部分空間の直和と直和分解:分け方が 1 通りに決まる条件
の点 は、 と分けられます。 平面の点と 軸の点の和。
この分け方は 1 通りしかありません。2 つの部分空間が原点でしか交わらないため。
軸を 平面に替えると、 が 平面の元としても 平面の元としても書けます。分け方が何通りも現れる。
部分空間の和
の部分空間 、 に対して、和を次で定めます。
これも の部分空間になる。2 つ足してもスカラー倍しても、 側と 側に分けた形のまま。
集合としての和集合 とは別物です。和集合はふつう部分空間になりません。 軸と 軸の和集合には が入っていない。
直和の定義
が成り立つとき、 を直和と呼び、 と書く。
でないベクトルを 1 つも共有していない、という条件です。
一意性と同値になる
直和であることと、分解が一意であることは同値になる。両向きを示します。
一意ならば交わりが になること。 をとると、 には 2 通りの書き方があります。
一意だから 。交わりは原点だけになります。
逆向きも同じ形です。 と 2 通りに書けたとして、移項する。
左辺は の元、右辺は の元。同じベクトルだから交わりに入り、 より 、 です。
次元の公式
部分空間の和の次元は、重なりのぶんだけ引いた形になります。
直和なら だから、引く項が消える。
逆向きにも使えます。 が次元の和に等しければ、交わりは 。分解を 1 つも書かなくても、次元を数えれば直和かどうかが決まります。
例: を平面と直線に分ける
、 とします。次元はそれぞれ と 。
交わりは を満たす点だけで 。和の次元は で、 全体になります。
の分解は の 1 通りに決まる。
例:直和にならない場合
、 とします。 平面と 平面。
交わりは 軸全体で、 ではありません。次元の公式では となる。
和は 全体になりますが、分け方は 1 通りではない。 は、どの実数 をとっても次のように書けます。
左の項が 、右の項が の元です。分け方は無限にあり、交わっている 軸のぶんだけ自由が残っている。
だから、次元を見ても直和でないと分かります。
交わりが原点より広い。同じベクトルに複数の分け方がある
交わりが原点だけ。分け方はどのベクトルでも 1 通りに決まる
3 つ以上では条件が変わる
部分空間が 3 つ以上のとき、「どの 2 つをとっても交わりが 」では足りない。
で、 を 軸、 を 軸、 を直線 とします。どの 2 本も原点でしか交わらない。
ところが となり、零ベクトルが 以外の形にも分解できます。
次元でも合いません。 で 次元、 とずれる。
正しい条件は、各 と「残り全部の和」の交わりが になることです[1]。
零ベクトルの分解で言い換えられる。()の解が だけになる、という条件です。

基底をつなぐ
のとき、各 の基底を全部つなぐと の基底になります。
一次独立になるのは、一次関係を ごとにまとめると零ベクトルの分解が現れるため。直和なら各まとまりが になり、そこから各係数が と決まります。
全体を張ることは、和の定義からたどれます。 の元はどれも と書け、各 が の基底で書ける。
次元の足し算は、この言い換えです。つないだベクトルの個数を数えれば、そのまま になる。
補空間はいつでもとれる
有限次元の で部分空間 を 1 つ決めると、 を満たす が必ず存在します。 の基底を の基底へ延長し、足したぶんが張る空間をとればよい。
ただし は 1 つに決まりません[2]。 で を 軸とすると、 軸も直線 も補空間になります。
直交補空間なら 1 つに決まります。ただし、そちらには内積がいる。内積のない空間では、補空間は選ぶものです。
部分空間 を決める
基底を延長して補空間をとる
になるが は一意でない
射影と 1 対 1 に対応する
が決まると、 に対して と定める写像ができます。線形で、 を満たす。
逆に から直和分解が導けます。 と書くと、、 より 。
交わりも です。 なら と書け、。
直和分解とべき等な写像は、片方を決めればもう片方が決まる関係にあります。
固有空間への分解
行列 が対角化できることは、空間が固有空間の直和になることと同じです[3]。
異なる固有値の固有空間は、和が直和になる。各成分の上で はスカラー倍として働くため、行列の作用が固有値の並びだけで書ける。
各 の基底をつなげば、固有ベクトルからなる基底ができます。それを列に並べた行列で が対角化される。
対角化できない行列でも、一般固有空間なら直和分解がとれます。
をとる形。固有ベクトルが足りていても足りていなくても空間を張り切り、ジョルダン標準形の土台になります。
の部分空間 、 が 、 のとき、 は直和になりますか。
- なる
- ならない
- 場合による
3 つの部分空間について、どの 2 つの交わりも でした。和は直和ですか。
- 直和になる
- 直和とは限らない
- 交わりが なら定義から直和
の 軸、 軸、直線 が反例です。どの 2 本も原点でしか交わりませんが、 となり分解が一意になりません。各部分空間と残り全部の和との交わりを見ることになる。
交わりを にすると、分け方が 1 通りに決まり、成分ごとに切り離して扱えます。対角化もジョルダン標準形も、空間をどの部分空間の直和に割るかを決める話です。













次元の公式から dim(W1+W2)=5−dim(W1∩W2) です。左辺は R4 の部分空間だから 4 以下、よって dim(W1∩W2)≥1。交わりが原点だけにはなりません。