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内積がゼロになる相手を全部集めると閉部分空間になる

ヒルベルト空間 の 2 つのベクトル が直交するとは、内積が になることをいいます[1]。記号は 。

ノルムだけの世界には「垂直」がありません。内積が入ってはじめて、角度という言葉が使えるようになります[4]。

直交するとピタゴラスの定理がそのまま成り立ちます。

展開したときに真ん中の項が消える、というだけの話。有限個に増やしても同じで、互いに直交する について和のノルムの二乗が各項の二乗和になります。

直交補空間

部分集合 に対し、 のすべての元と直交するベクトルの全体を直交補空間といいます[1]。

が部分空間でなくても定義できます。ところが のほうは、いつでも閉部分空間になる。

線形性は内積の線形性から出ます。閉じていることは、内積が連続だから。 で なら、極限でも です。

を作る操作は、 の張る閉部分空間しか見ていません。 が成り立ちます[4]。

交わりは原点だけ

が部分空間なら、 です。

が両方に属すると となり、内積の正定値性から 。ここが「垂直」という言葉の効くところ。

が閉部分空間なら、もっと強い分解が成り立ちます[3]。

どの も (、)と一意に書ける、という主張です。 が閉であることが要ります。

2 回とると閉包になる

を作ると、もとに戻るとは限りません[4]。戻るのは閉部分空間のときだけ。

が閉部分空間なら 。閉でなければ、閉包まで広がったところで止まります。

ここから稠密性の判定が出ます。部分空間 が稠密であることと、 であることが同値。

近似の議論でよく使う形です。「この関数系で全部を近似できるか」を、「この系すべてと直交するものが しかないか」に置き換えられます。

と直交するものを全部集める

それが閉部分空間 になる

もう一度とると の閉包に戻る

例:偶関数と奇関数

を、偶関数の全体 と奇関数の全体 に分けます[3]。

右辺の第 1 項が偶、第 2 項が奇。積分すると偶関数と奇関数の積が奇関数になるので、内積は です。

したがって で、 という直交分解になります。日常的に使う偶奇分解が、そのまま直交分解の例。

例:区間で切る

を可測集合とし、 とします[3]。

は の上で になる関数の全体です。台が交わらないので内積が になる。

分解は指示関数を掛けるだけ。 が、そのまま直交分解になります。

偶奇による分解

対称性で分ける。 を使う操作で射影が書ける

台による分解

場所で分ける。指示関数を掛ける操作が射影になる

直交系を作る:グラム・シュミット

1 次独立なベクトルの列から、正規直交系を組み立てられます[4]。

とし、以下は前までの成分を引いてから正規化する。

引いている量は、 をすでに作った空間へ射影したものです。残りが直交補空間へ落ちる、という仕組み。

無限個でも同じ手続きが使えます。可分なヒルベルト空間なら、可算な稠密集合から出発して正規直交系が作れる[2]。

直交系は 1 次独立

正規直交系 は自動的に 1 次独立です。有限個の 1 次結合が になるとして、 と内積をとれば係数が になる。

逆は成り立ちません。1 次独立でも直交とは限らず、そこを直す手続きがグラム・シュミットです。

直交していると、係数を内積ひとつで読み出せます。

の両辺に を当てると、他の項が消えて だけが残る。

quiz で確かめる

が閉でない部分空間のとき、 は何になりますか。

  • そのもの
  • の閉包
  • 全体
__RESULT__

はいつでも閉部分空間で、2 回とると の張る閉部分空間に戻ります。 が閉でなければ、閉包まで広がったところで止まります。

よくある誤り

が閉でない場合があると思う。内積の連続性から必ず閉になります。
がいつでも成り立つと思う。成り立つのは閉部分空間のときだけです。
直和分解に の閉性が要らないと思う。閉でないと分解が壊れます。
ピタゴラスの定理に直交性が要らないと思う。真ん中の項が消えるのは直交のときだけです。
1 次独立なら直交だと思う。逆向きは成り立ちません。
が部分空間でないと を作れないと思う。任意の部分集合で定義できます。
稠密性の判定を直接の近似で確かめようとする。 を見るほうが早い場面が多いです。

参考文献

Hilbert space. Wikipedia(英語).
Hilbertraum. Wikipedia(ドイツ語).
J. K. Hunter, B. Nachtergaele. *Applied Analysis*, Chapter 8: Bounded Linear Operators on a Hilbert Space. University of California at Davis.
Hilbert projection theorem. Wikipedia(英語).
内積が $0$ になることを直交と呼びます。ノルムだけの世界にはない「垂直」が、内積を入れると使えるようになる。直交補空間がもとの集合の形によらず閉部分空間になること、閉部分空間なら $H = M \oplus M^{\perp}$ と分かれること、2 回とると閉包に戻ることを見ます。偶奇分解と台による分解の例、稠密性を $M^{\perp}$ が $0$ だけかどうかで判定する使い方、グラム・シュミットで直交系を組む手続きまで。