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ベクトルの内積|成分での計算・なす角の求め方・コーシー シュワルツの不等式

内積は 2 つのベクトルから 1 つの数を作る演算です。ベクトルどうしを掛けるのに、出てくるものはベクトルではない。

成分を掛けて足すだけの式ですが、これが長さと角度をまとめて背負っている。 の長さに、 の向きへ落とした影の長さを掛けた値、と読み替えられるからです。

長さも角度も、もとをたどればこの一つの式から出てくる。距離を測る、直角かどうかを見る、どれくらい似た向きかを数える。そうした操作がすべて内積に還元されます。

成分の積を足す

定義は成分どうしの積の和。次元がいくつでも同じ形で書けます。

順番を入れ替えても値は変わらない。各項で数の掛け算の順序を変えるだけだからです。

ドットの記号から、ドット積と呼ぶこともあります。 と書く流儀もあり、どれも同じものを指す。

掛け算という名前がついていても、数の掛け算とは別の演算です。結合法則は書きようがなく、約分もできない。この違いが誤りの温床になるので、後の節でまとめて挙げます。

例:成分から内積を求める

で計算する。

負の項が混じっても、そのまま足すだけです。結果の は数であって、ベクトルではない。

内積となす角

もう一つの定義は、長さとなす角で書いたもの。

は 2 つのベクトルのなす角で、 から までにとります。長さは正なので、内積の符号を決めるのは だけ。

鋭角なら正、直角でちょうど 、鈍角なら負になる。向きがどれくらいそろっているかを、符号と大きさで表しています。

同じ向きにそろうと で、内積は長さの積そのものになります。真逆を向けば 倍で、これがとりうる値の両端。この両端をきちんと証明したものが、後で扱うコーシー シュワルツの不等式にあたります。

余弦定理から 2 つの式が一致する

成分の式と角度の式が同じものだという保証は、余弦定理から来る。 を 2 辺とする三角形を考えます。

残りの辺は です。余弦定理をそのまま書き下す。

左辺を成分で展開すると、別の形が出てくる。

2 つを見比べれば が残る。長さの二乗の項が両側で打ち消し合うからです。

同じ式を逆に読むと、内積が 3 つの長さだけで書ける。

極化恒等式と呼ばれる関係です。角度を持ち出さずに内積を定義できるので、抽象的な空間へ進むときの足場になる。

例:なす角を求める

のなす角を出す。

内積は で、長さは です。

したがって です。 に直してから約分すると、根号が分母に残らない。

きれいな角になる例はむしろ少なく、ふつうは逆余弦の値をそのまま答えにする。 なら で、およそ です。

内積が 0 なら直交する

なので、直角のとき内積は消える。逆に内積が で、どちらの長さも でなければ、 から直角が出ます。

零ベクトルでない 2 つについては、直交することと内積が であることが同じ意味になる。この言い換えのおかげで、直交を成分の計算だけで確かめられます。

零ベクトルはどのベクトルとも内積が です。向きを持たないので、なす角のほうは定まらない。

例:直交するように成分を決める

が直交する を求める。

内積を作ると となり、 が出ます。

未知数を残したまま内積を書いて と置くだけ。角度を経由しないので、次元が増えても手順は変わりません。

単位ベクトルとの内積が成分になる

長さ のベクトルを相手にすると、内積の読み方がはっきりする。 との内積は で、第 1 成分がそのまま出てきます。

一般に単位ベクトル との内積は、 のうち の向きにそろっている量です。 なので となり、影の長さそのものになる。

座標軸とのなす角で書いた を方向余弦という。それぞれ です。

3 つを並べたものが と同じ向きの単位ベクトルなので、二乗和は になります。成分とは軸方向の影である、という見方がここで形になる。

正射影

の向きへ落とした影は、ベクトルとして書ける。

分母が になるのは、 を単位ベクトルに直す分と影の長さを測る分で、 を 2 回割るからです。

残った と直交する。実際に内積をとると打ち消し合って になります。

こうして は、 に平行な成分と直交する成分にただ一通りに分かれる。

例:正射影ベクトルを求める

の向きへ落とす。

内積は です。

係数の より小さいので、影は より短くなる。係数が負なら、影は と逆を向きます。

内積の性質

成分の定義から、3 つの性質がすぐ確かめられる。

対称性。 が成り立つ
線形性。 となる
正定値性。 で、等号は のときに限る

対称性と第 1 変数の線形性を合わせると、第 2 変数の線形性も従います。両方について線形なので双線形性と呼ぶ。

この 3 つを公理として抜き出せば、成分を持たない空間でも内積が定義できる。関数の空間にも行列の空間にも、同じ形で内積が入ります。

正定値性だけは他の 2 つと役割が違う。対称性と線形性は計算規則ですが、正定値性は長さを定義できるようにする条件で、これが崩れると が意味を持たなくなります。

ノルムとの関係

自分自身との内積が長さの二乗。

三平方の定理をそのまま書いた形になっています。実際の組み立てでは、内積を先に決めて長さをこの式で定義する順序をとる。

長さの測り方は 1 通りではありません。成分の絶対値を足す測り方のように、内積から来ないものもある。

距離も内積だけで書ける。 が 2 点の隔たりで、中身を展開すれば内積の組み合わせに戻ります。角度と長さと距離が、どれも同じ一つの演算から出てくる。

コーシー シュワルツの不等式

内積の絶対値が、長さの積を超えることはない。

の絶対値が 以下だと言っているだけに見えます。ところが角度を定義する前でも成り立つところに、この不等式の値打ちがある。

話はむしろ逆で、この不等式があるから を余弦と見なせる。値が から に収まる保証がなければ、なす角を定義できません。

判別式による証明

実数 を動かして、 の長さの二乗を眺める。

長さの二乗なので、どの でも です。 なら の 2 次式で、下に凸の放物線が横軸より下へ出ない。

そのためには判別式が 以下でなければならない。

移項して平方根をとれば結論です。等号は放物線が横軸に接するとき、つまり となる が存在するときに限る。

条件は単純で、2 つのベクトルが平行なとき。

この証明で使ったのは、対称性と線形性と正定値性の 3 つだけです。成分も次元も出てこないので、そのまま一般の内積空間で通用する。関数の空間で積分の不等式として現れるものも、中身は同じ論法です。

ラグランジュの恒等式による別証明

不等式の差がそのまま二乗和になる、という等式もある。

右辺は二乗の和なので 以上です。移項するだけでコーシー シュワルツの不等式が出る。

等号の条件も同じ式から読める。すべての となるとき、つまり成分が比例するときです。

3 次元では、右辺が外積の長さの二乗になる。

を、内積と外積の言葉に翻訳した式です。片方が大きいほど、もう片方は小さくなる。

例:ラグランジュの恒等式を確かめる

で両辺を出す。

、内積は なので、左辺は です。

外積は で、長さの二乗は になる。両辺が一致しました。

例:コーシー シュワルツで不等式を示す

実数 について次の不等式を示す。

に当てはめる。内積は です。

両辺を二乗した形が、そのまま求める式になります。等号は に平行なとき、つまり のとき。

で試すと左辺が 、右辺が で、確かに成り立っています。

向きのそろい方を測る

内積を長さの積で割った値が余弦。

この値をコサイン類似度と呼びます。 なら同じ向き、 なら直交、 なら真逆で、途中の値が向きのそろい方を表す。

長さで割っているので、ベクトルを何倍しても値は変わらない。文書を単語の出現回数のベクトルにすると、文書の長さに左右されずに主題の近さが測れます。

成分の数が数万になっても式は変わりません。高次元でそのまま使える手軽さが、応用側で選ばれる理由になっている。

行列で書く

縦ベクトルとして扱えば、内積は行列の積として書ける。

の積なので、結果は の行列、つまり数です。転置が要るのは、行と列の向きをそろえるため。

正定値対称行列 を間に挟んだ も、内積の 3 条件を満たす。基底が直交していない座標系では、この形が本来の内積にあたります。

は基底ベクトルどうしの内積を並べた行列で、グラム行列と呼ばれる。 が単位行列のときが、見なれた成分の積和です。

長さを保つ変換は内積を保つ

長さを変えない変換は、内積も変えない。回転や鏡映がそれにあたります。

理由は極化恒等式。内積が 3 つの長さだけで書けるので、長さが保たれれば内積も保たれます。

逆向きも成り立つ。内積が保たれれば、自分自身との内積である長さの二乗も保たれるからです。角度が変わらないことと長さが変わらないことは、同じ 1 つの条件。

力と変位の内積が仕事

物理では、力と変位の内積が仕事にあたる。力のうち動いた向きにそろっている分だけが効く、という事情が に出ています。

まっすぐ押して押した向きへ動けば、仕事は力と距離の積そのものです。斜めに押せば の分だけ目減りする。

真横に押しても物体が前へ進むなら、その力は仕事をしていません。内積が になるからで、直交していることと仕事がないことが同じ意味になる。

よくある誤り

内積の結果はベクトルではなく数です。矢印を付けて書いた時点で、その先の式はすべて崩れる。
という式は書けません。括弧の中がスカラーなので、外側のドットは内積になりようがない。
から は出ない。言えるのは と直交することだけです。
内積が負でも計算違いとは限りません。なす角が鈍角なら、符号は負で正しい。
が等しくなるのは、2 つが平行なときだけ。
正射影の分母を と書き間違えると次数が合わない。割るのは です。
逆余弦へ渡す値は 以上 以下に収まります。丸め誤差で範囲を出ると、定義域から外れる。
零ベクトルはどのベクトルとも内積が になりますが、なす角のほうは決まらない。

参考文献

Dot product - Wikipedia
Cauchy-Schwarz inequality - Wikipedia
Vector projection - Wikipedia
Lagrange's identity - Wikipedia
Cosine similarity - Wikipedia
Paul's Online Notes, Dot Product
Skalarprodukt - Wikipedia(ドイツ語)
Produit scalaire - Wikipédia(フランス語)
点积 - 维基百科(中国語)
Producto escalar - Wikipedia(スペイン語)
成分を掛けて足すだけの式が、長さと角度をまとめて背負っている。余弦定理から成分の式と余弦の式が一致することを示し、なす角の求め方、正射影ベクトルの分解、コーシー シュワルツの不等式の証明までをたどります。