Set of vectors used to define coordinates
同じベクトル (濃い紫色) を 2 つの異なる基底 (紫色と赤色の矢印) で表すことができます。
数学 において 、 ベクトル空間 V の元の 集合 Bは、 V のすべての元が B の元の有限 線型結合 として一意に表せるとき、 基底 ( 複数形 : 基底 )と呼ばれます。この線型結合の係数は、 B に関するベクトルの 成分 または 座標 と呼ばれます 。基底の元は、 基底ベクトル 。
同様に、集合 B が基底であるとは、その要素が 線型独立であり、かつ V のすべての要素が B の要素の 線型結合で ある場合を言う 。 [1] 言い換えれば、基底は線型独立な 全域集合 である。
ベクトル空間には複数の基底を設定できますが、すべての基底の要素数 ( ベクトル空間の
次元と呼ばれる) は同じです。
この記事は主に有限次元ベクトル空間を扱います。しかし、多くの原理は無限次元ベクトル空間にも当てはまります。
基底ベクトルは、結晶構造 や 参照フレーム の研究に応用されています 。
意味
体 F 上の ベクトル空間 V の 基底 B (実数 R や 複素数 C など )は、 V を張る V の線型独立な部分集合である 。 つまり 、 V の 部分 集合 B が 基底 と なる のは、以下の2つの条件を満たす場合である。
線形独立性: B のすべての 有限 部分集合に対して 、 F の いずれかに対して が成り立つ 場合 、
{
v
1
,
…
,
v
m
}
{\displaystyle \{\mathbf {v} _{1},\dotsc ,\mathbf {v} _{m}\}}
c
1
v
1
+
⋯
+
c
m
v
m
=
0
{\displaystyle c_{1}\mathbf {v} _{1}+\cdots +c_{m}\mathbf {v} _{m}=\mathbf {0} }
c
1
,
…
,
c
m
{\displaystyle c_{1},\dotsc ,c_{m}}
c
1
=
⋯
=
c
m
=
0
{\displaystyle c_{1}=\cdots =c_{m}=0}
全域性: V の任意のベクトル vに対して、 F と B において と なるベクトル を選ぶことができる 。 言い換えれば、 v は B のいくつかのベクトルの線型結合として表すことができる 。
a
1
,
…
,
a
n
{\displaystyle a_{1},\dotsc ,a_{n}}
v
1
,
…
,
v
n
{\displaystyle \mathbf {v} _{1},\dotsc ,\mathbf {v} _{n}}
v
=
a
1
v
1
+
⋯
+
a
n
v
n
{\displaystyle \mathbf {v} =a_{1}\mathbf {v} _{1}+\cdots +a_{n}\mathbf {v} _{n}}
スカラー は基底 B に対するベクトル v の座標と呼ばれ 、最初の特性により一意に決定されます。
a
i
{\displaystyle a_{i}}
有限な 基底を持つベクトル空間は 有限次元 と呼ばれます 。この場合、有限部分集合を B 自身としてとることで、上記の定義における線型独立性を検証できます。
基底ベクトルに順序を 付けると便利な場合や、場合によっては必要な場合もあります。 たとえば、 向き について議論する場合や、基底要素を明示的に参照せずに基底に関するベクトルのスカラー係数を検討する場合などです。この場合、各係数を対応する基底要素に関連付けるために順序付けが必要です。この順序付けは、基底要素に番号を付けることによって行うことができます。順序が選択されたことを強調するために、 順序付き基底 と呼びます。これは、単に構造化されていない セット ではなく、 シーケンス 、 インデックス付きファミリ 、または同様のものになります。以下の § 順序付き基底と座標 を参照してください。
例
この図は R 2 における 標準基底 を表しています。青とオレンジのベクトルは基底の要素です。緑のベクトルは基底ベクトルで表すことができるため、基底ベクトルに 線形従属し ます。
実数 の 順序付き対 の 集合 R 2 は、任意の実数に対して、成分ごとの加算
とスカラー乗算の演算が
可能なベクトル空間です 。このベクトル空間の単純な基底は、2つのベクトル e 1 = (1, 0) と e 2 = (0, 1)で構成されます。これらのベクトルは、 R 2 の 任意のベクトル v = ( a , b ) が次のように一意に表せるため、 基底( 標準基底と呼ばれる)を形成します。 R 2 の他の線形独立なベクトルの対 、例えば (1, 1) や (-1, 2)も、 R 2 の基底を形成します 。
(
a
,
b
)
+
(
c
,
d
)
=
(
a
+
c
,
b
+
d
)
{\displaystyle (a,b)+(c,d)=(a+c,b+d)}
λ
(
a
,
b
)
=
(
λ
a
,
λ
b
)
,
{\displaystyle \lambda (a,b)=(\lambda a,\lambda b),}
λ
{\displaystyle \lambda }
v
=
a
e
1
+
b
e
2
.
{\displaystyle \mathbf {v} =a\mathbf {e} _{1}+b\mathbf {e} _{2}.}
より一般的には、 Fが 体 であるとき、 F の n 組の元 の 集合は、 同様に定義された加法とスカラー乗算のためのベクトル空間である。を、i 番目の 要素を除くすべての要素が 0 である n 組とし、 i 番目の要素は 1 であるとする。すると、 は の基底となり、これは の 標準基底 と呼ばれる。
F
n
{\displaystyle F^{n}}
e
i
=
(
0
,
…
,
0
,
1
,
0
,
…
,
0
)
{\displaystyle \mathbf {e} _{i}=(0,\ldots ,0,1,0,\ldots ,0)}
e
1
,
…
,
e
n
{\displaystyle \mathbf {e} _{1},\ldots ,\mathbf {e} _{n}}
F
n
,
{\displaystyle F^{n},}
F
n
.
{\displaystyle F^{n}.}
異なる趣の例として、 多項式環 が挙げられます。F が 体である場合、 F に係数を持つ 1 つの 不定元 X のすべての 多項式の集合 F [ X ]は、 F ベクトル空間になります 。この空間の基底の 1 つは 単項式基底 B で、すべての 単項式 から構成されます。 各次数にちょうど 1 つの多項式が存在するような多項式の集合 ( ベルンシュタイン基底多項式 や チェビシェフ多項式 など) も基底になります。(このような多項式の集合は 多項式列 と呼ばれます。) しかし、この形式ではない
F [ X ] の基底も数多く存在します。
B
=
{
1
,
X
,
X
2
,
…
}
.
{\displaystyle B=\{1,X,X^{2},\ldots \}.}
プロパティ
有限基底の多くの特性は、 シュタイニッツ交換補題 から生じます。これは、任意のベクトル空間 V について、有限 全域集合 S と Vの n 個の要素 の 線形独立 集合 Lが与えられた場合、 S の適切に選択された n個の要素を L の要素で 置き換えると、 L を 含み、その他の要素が Sに含まれ、要素数が S と同じ 全域集合が得られることを示しています 。
シュタイニッツ交換補題から生じる特性のほとんどは、有限の全域集合が存在しない場合にも真のままであるが、無限の場合の証明には通常、 選択公理、または 超フィルタ補題 などの選択公理のより弱い形式が必要である 。
V が体 F 上のベクトル空間である場合 、次のようになります。
L が全域集合 S ⊆ V の線型独立部分集合である場合 、基底 B が存在し、
L
⊆
B
⊆
S
.
{\displaystyle L\subseteq B\subseteq S.}
V に は基底があります (これは、 L が 空集合 であり 、 S = V である場合の前述のプロパティです)。
V のすべての基底は 同じ 濃度を持ち、これを V の 次元 と呼ぶ 。これが 次元定理で ある。
生成集合 Sが V の基底となるの は、それが最小である場合のみです。つまり、 S の 適切な部分集合は、 V の生成集合でもありません 。
線形独立集合 L は、それが最大である場合にのみ基底となります。つまり、任意の線形独立集合の適切な部分集合ではありません。
Vが n 次元のベクトル空間である 場合 、次のようになります。
n 個の要素を持つ V のサブセットは 、線形独立である場合に限り基底となります。
n 個の要素を持つ V のサブセットは、それが V の全域セットである場合に限り、基底となります 。
座標
V を 体 F上の有限次元 n のベクトル空間とし 、 を
V
の基底とします 。基底の定義により、 V のすべての v は 、一意に次のように表すことができます。
ここで、係数は スカラー(つまり、 Fの元)であり、 B 上の v の 座標 と呼ばれます。ただし、係数の 集合 について話す場合 、係数と基底元の対応が失われ、複数のベクトルが同じ係数の 集合 を持つ可能性があります。たとえば、 とは 同じ係数の集合 {2, 3} を持ちますが、と は異なります。したがって、 順序付き基底 を使用すると便利な場合がよくあります。これは通常、 基底元に最初の自然数で インデックスを付けることで行われます。すると、ベクトルの座標は同様にインデックス付けされた シーケンス を形成し、ベクトルは座標のシーケンスによって完全に特徴付けられます。順序付き基底は、特に 原点と組み合わせて使用される場合は、 座標フレーム または単に フレーム (たとえば、 直交フレーム または アフィンフレーム )
とも呼ばれます。
B
=
{
b
1
,
…
,
b
n
}
{\displaystyle B=\{\mathbf {b} _{1},\ldots ,\mathbf {b} _{n}\}}
v
=
λ
1
b
1
+
⋯
+
λ
n
b
n
,
{\displaystyle \mathbf {v} =\lambda _{1}\mathbf {b} _{1}+\cdots +\lambda _{n}\mathbf {b} _{n},}
λ
1
,
…
,
λ
n
{\displaystyle \lambda _{1},\ldots ,\lambda _{n}}
3
b
1
+
2
b
2
{\displaystyle 3\mathbf {b} _{1}+2\mathbf {b} _{2}}
2
b
1
+
3
b
2
{\displaystyle 2\mathbf {b} _{1}+3\mathbf {b} _{2}}
いつものように、 を F の n 組の元 の集合とします 。この集合は F ベクトル空間であり、加法とスカラー乗算が成分ごとに定義されています。写像は
ベクトル空間から V への 線型同型
です 。言い換えれば、は V の 座標空間 であり 、 n 組は v の 座標ベクトル です 。
F
n
{\displaystyle F^{n}}
φ
:
(
λ
1
,
…
,
λ
n
)
↦
λ
1
b
1
+
⋯
+
λ
n
b
n
{\displaystyle \varphi :(\lambda _{1},\ldots ,\lambda _{n})\mapsto \lambda _{1}\mathbf {b} _{1}+\cdots +\lambda _{n}\mathbf {b} _{n}}
F
n
{\displaystyle F^{n}}
F
n
{\displaystyle F^{n}}
φ
−
1
(
v
)
{\displaystyle \varphi ^{-1}(\mathbf {v} )}
の 逆像 は、 i番目だけが1であるn 組 の 成分 が すべて0である。 は の順序基底を形成し、これはその 標準基底 または 標準基底 と呼ばれる 。順序基底 B は、 の標準基底の による像である 。
φ
{\displaystyle \varphi }
b
i
{\displaystyle \mathbf {b} _{i}}
e
i
{\displaystyle \mathbf {e} _{i}}
e
i
{\displaystyle \mathbf {e} _{i}}
F
n
{\displaystyle F^{n}}
φ
{\displaystyle \varphi }
F
n
{\displaystyle F^{n}}
前述のことから、任意の順序基底は の標準基底の線型同型による像であり 、から V への任意 の線型同型は、の標準基底を V の与えられた順序基底に 写す同型として定義できることがわかる。言い換えれば、 V の順序基底を定義すること、またはから V への線型同型 を定義することと同義である 。
F
n
{\displaystyle F^{n}}
F
n
{\displaystyle F^{n}}
F
n
{\displaystyle F^{n}}
F
n
{\displaystyle F^{n}}
基準の変更
V を 体 F 上のn 次元のベクトル空間とします 。V の 2 つの (順序付けられた) 基底 と が与えられている場合 、 に関する ベクトル x の座標を に関する座標で表すと便利なことがよくあります 。 これは 、後述する 基底変換公式 によって行うことができます。添え字の「古い」および「新しい」は、 およびをそれぞれ 古い基底 および 新しい基底 と呼ぶのが慣例であるためです 。古い座標を新しい座標で表すと便利なのは、一般に、古い座標を含む 式 があり、新しい座標で同等の式を得たい場合、古い座標を新しい座標での式で置き換えれば得られるからです。
B
old
=
(
v
1
,
…
,
v
n
)
{\displaystyle B_{\text{old}}=(\mathbf {v} _{1},\ldots ,\mathbf {v} _{n})}
B
new
=
(
w
1
,
…
,
w
n
)
{\displaystyle B_{\text{new}}=(\mathbf {w} _{1},\ldots ,\mathbf {w} _{n})}
B
o
l
d
{\displaystyle B_{\mathrm {old} }}
B
n
e
w
.
{\displaystyle B_{\mathrm {new} }.}
B
o
l
d
{\displaystyle B_{\mathrm {old} }}
B
n
e
w
{\displaystyle B_{\mathrm {new} }}
通常、新しい基底ベクトルは、古い基底上の座標によって与えられます。つまり、
と がそれぞれ古い基底と新しい基底上のベクトル x の座標である
場合 、基底変換式は
i = 1、...、 n
に対して次のようになります 。
w
j
=
∑
i
=
1
n
a
i
,
j
v
i
.
{\displaystyle \mathbf {w} _{j}=\sum _{i=1}^{n}a_{i,j}\mathbf {v} _{i}.}
(
x
1
,
…
,
x
n
)
{\displaystyle (x_{1},\ldots ,x_{n})}
(
y
1
,
…
,
y
n
)
{\displaystyle (y_{1},\ldots ,y_{n})}
x
i
=
∑
j
=
1
n
a
i
,
j
y
j
,
{\displaystyle x_{i}=\sum _{j=1}^{n}a_{i,j}y_{j},}
この式は行列 記法で簡潔に書くことができる 。A を の行列とし 、 v
を それぞれ 古い基底と新しい基底における
座標の 列ベクトル
とすると、座標変換の式は次のようになる。
a
i
,
j
{\displaystyle a_{i,j}}
X
=
[
x
1
⋮
x
n
]
and
Y
=
[
y
1
⋮
y
n
]
{\displaystyle X={\begin{bmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{bmatrix}}\quad {\text{and}}\quad Y={\begin{bmatrix}y_{1}\\\vdots \\y_{n}\end{bmatrix}}}
X
=
A
Y
.
{\displaystyle X=AY.}
この式はベクトル x の2つの基底への分解を考えることによって証明できる。1つは
、
x
=
∑
i
=
1
n
x
i
v
i
,
{\displaystyle \mathbf {x} =\sum _{i=1}^{n}x_{i}\mathbf {v} _{i},}
x
=
∑
j
=
1
n
y
j
w
j
=
∑
j
=
1
n
y
j
∑
i
=
1
n
a
i
,
j
v
i
=
∑
i
=
1
n
(
∑
j
=
1
n
a
i
,
j
y
j
)
v
i
.
{\displaystyle \mathbf {x} =\sum _{j=1}^{n}y_{j}\mathbf {w} _{j}=\sum _{j=1}^{n}y_{j}\sum _{i=1}^{n}a_{i,j}\mathbf {v} _{i}=\sum _{i=1}^{n}{\biggl (}\sum _{j=1}^{n}a_{i,j}y_{j}{\biggr )}\mathbf {v} _{i}.}
基底変換式は、ベクトルの基底分解の一意性から生じます。ここで は i
= 1, ..., n
の場合です 。
B
old
{\displaystyle B_{\text{old}}}
x
i
=
∑
j
=
1
n
a
i
,
j
y
j
,
{\displaystyle x_{i}=\sum _{j=1}^{n}a_{i,j}y_{j},}
無料モジュール
ベクトル空間の定義に現れる体を環に置き換えると 、 加群 の定義が得られます 。加群の場合、 線型独立性 と 全域集合は ベクトル空間の場合と全く同様に定義されますが、「 生成集合 」という表現は「全域集合」という表現よりも一般的に用いられます。
ベクトル空間と同様に、 加群の 基底は線型独立な部分集合であり、生成集合でもあります。ベクトル空間理論との大きな違いは、すべての加群が基底を持つわけではないことです。基底を持つ加群は 自由加群と呼ばれます。自由加群は加群理論において基本的な役割を果たし、 自由分解 を通して非自由加群の構造を記述するために使用できます 。
整数上の加群はアーベル群 と全く同じものです 。したがって、整数上の自由加群は自由アーベル群でもあります。自由アーベル群には、他の環上の加群にはない特定の性質があります。具体的には、自由アーベル群のすべての部分群は自由アーベル群であり、 G が有限生成自由アーベル群 H (つまり有限基底を持つアーベル群)の部分群である場合、 H の基底 と整数 0 ≤ k ≤ n が存在し、 そのような整数は G の基底となります (ただし、これは 0 以外の整数の一部です) 。 詳細については、 「自由アーベル群 § 部分群」 を参照してください。
e
1
,
…
,
e
n
{\displaystyle \mathbf {e} _{1},\ldots ,\mathbf {e} _{n}}
a
1
e
1
,
…
,
a
k
e
k
{\displaystyle a_{1}\mathbf {e} _{1},\ldots ,a_{k}\mathbf {e} _{k}}
a
1
,
…
,
a
k
{\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{k}}
分析
実数または複素数上の無限次元ベクトル空間の文脈では、 ハメル基底 ( ゲオルク・ハメル [2] )または 代数基底は 、この記事で定義される基底を指すために使用することができる。これは、無限次元ベクトル空間に追加の構造が付与されている場合に存在する他の「基底」の概念と区別するためである。最も重要な代替基底は、 ヒルベルト空間 上の 直交基底 、 シャウダー基底 、および ノルム線型空間 上の マルクシェビッチ基底 Q 上のベクトル空間として見た R の場合 、ハメル基底は無数であり、特に 連続体の 基数 つまり基数 ここで 、 ( アレフ・ノート )は最小の無限基数、つまり整数の基数である。
2
ℵ
0
{\displaystyle 2^{\aleph _{0}}}
ℵ
0
{\displaystyle \aleph _{0}}
他の概念に共通する特徴は、空間を生成するために基底ベクトルの無限線形結合を許容することです。もちろん、これは位相 ベクトル空間(例えば ヒルベルト空間 、 バナッハ空間 、 フレシェ空間 などを含むベクトル空間の大きなクラス)の場合と同様に、これらの空間上で無限和が意味のある形で定義されていることを必要とします 。
無限次元空間に他の種類の基底が好まれる理由は、バナッハ空間ではハメル基底が「大きくなりすぎる」という事実によって正当化される。すなわち、 Xが 完備な 無限次元ノルムベクトル空間 (すなわち、 X がバナッハ 空間)である場合、 X の任意のハメル基底は 必然的に 非可算 である。これは、 ベールの範疇定理 の結果である 。完全性と無限次元は、前の主張における重要な仮定である。確かに、有限次元空間は定義により有限の基底を持ち、可算なハメル基底を持つ無限次元(非完備 )ノルム空間が存在している 。 有限 個 の非ゼロ元のみを持つ実数列 の 空間でノルム である空間を考えてみよう 。 その 標準基底 は 、1 に等しい非ゼロ元を 1 つだけ持つ列で構成され、可算なハメル基底である。
c
00
{\displaystyle c_{00}}
x
=
(
x
n
)
{\displaystyle x=(x_{n})}
‖
x
‖
=
sup
n
|
x
n
|
{\textstyle \|x\|=\sup _{n}|x_{n}|}
例
フーリエ級数 の研究では 、関数 {1}∪{sin( nx ),cos( nx ): n = 1, 2, 3, ...} は、区間[0, 2π]上のすべての(実数値または複素数値)関数の(実数または複素数)ベクトル空間の「直交基底」であり、この区間で2乗積分可能であること、つまり関数 f
が
∫
0
2
π
|
f
(
x
)
|
2
d
x
<
∞
.
{\displaystyle \int _{0}^{2\pi }\left|f(x)\right|^{2}\,dx<\infty .}
関数 {1}∪{sin( nx ),cos( nx ): n = 1, 2, 3, ...} は線形独立であり、[0, 2π]上で2乗積分可能なすべての関数 f は、それらの「無限線形結合」である。
lim
n
→
∞
∫
0
2
π
|
a
0
+
∑
k
=
1
n
(
a
k
cos
(
k
x
)
+
b
k
sin
(
k
x
)
)
−
f
(
x
)
|
2
d
x
=
0
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }\int _{0}^{2\pi }{\biggl |}a_{0}+\sum _{k=1}^{n}\left(a_{k}\cos \left(kx\right)+b_{k}\sin \left(kx\right)\right)-f(x){\biggr |}^{2}dx=0}
適切な(実数または複素数の)係数 a k 、 b k に対して。しかし、多くの [3] 平方可積分関数はこれらの基底関数の 有限 線型結合として表すことができず、したがってハメル基底を構成 しない 。この空間のすべてのハメル基底は、この単なる可算無限関数の集合よりもはるかに大きい。この種の空間のハメル基底は一般的には役に立たないが、これらの空間の 直交基底は フーリエ解析 において不可欠である 。
幾何学
アフィン空間 、 射影空間 、 凸集合 、 円錐 といった幾何学的概念は、 それぞれ関連する概念を持っている。 基底 。 [4] n 次元アフィン空間 の アフィン 基底は、 一般的な線形位置 にある点である 。
n
+
1
{\displaystyle n+1}
射影基底 は、 n 次元の射影空間における一般的な位置にある点 である 。
n
+
2
{\displaystyle n+2}
多面体 の 凸基底 は、その凸包 の頂点の集合である 。 円錐基底 [5] は多角形円錐の1点×1辺から構成される。 ヒルベルト基底(線形計画法) 。
ランダム基底
確率密度関数 を持つ R n の 確率分布 、例えば ルベーグ測度に関する n 次元球体の等分布では、 n個のランダムかつ独立に選ばれたベクトルが 確率 1 で 基底を形成することが示される。これは、 R n の n 個の線形従属ベクトル x 1 , ..., x n が 方程式 det[ x 1 ⋯ x n ] = 0 (列 x i を持つ行列の零行列式)を満たす必要 があり 、非自明な多項式の零点集合が零測度を持つという事実による。この観察は、ランダム基底を近似する技術につながった。 [6] [7]
n 次元立方体 [−1, 1] n から独立にランダムに抽出されたベクトルのほぼ直交する対鎖の長さNの、次元 n の関数としての経験分布。箱ひげ図は各 n についてこのデータの第2四分位と第3四分位を示し 、赤いバーは中央値、青い星は平均値を示す。赤い曲線は式(1)で与えられた理論的な境界を示し、緑の曲線は精緻化された推定値を示す。 [7]
線形従属関係や正確な直交性を数値的に検証することは困難です。そのため、ε-直交性という概念が用いられます。 内積 を持つ空間 において、 x が y に対して ε-直交であるとは 、 (つまり、 x と yの間の角度の余弦が ε 未満である) 場合です 。
|
⟨
x
,
y
⟩
|
/
(
‖
x
‖
‖
y
‖
)
<
ε
{\displaystyle \left|\left\langle x,y\right\rangle \right|/\left(\left\|x\right\|\left\|y\right\|\right)<\varepsilon }
高次元では、2つの独立したランダムベクトルは高い確率でほぼ直交し、すべての独立したランダムベクトルが与えられた高い確率でほぼ直交する独立ベクトルの数は、次元とともに指数的に増加します。より正確には、 n 次元球における等分布を考えてみましょう。球から N 個の独立したランダムベクトルを選択します(それらは 独立であり、かつ同一に分布します )。θ を 小さな正の数とします。
N個のランダムベクトルはすべて確率 1 − θ でε直交する 。 [7] この N は次元 n とともに指数的に増加し、 n が十分に大きい場合も同様である 。ランダム基底のこの性質は、いわゆる 測度集中現象 の現れである。 [8]
N
≫
n
{\displaystyle N\gg n}
図 (右) は、 n 次元の立方体 [−1, 1] n から独立してランダムにサンプリングされたベクトルのペアワイズほぼ直交チェーンの長さ N の分布を、次元 n の関数として示しています 。 最初に、立方体内の点がランダムに選択されます。 2 番目の点は同じ立方体でランダムに選択されます。 ベクトル間の角度が π/2 ± 0.037π/2 以内であれば、ベクトルは保持されます。 次のステップでは、同じハイパーキューブに新しいベクトルが生成され、以前に生成されたベクトルとの角度が評価されます。 これらの角度が π/2 ± 0.037π/2 以内であれば、ベクトルは保持されます。 このプロセスは、ほぼ直交チェーンが壊れるまで繰り返され、そのようなペアワイズほぼ直交ベクトルの数 (チェーンの長さ) が記録されます。 n ごとに、各次元で 20 個のペアワイズほぼ直交チェーンが数値的に構築されました。 これらのチェーンの長さの分布が表示されます。
あらゆるベクトル空間が基底を持つことの証明
V を ある体 F 上の任意のベクトル空間とする 。X を V の線型独立部分集合全体の成す集合とする 。
集合 X は空集合ではない。なぜなら空集合は V の独立部分集合であり、包含によって 部分的に順序付けられて おり、これは通常 どおり ⊆ で表されるからである。
Y を X の⊆ によって完全に順序付けられた サブセットとし 、 L Y を Y のすべての要素(それ自体が V の特定のサブセット )の和集合とします。
( Y , ⊆) は全順序集合である ため、 L Y のすべての有限部分集合は、 Vの線型独立部分集合である Y の元の部分集合であり 、したがって L Y は線型独立である。したがって、 L Y はX の元である 。したがって、 L Y は( X , ⊆) における Y の上限である。つまり、 L Y は X の元であり、 Y のすべての元を含む 。
X は空でなく、 ( X , ⊆) の全順序部分集合はすべて X に上界を持つので 、 ゾルン の補題は X に最大元が存在することを主張する 。言い換えれば、 X の元 L max が 存在し、その条件を満たす X の元L max が存在する。この条件は、 X の 元 Lに対して L max ⊆ L が 成り立つときはいつでも、 L = L max と なる。
L max が V の基底である ことを証明する必要があります 。L max は X に属するので、 L max が V の線型独立な部分集合である ことは既に分かっています 。
V の ベクトル w がL max の範囲に含まれない場合 、 w も L max の要素にはなりません。L w = L max ∪ { w } とします 。 この 集合 は X の 要素 、 つまり V の線型独立部分集合です( w は L max の範囲に含まれず 、 L max は独立であるため)。L max ⊆ L w で あり、 L max ≠ L w であるため( L w にはL max に含まれない ベクトル w が含まれるため)、これは L max の最大性と矛盾します 。したがって、これは L max がV を張ることを示しています 。
したがって、 L max は線型独立であり、 Vを張る。したがって、L max は V の基底であり 、これはすべてのベクトル空間が基底を持つことを証明している。
この証明はツォルンの補題に基づいており、これは 選択公理 と等価である。逆に、すべてのベクトル空間が基底を持つならば選択公理が真であることが証明されている。 [9] したがって、2つの主張は等価である。
参照
注記
参考文献
一般的な参考文献
歴史的参照
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外部リンク
カーンアカデミーの指導ビデオ
部分空間の基底の紹介
任意の部分空間基底が同じ数の要素を持つことの証明
「線形結合、スパン、基底ベクトル」。 線形代数のエッセンス 。2016年8月6日。2021年11月17日時点のオリジナルよりアーカイブ – YouTube 経由。
「基礎」 数学百科事典 、 EMSプレス 、2001 [1994]