高校日本史191026 views
高校倫理1444503 views
世界の国567435 views
りんご220229 views
ヒストリア294981 views
中学理科1633649 views
Computer370048 views
高校国語790013 views
中学英語813624 views
小学算数1203731 views
Help
Tools

English

基底と座標ベクトル|定義・求め方・次元が取り方によらない理由

基底を 1 つ決めると、空間のどのベクトルにも数の組がただ 1 つ割り当てられます。この数の組が座標です。

多項式でも行列でも、基底さえ入れておけば数ベクトルとして計算できます。抽象的に定義された空間を具体的な数の世界へ引き写す仕掛けが、基底と座標です。

基底の定義

をベクトル空間とします。 のベクトルの組 が の基底であるとは、次の 2 つを満たすことです。

を張る。つまり のどのベクトルも の一次結合で書ける
一次独立である

張ることは足りている条件、一次独立は余分がない条件です。基底は、その両方を同時に満たす過不足のない組を指します。

基底を持つ空間を有限次元といいます。この記事で扱うのは有限次元の空間で、そうでない場合には最後に触れます。

基底の言い換え

基底には同じ内容の言い換えがいくつかあります。どれを定義に採っても、指しているものは変わりません。

張るかつ一次独立

いちばん普通の定義です。足りていて、なおかつ余分がない組を指します。

表し方が 1 通り

どのベクトルも一次結合で書けて、その書き方がただ 1 通りに決まる組です。存在が「張る」に、一意性が「一次独立」に対応します。

最小の生成系

を張る組のうち、どの 1 本を抜いても張れなくなるものです。余分がないことを、抜けなさとして言い換えています。

最大の独立な組

一次独立な組のうち、どのベクトルを足しても従属になってしまうものです。足りていることを、足せなさとして言い換えています。

見た目は違いますが、どれか 1 つが成り立てば残りも成り立ちます。証明のたびに都合のよい言い換えを選べる、というのがこの同値性の利点です。

基底は順番まで込みで決める

座標を並べるには、どのベクトルが第 1 成分を担うのかが決まっている必要があります。そこで基底は集合ではなく、順番のついた組として扱います。

と は、集合としては同じでも基底としては別物です。同じベクトルの座標が、成分を入れ替えた形で出てきます。

順番を強調したいときは順序基底と呼びます。以下で基底といえば、順番まで固定したものを指しています。

座標ベクトル

基底 を固定します。 のベクトル は一次結合で書けて、その書き方はただ 1 通りです。

この係数を縦に並べたものを、 に関する の座標ベクトルといい、 と書きます。

書き方が 1 通りに決まるのは、一次独立性のおかげです。2 通りに書けたとして差を取れば、係数がすべて になるほかありません。

が何であっても、 は のベクトルです。多項式にも行列にも、同じ形をした数の組が割り当てられます。

例:多項式の空間で座標を取る

2 次以下の実係数多項式全体を と書きます。次の 3 本が基底になります。

どの多項式も の形に書け、しかもこの書き方は 1 通りです。したがって座標は、係数をそのまま並べたものになります。

の次元は 3 です。多項式という見た目をしていても、座標を通してしまえば 3 次元の数ベクトルと変わりません。

例:基底を変えて同じ多項式の座標を出す

同じ に、別の基底を入れてみます。

の座標を求めます。 とおいて、次数の高いほうから係数を比べます。

の係数から です。 の係数は なので 、定数項は なので となります。

検算すると の定数項は 、 の係数は で、たしかに に戻ります。

同じ多項式が、基底を変えると別の数の組で呼ばれました。座標はベクトルだけでは決まらず、基底とセットで初めて意味を持ちます。

例:行列の空間の基底

の実行列全体を と書きます。成分が 1 か所だけ の行列を並べたものが基底です。

どの行列も と一意に書けます。座標は成分を読む順に並べたものになるので、成分が の行列なら次のとおりです。

の次元は 4 です。 行列全体なら、同じ数え方で になります。

例:対称行列のなす空間

2 次の実対称行列全体は、 の部分空間をなします。基底には次の 3 本が取れます。

対称行列は主対角線とその上側だけで決まります。 次なら自由に選べる成分は 個で、その個数がそのまま次元です。

2 次なら 3、3 次なら 6 になります。 の 4 次元のうち 3 次元ぶんが対称行列で占められている、という読み方もできます。

座標は和とスカラー倍を保つ

座標を取る操作は、足し算とスカラー倍をそのまま通します。

証明は展開するだけです。、 と書けば、和は次のようにまとまります。

書き方が 1 通りであることから、これが の座標にほかなりません。係数どうしが足された形なので、 と一致します。

スカラー倍も同じ筋です。 となるので、座標は丸ごと 倍されます。

この性質があるおかげで、 の中の計算を座標の側へ移して済ませられます。多項式の足し算が、数ベクトルの足し算になるわけです。

座標は 1 対 1 の対応になる

に を割り当てる対応は、 と を 1 対 1 に結びます。

違うベクトルが同じ座標を持つことはありません。 なら係数がすべて等しく、 と は同じ一次結合を指すからです。

取りこぼされる数の組もありません。 を渡されたら を作れば、それが座標として を持つベクトルです。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 220" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<text x="125" y="32" font-size="11" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">2 次以下の多項式</text>
	<text x="355" y="32" font-size="11" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">3 つの数の組</text>
	<rect x="40" y="45" width="170" height="140" fill="#f5f5f5" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<rect x="290" y="45" width="130" height="140" fill="#f5f5f5" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<text x="125" y="85" font-size="12" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">3 - x + 4x<tspan font-size="9" dy="-4">2</tspan></text>
	<text x="125" y="125" font-size="12" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">x</text>
	<text x="125" y="165" font-size="12" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">1</text>
	<text x="355" y="85" font-size="12" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">(3, -1, 4)</text>
	<text x="355" y="125" font-size="12" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">(0, 1, 0)</text>
	<text x="355" y="165" font-size="12" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">(1, 0, 0)</text>
	<line x1="220" y1="81" x2="272" y2="81" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<polygon points="272,77 280,81 272,85" fill="#1b81e0"></polygon>
	<line x1="220" y1="121" x2="272" y2="121" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<polygon points="272,117 280,121 272,125" fill="#1b81e0"></polygon>
	<line x1="220" y1="161" x2="272" y2="161" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<polygon points="272,157 280,161 272,165" fill="#1b81e0"></polygon>
	<text x="230" y="207" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">基底を 1 つ決めると、対応が 1 対 1 に定まります</text>
</svg>

つまり基底を選ぶことは、 に の目盛りを入れる作業です。多項式の空間も行列の空間も、目盛りを入れたあとは同じ顔つきになります。

この対応には正式な名前がついていて、線形写像の記事で改めて扱います。ここでは、和とスカラー倍を保つ 1 対 1 の対応だという事実だけ押さえておけば十分です。

例:多項式の一次独立性を座標で判定する

座標に移すと、抽象空間の問いが数ベクトルの計算に変わります。 の次の 3 本を調べます。

基底 で座標を取ります。係数を読み取るだけです。

3 本を列に並べて行列式を計算します。

でないので 3 本は一次独立です。 は 3 次元なので、この 3 本もまた の基底になっています。

多項式のままでは見通しの悪い問いが、行列式ひとつで片づきました。座標を取る手間の見返りが、ここにはっきり出ています。

次元は基底の取り方によらない

基底の取り方はいくらでもありますが、含まれるベクトルの本数はどれも同じになります。この本数を次元といい、 と書きます。

理由は、独立な組と張る組の本数を比べる補題にあります。 が 本のベクトルで張られているとき、 の一次独立な組は 本を超えられません。

証明の筋は入れ替えです。独立な組から 1 本を張る組へ持ち込み、代わりに張る組から 1 本を抜きます。うまく選べば張る性質が保たれるので、この操作を続けられます。

独立な組のほうが多いと、抜くベクトルが先に尽きて矛盾します。これをシュタイニッツの交換補題といいます。

2 つの基底 と に、この補題を当てはめます。 を独立な組、 を張る組と見れば の本数は 以下、役を入れ替えれば の本数は 以下です。

両方が成り立つ以上、本数は等しくなります。次元という言葉が意味を持つのは、この一致に支えられているからです。

本数がそろえば片方だけ確かめればよい

が分かっていれば、 本の組を調べる手間が半分で済みます。

本の組が一次独立なら、それだけで基底です。張れないとすると、作れないベクトルを 1 本足して 本の独立な組ができてしまい、補題に反するからです。

逆に 本の組が を張るなら、やはりそれだけで基底です。従属だとすれば 1 本を他で表せるので 本で張れることになり、これも補題に反します。

一次独立を確かめる場合

本が一次独立と分かれば、張ることは自動的についてきます。行列式や掃き出し法で判定できます

張ることを確かめる場合

本が を張ると分かれば、一次独立も自動的についてきます。連立方程式が解けることを見ます

本数が でない組に、この近道は使えません。少なければ張れず、多ければ独立になれないので、そもそも基底の候補から外れます。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 175" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<text x="230" y="24" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">本数が次元とそろっているかどうかで、起こることが決まります</text>
	<text x="105" y="58" font-size="11" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">n 本より少ない</text>
	<text x="230" y="58" font-size="11" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">ちょうど n 本</text>
	<text x="355" y="58" font-size="11" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">n 本より多い</text>
	<rect x="40" y="70" width="130" height="50" fill="#f5f5f5" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<rect x="170" y="70" width="120" height="50" fill="#1b81e0" fill-opacity="0.12" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></rect>
	<rect x="290" y="70" width="130" height="50" fill="#f5f5f5" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></rect>
	<text x="105" y="100" font-size="12" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">張れない</text>
	<text x="230" y="100" font-size="12" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">基底になれる</text>
	<text x="355" y="100" font-size="12" fill="#1f1f1f" text-anchor="middle">一次従属</text>
	<text x="230" y="150" font-size="11" fill="#9a9a9a" text-anchor="middle">ちょうど n 本のときだけ、一次独立と張ることが同時に成り立ちます</text>
</svg>

例:本数が足りない組と余る組

で の 2 本を取ります。この 2 本は一次独立ですが、 をどうやっても作れません。

張れるのは 1 次以下の多項式だけで、 全体には届きません。足りない組は、独立であっても基底になれません。

こんどは の 4 本を取ります。 を張ることは確かですが、最後の 1 本が前の 2 本の和なので一次従属です。

3 次元の空間では、本数が 3 でないかぎり基底になりません。足りなければ張れず、余れば独立性が壊れます。

生成系から間引く、独立な組を延長する

基底は、多すぎる組を削るか、少なすぎる組を足すかで作れます。どちらの向きからでもたどり着けます。

を張る組が手元にあるなら、従属なものを 1 本ずつ捨てていきます。他で表せる 1 本を抜いても張る性質は変わらないので、独立になるまで続ければ基底が残ります。

一次独立な組が手元にあるなら、まだ作れないベクトルを 1 本ずつ足します。作れないベクトルを足しても独立性は保たれ、次元に達したところで打ち止めになります。

後者を基底の延長定理といいます。部分空間の基底を全体の基底まで伸ばせる、という形でよく使われる定理です。

例:部分空間の基底を取る

の中で、成分の和が になるベクトル全体を とします。条件が 1 本しかないので、自由に決められるのは 3 成分です。

のどれか 1 つを 、残りを とおいて、 を条件から決めます。

どれも成分の和が なので に属しています。この 3 本が を張ることは、 を計算すれば見えます。

第 1 成分は で、条件からこれは に等しい値です。下の 3 成分は そのものなので、 のどのベクトルもこの形で出てきます。

一次独立性は下 3 成分だけで済みます。そこに単位行列が現れているので、係数のどれかが でなければ和は になりません。よって です。

理解の確認

の空間で、4 本のベクトルの組 が一次独立だと分かりました。 について正しいのはどれでしょうか。

  • まだ基底とはいえない。 を張ることを別に確かめる必要がある
  • これだけで基底といえる。本数が次元と一致していれば、独立性から張ることが従う
  • 一次独立なだけでは足りない。本数を 5 本に増やさなければ張れない
__RESULT__

次元の空間では、 本の一次独立な組はかならず基底になります。張れないとすると、作れないベクトルを 1 本足して 本の独立な組が作れてしまい、 本で張れるという事実に反するからです。同じ理由で、 本が を張るなら一次独立も自動的についてきます。

無限次元の空間

有限個のベクトルではどうしても張れない空間もあります。次数に制限をつけない多項式全体 がその例です。

有限個で張れると仮定すると、そのなかで最大の次数を超える多項式が作れなくなります。 に基底を入れるには、 を無限に並べるしかありません。

無限に並べても、一次結合として認めるのは有限個の和だけです。どの多項式も次数が有限なので、この約束のもとできちんと書けます。

無限級数まで許すと収束を論じることになり、扱う理論が変わります。この記事の議論はすべて有限次元のものです。

他の話題とのつながり

基底を取り替えると座標がどう動くかは、次の記事の主題です。取り替えを表す行列と、座標が逆行列の側へ移る仕組みを扱います。

長さや角度まで込みで測りたいときは、正規直交基底を選びます。座標が内積の計算だけで求まるようになり、その作り方はグラム・シュミットの記事にあります。

基底を選ぶと、写像のほうも行列で書けるようになります。線形写像の表現行列がその話題で、この記事の座標の対応が土台になっています。

空間を部分空間へ分けたときは、それぞれの基底を寄せ集めると全体の基底になります。直和の記事で扱う内容です。

よくある誤り

座標をベクトルそのものの持ちものだと考えると混乱します。基底を決めるまで座標は決まりません
基底を集合として扱うと、座標を並べる順番が決まりません。順番まで込みで固定しておきます
数ベクトル空間でしか基底を考えられない、というわけではありません。多項式でも行列でも同じ話が通ります
本数が次元と違う組に、独立性だけを見る近道は使えません。効くのはちょうど 本のときだけです
一次独立でありさえすれば基底になる、とはいえません。張ることも同時に要ります
張る組ならすべて基底だ、というのも誤りです。余分な 1 本が混じっていれば一次従属になります
無限次元の空間で、無限級数を一次結合と呼ぶことはできません。認められるのは有限個の和です

参考文献

Basis (linear algebra) - Wikipedia
Coordinate vector - Wikipedia
Steinitz exchange lemma - Wikipedia
Basis (Vektorraum) - Wikipedia(ドイツ語)
Base (algèbre linéaire) - Wikipédia(フランス語)
Base (algebra lineare) - Wikipedia(イタリア語)
Base (álgebra) - Wikipedia(スペイン語)
基 (線性代數) - 維基百科(中国語)
基底を選ぶことは、空間に目盛りを入れることにあたります。座標ベクトルの定義と一意性、順序基底として扱う理由、多項式や行列の空間での具体例、座標に移せば一次独立の判定が行列式ひとつで済むこと、交換補題から次元の一定性が出る筋道、生成系を間引き独立な組を延長して基底を作る方法を順に追います。