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English

長さと角度をあとから入れる、内積空間の公理と例

ベクトル空間の公理には、長さも角度も出てこない。足し算とスカラー倍だけで、 がどれだけ長いかは決まらない。

そこへあとから入れる構造が内積である。 と定めれば長さが出て、 と定めれば角度も出る[1]

入れ方は 1 通りではない。同じ空間に違う内積を入れれば、長さも直角も変わる。

内積の 4 条件

実ベクトル空間 上の内積とは、2 つのベクトルに実数を返す写像で、次の 4 つを満たすものをいう[1]

対称性。
第 1 変数の線形性。
非負性。すべての
非退化性。 となるのは のときだけ

第 2 変数の線形性は条件に入っていない。対称性から自動で出るためで、独立には数えない。

線形性からは も出る。 と書いてスカラーを外へ出せばよい。

複素の場合は対称性を変える

複素ベクトル空間で対称性をそのまま使うと、非負性と衝突する。 となってしまう[1]

そこで対称性を共役対称性に置き換える。

これなら で、自分自身が実数になる。非負性を課す意味が保たれる。

代わりに第 2 変数は共役線形になる。 で、スカラーが共役を付けて出てくる。

例:標準内積

でいちばん基本の内積が、成分の積を足したものである[1]

なら 。長さは なので 、角度は 度になる。

例:重みを付けた内積

対称で正定値な行列 を 1 つとると、別の内積が作れる。

が単位行列なら標準内積に戻る。次の をとってみる。

平方完成すると になり、 以上で、 になるのは のときだけ。4 条件を満たしている。

この内積では が直交しない。 で、標準内積で直角だったものが直角でなくなる。

例:関数の内積

区間 上の多項式の空間に、次の内積を入れる[1]

の内積は 。定数関数と 1 次関数が直交している。

の長さは の長さは 。関数に長さが付くと、近似の良し悪しを測れるようになる。

と直交しない。 である。 に直せば直交し、ルジャンドル多項式の 2 番目が出てくる。

例:行列の内積

行列の空間には、フロベニウス内積が入る[1]

成分をすべて並べて 1 本のベクトルと見た標準内積と同じもの。行列という見かけを外すと、 の標準内積になっている。

対応する長さがフロベニウスノルムである。成分が の 2 次行列なら になる。

コーシー・シュワルツの不等式

内積とノルムを結ぶ基本の不等式が、これである[2]

証明は 2 次関数を使う。 とし、実数 を動かして を展開する。

右辺は の 2 次関数で、つねに 以上。 を代入すると、いちばん小さい値が出る[1]

両辺に を掛けて平方根をとれば、求める不等式になる。

等号が成り立つのは、上の計算で となるとき、つまり の定数倍のときに限る[2]。一次従属かどうかが、等号の条件になっている。

三角不等式

コーシー・シュワルツから、ノルムの三角不等式が出る[2]

両辺の平方根をとって 。回り道より直線が短い、という当たり前の事実が、内積の 4 条件だけから出た。

内積の 4 条件

コーシー・シュワルツ

三角不等式

中線定理

ノルムを内積から作ると、次の等式が必ず成り立つ[2,3]。展開して整理するだけで出る。

平行四辺形の 2 本の対角線の二乗和が、4 辺の二乗和に等しい。平面幾何の中線定理そのものである。

内積はノルムから復元できる

逆向きに、ノルムだけから内積を書き戻せる。実の場合は次の形になる[3]

複素の場合は について を足し、4 で割る。偏極恒等式と呼ぶ。

つまり内積とノルムは、情報として同じものを持っている。片方を決めれば、もう片方が決まる。

どんなノルムが内積から来るのか

ノルムだけを公理にすると、内積から作れないものが混ざる。 がその例である。

で中線定理を試すと、左辺が 、右辺が 。等しくない。

中線定理を満たすかどうかが、そのまま境目になる。満たせば偏極恒等式で内積が作れ、満たさなければ作れない[3]

ノルム空間

長さだけがある。三角不等式は成り立つが、直角は定義できない

内積空間

角度まで入る。中線定理と偏極恒等式が成り立ち、ノルムと内積が行き来する

ノルムは、どれも中線定理を満たさない[3]。同じ で左辺が 、右辺が になり、 でだけ一致する。

直交

のとき、 は直交するという。角度の話をしなくても、内積が かどうかで言える。

直交するとピタゴラスの定理が成り立つ。展開したとき、内積の項が消えるためだ。

零ベクトルはすべてのベクトルと直交する。逆に、すべてと直交するベクトルは零ベクトルしかない[1] とおけば となり、非退化性から が出る。

上の事実から、 がすべての で成り立てば が言える。

がすべてと直交するので、零ベクトル。内積は、ベクトルを見分けるのに十分な情報を持っている。

が内積から作れないのはなぜですか。

  • 三角不等式を満たさないから
  • 中線定理を満たさないから
  • を意味しないから
__RESULT__

で中線定理の左辺が 、右辺が になります。三角不等式も非退化性も満たすので、ノルムではあります。内積から来るノルムだけが持つ性質が、中線定理です。

角度が入る例も確かめる。

内積空間で かつ のとき、 はいくらですか。

__RESULT__

直交しているので となり、 です。 は長さをそのまま足した値で、これは直交していないときの上限にあたります。

補足

無限次元では、内積があるだけでは足りない場面が出てくる。収束するはずの列が空間の外へ出ていくことがあるためだ。

内積空間が距離について完備なとき、ヒルベルト空間と呼ぶ。二乗可積分関数の空間 がその代表で、フーリエ級数の理論はここで展開される。

有限次元なら完備性は自動で付いてくる。線形代数の範囲で完備性を気にしなくてよいのは、そのためである。

長さと角度は、空間にもとから備わったものではない。内積を 1 つ選んだ結果として決まる。どの内積を選ぶかで、何が直角かが変わる。

参考

Sergei Treil. *Linear Algebra Done Wrong*, Chapter 5. Brown University.
*Inner product spaces*. MSM3P21 Linear Analysis, University of Birmingham.
Piotr Hajlasz. *Functional Analysis*. University of Pittsburgh.
ベクトル空間の公理には長さも角度も出てきません。内積を 1 つ選んではじめて $\|v\| = \sqrt{\langle v, v \rangle}$ が決まり、直角がどれかも決まる。選び方は 1 通りではなく、重みを付けた内積では $(1,0)$ と $(0,1)$ が直交しなくなります。対称性・線形性・非負性・非退化性の 4 条件から、コーシー・シュワルツと三角不等式が順に出る。多項式の積分、行列のフロベニウス内積といった例、複素で共役対称性に置き換える理由、中線定理を満たすノルムだけが内積から来るという話、$\|x\|_1$ が満たさない例まで。