座標が内積だけで出る〜正規直交基底とフーリエ係数
基底が正規直交なら、ベクトルの座標は内積を計算するだけで出る。連立方程式は要らない[1]。
で 、基底を 、 とする。
座標は と である。掛けて足すだけで出た。
この手軽さがどこから来るのか、そして座標以外に何が簡単になるのかを見ていく。
正規直交系
内積空間 のベクトルの組 が正規直交系であるとは、次を満たすことをいう[3]。
条件は 2 つに分かれる。異なるベクトルどうしが直交すること、各ベクトルの長さが であること。
正規直交系が基底にもなっているとき、正規直交基底と呼ぶ。
一次独立は確かめなくてよい
正規直交系は、それだけで一次独立になる[1]。基底かどうかを調べるとき、あとは本数を数えるだけで済む。
証明は短い。 とおき、両辺と の内積をとる。
の項が全部消えて、 だけが残る。 は何でもよいので、係数はすべて である。
次元空間で 本の正規直交系が見つかれば、その時点で基底になっている。
座標は内積で出る
を正規直交基底とし、 と書く。両辺と の内積をとると、上と同じ消え方をする。
つまり係数は内積そのもの。これを のフーリエ係数と呼ぶ[4]。
例: 度回した基底で座標を出す
、 は正規直交基底になる。長さはどちらも で、内積は 。
の座標を出す。
足し戻すと で、確かに に戻る。
例:正規直交でない基底と比べる
、 を基底にとる。この 2 本は直交していない。
内積をそのまま係数だと思うと 、。ところが で、 とはまるで違う。
正しい座標は連立方程式から出す。
解いて 、。次元が上がれば、この連立方程式も大きくなる。
座標は内積 回で出る。 が増えても手順は変わらない
元連立方程式を解く。逆行列を作るか掃き出し法を回す
長さと内積が成分の計算に落ちる
正規直交基底で書くと、内積は座標の積和になる。、 とおいて展開すればよい。
が のときだけ なので、二重和が一重和につぶれる。
とおけば長さの式になる。これをパーセバルの等式と呼ぶ[4]。
上の例で確かめると 、右辺は で合う。

例: で座標を出す
次の 3 本は正規直交基底になる。
長さはどれも 。内積は のように、3 組とも になる。
の座標を出す。
パーセバルで確かめると 、 で一致する。
途中で切ると足りなくなる
本そろっていない正規直交系でも、係数は同じ式で出る。ただし足し戻しても には届かない。
本しか使わないと、長さの二乗は不等式になる。ベッセルの不等式と呼ぶ[5]。
上の の例で と だけを使うと で、 に届かない。差の が 方向に残った成分である。
等号が成り立つのは が の張る空間に入っているときに限る[5]。すべての で等号になるなら、その正規直交系は完全、つまり基底になっている。
正規直交系をとる
係数は内積で決まる
二乗の和が長さに届けば基底
行列として見ると直交行列になる
正規直交基底を列に並べた行列を とおく。 の 成分は、第 列と第 列の内積である[2]。
正方行列なら になり、逆行列を転置だけで書ける。これが直交行列である。
長さも保たれる。 となるためだ。
座標を出す操作は、行列で書けば という 1 回の積になる。
一般の基底なら で、逆行列を作る手間がかかる。転置で済むのが正規直交の利点。
例:関数の正規直交系
区間 上の連続関数に、次の内積を入れる。
このとき三角関数の族が正規直交系になる[3]。
長さが になるのは だからで、 で割ってちょうど 。
このときフーリエ係数は、まさにフーリエ級数の係数になる。名前が同じなのは偶然ではなく、有限次元の話をそのまま無限次元へ伸ばした結果である[5]。
例: の別の正規直交基底
、 も正規直交基底になる。-- の直角三角形から作った組である。
の座標は 、。
二乗の和は で に一致する。基底を回しても長さが変わらない、という事実がここに出ている。
の正規直交基底で、ベクトル の座標が でした。 はいくらですか。
正規直交でないとどうなるかも確かめる。
基底 が直交していないとき、 は何を表しますか。
- 方向の座標
- 座標ではない値
- の長さ
座標が内積に一致するのは正規直交基底のときだけです。直交していないと が残り、他の成分が混ざります。この場合の座標は連立方程式を解いて出します。
直交させて長さをそろえる。この下ごしらえを済ませておくと、座標も長さも内積の計算だけで片づく。












パーセバルの等式から ∥v∥2=16+1+1=18 なので ∥v∥=32 です。座標を足す(4−1+1=4)のでも、いちばん大きい成分をとるのでもなく、二乗して足します。