きてい is a list of vectors that both generates the whole space and has no redundancy.

basis=spanningset+linearindependence.

Once a basis is chosen, vectors can be represented as lists of numbers. Thus a basis is also the coordinate system that lets us represent linear maps by matrices.

10演習えんしゅうリンク

11関連かんれんリンク

10Exercise links

11Related links

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