Skip to article frontmatterSkip to article content
Site not loading correctly?

This may be due to an incorrect BASE_URL configuration. See the MyST Documentation for reference.

練習問題メモ 22(内積空間)

問1

f(t),g(t)R[t]nf(t), g(t) \in \mathbb{R}[t]_n に対して、

f(t),g(t)=11f(t)g(t)dt\langle f(t), g(t)\rangle=\int_{-1}^1 f(t) g(t) d t

とおく。このとき、 (R[t]n,,)\left(\mathbb{R}[t]_n,\langle\rangle,\right) は内積空間であることを示せ。

  1. y,x=x,y\langle\boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}\rangle=\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\rangle

f(t),g(t)=11f(t)g(t)dt=11g(t)f(t)dt=g(t),f(t)\langle f(t), g(t)\rangle =\int_{-1}^1 f(t) g(t) d t =\int_{-1}^1 g(t) f(t) d t = \langle g(t), f(t)\rangle
  1. x+y,z=x,z+y,z\langle\boldsymbol{x}+\boldsymbol{y}, \boldsymbol{z}\rangle=\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{z}\rangle+\langle\boldsymbol{y}, \boldsymbol{z}\rangle

f(t)R[t]nf'(t) \in \mathbb{R}[t]_nとする。

f(t)+f(t),g(t)=11(f(t)+f(t))g(t)dt=11f(t)g(t)dt+11f(t)g(t)dt=f(t),g(t)+f(t),g(t)\langle f(t) + f'(t), g(t)\rangle = \int_{-1}^1 (f(t) + f'(t)) g(t) d t\\ = \int_{-1}^1 f(t) g(t) d t + \int_{-1}^1 f'(t) g(t) d t\\ = \langle f(t), g(t)\rangle + \langle f'(t), g(t)\rangle
  1. cx,y=cx,y\langle c \boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\rangle=c\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\rangle

cf(t),g(t)=11cf(t)g(t)dt=c11f(t)g(t)dt=cf(t),g(t)\langle c f(t), g(t)\rangle = \int_{-1}^1 c f(t) g(t) d t\\ = c \int_{-1}^1 f(t) g(t) d t = c \langle f(t), g(t)\rangle
  1. x,x0\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{x}\rangle \geq 0 で、 x,x=0\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{x}\rangle=0 ならば x=0\boldsymbol{x}=\mathbf{0}

f(t),f(t)=11f(t)2dt\langle f(t), f(t)\rangle = \int_{-1}^1 f(t)^2 d t

f(t)f(t)の二乗の積分であるため、f(t),f(t)0\langle f(t), f(t)\rangle \geq 0であり、f(t),f(t)=0\langle f(t), f(t)\rangle=0ならばf(t)=0f(t)=0

問2

VV を内積空間とする。定義 22.1 の内積の条件 131 \sim 3 を用いて、任意の x,y,zV\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}, \boldsymbol{z} \in V に対して、

x,y+z=x,y+x,z,x,cy=cx,y\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}+\boldsymbol{z}\rangle=\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\rangle+\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{z}\rangle, \quad\langle\boldsymbol{x}, c \boldsymbol{y}\rangle=c\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\rangle

が成り立つことを示せ。

x,y+z=y+z,x(条件1より)=y,x+z,x(条件2より)=x,y+x,z(条件1より)\begin{aligned} \langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}+\boldsymbol{z}\rangle &=\langle \boldsymbol{y}+\boldsymbol{z}, \boldsymbol{x}\rangle \quad (条件1より)\\ &=\langle \boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}\rangle + \langle \boldsymbol{z}, \boldsymbol{x}\rangle \quad (条件2より)\\ &=\langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y} \rangle + \langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{z}\rangle \quad (条件1より) \end{aligned}
x,cy=cy,x(条件1より)=cy,x(条件3より)=cx,y(条件1より)\begin{aligned} \langle\boldsymbol{x}, c \boldsymbol{y}\rangle &= \langle c \boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}\rangle \quad (条件1より)\\ &= c\langle \boldsymbol{y}, \boldsymbol{x}\rangle \quad (条件3より)\\ &= c\langle \boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\rangle \quad (条件1より) \end{aligned}

問3

Rn\mathbb{R}^n の標準内積を考える。 AMn(R)A \in M_n(\mathbb{R}) とすると、任意の x,yRn\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y} \in \mathbb{R}^n に対して、

x,Ay=ATx,y\langle\boldsymbol{x}, A \boldsymbol{y}\rangle=\left\langle A^T \boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\right\rangle

が成り立つことを示せ。

抽象的な内積の定義のもとでの解き方はわからなかった

もし内積の具体的な計算に踏み込むことが許されるなら、つまり、x,y:=xy\langle x, y \rangle := x^\top yとするなら

x,Ay=xAyAx,y=(Ax)y=xAy\begin{aligned} \langle x, Ay \rangle &= x^\top Ay \\ \langle A^\top x, y \rangle &= (A^\top x)^\top y = x^\top A y \end{aligned}

よって

x,Ay=ATx,y\langle\boldsymbol{x}, A \boldsymbol{y}\rangle=\left\langle A^T \boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\right\rangle

が成り立つ

問4

内積空間 VV の部分空間 WW に対して、 VV の部分集合 WW^{\perp}

W={xV 任意の yW に対して、 x,y=0}W^{\perp}=\{\boldsymbol{x} \in V \mid \text { 任意の } \boldsymbol{y} \in W \text { に対して、 } \langle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}\rangle=0\}

により定める。

  1. WWVV の部分空間であることの定義を書け。

  2. WWVV の部分空間であることと同値な 3 つの条件をかけ。

  3. WW^{\perp}VV の部分空間であることを示せ。

  4. WW={0}W \cup W^{\perp}=\{0\} が成り立つことを示せ。

  5. R3\mathbb{R}^3 の部分空間 WW

W={c1(101)+c2(011)c1,c2R}W=\left\{\left.c_1\left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ -1 \end{array}\right)+c_2\left(\begin{array}{c} 0 \\ 1 \\ -1 \end{array}\right) \right\rvert\, c_1, c_2 \in \mathbb{R}\right\}

により定める。 R3\mathbb{R}^3 の標準内積を考える時、 WW^{\perp} を求めよ。

補足

一般に、内積空間 VV の部分空間 WW を考えると、 VV の任意の元は xWx \in W および yW\boldsymbol{y} \in W^{\perp} を用いて、 x+y\boldsymbol{x}+\boldsymbol{y} と一意的に表されることがわかる。このとこから、 WW^{\perp}WW の直交補空間という。また、 VVWWWW^{\perp} の直交直和であるといい、

V=WWV=W \oplus W^{\perp}

と表す。

  1. WWVV の部分空間であることの定義を書け。

WWが空集合ではなく、和と定数倍について閉じていること。

  1. WWVV の部分空間であることと同値な 3 つの条件をかけ。

  1. 0W0 \in W

  2. x,yW    w+yWx,y\in W \implies w + y \in W

  3. cR,xW    cxWc\in \mathbb{R}, x\in W \implies cx \in W

  1. WW^{\perp}VV の部分空間であることを示せ。

(1) 0V\boldsymbol{0} \in V であり、 0,y=0\langle \boldsymbol{0}, y \rangle = 0 のため 0W\boldsymbol{0} \in W^\perp

(2) x1,x2W\boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{x}_2 \in W^{\perp} は、 yW\boldsymbol{y} \in Wについて、

x1,y+x2,y=0\langle \boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{y} \rangle + \langle \boldsymbol{x}_2, \boldsymbol{y} \rangle = 0

を満たす。標準内積の定義より

x1,y+x2,y=x1+x2,y=0\langle \boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{y} \rangle + \langle \boldsymbol{x}_2, \boldsymbol{y} \rangle = \langle \boldsymbol{x}_1 + \boldsymbol{x}_2, \boldsymbol{y} \rangle = 0

であるため、x1+x2W\boldsymbol{x}_1 + \boldsymbol{x}_2 \in W^{\perp}

(3) xW\boldsymbol{x} \in W^{\perp} は、 yW,cR\boldsymbol{y} \in W, c \in \mathbb{R}について、

cx,y=0c \langle \boldsymbol{x}, \boldsymbol{y} \rangle = 0

をみたす。標準内積の定義より

cx,y=cx,y=0c \langle \boldsymbol{x}, \boldsymbol{y} \rangle = \langle c \boldsymbol{x}, \boldsymbol{y} \rangle = 0

のため、cxWc \boldsymbol{x} \in W^{\perp}

よって、(1) ~ (3)より、WW^\perpVVの部分空間である

  1. WW={0}W \cap W^{\perp}=\{0\} が成り立つことを示せ。

xW,xWx\in W, x \in W^{\perp}とおく。積集合の定義より、WW={xxWxW}W\cap W^\perp = \{ x | x\in W \land x \in W^{\perp} \}

直交補空間WW^\perpの定義より、xWx \in W^\perpはすべてのxWx \in Wと直交するので、

x,x=0\langle x, x \rangle = 0

を満たす。内積の条件(4) (正値性)より、これは x=0x = 0 である。

よって WW={0}W\cap W^\perp = \{ 0 \}

  1. R3\mathbb{R}^3 の部分空間 WW

W={c1(101)+c2(011)c1,c2R}W=\left\{\left.c_1\left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ -1 \end{array}\right)+c_2\left(\begin{array}{c} 0 \\ 1 \\ -1 \end{array}\right) \right\rvert\, c_1, c_2 \in \mathbb{R}\right\}

により定める。 R3\mathbb{R}^3 の標準内積を考える時、 WW^{\perp} を求めよ。

xW,yWx \in W^\perp, y \in Wについて、

x=(x1x2x3)x = \begin{pmatrix} x_1\\x_2\\x_3 \end{pmatrix}
y=c1(101)+c2(011)=(c1c2c1c2)y = c_1\left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ -1 \end{array}\right)+c_2\left(\begin{array}{c} 0 \\ 1 \\ -1 \end{array}\right) = \begin{pmatrix} c_1 \\ c_2 \\ -c_1 - c_2 \end{pmatrix}

とおく。xxyyと直交するベクトルであるため、

x,y=0=c1x1+c2x2c1x3c2x3=c1(x1x3)+c2(x2x3)\begin{aligned} \langle x, y \rangle &= 0\\ &= c_1 x_1 + c_2 x_2 - c_1 x_3 - c_2 x_3\\ &= c_1 (x_1 - x_3) + c_2 (x_2 - x_3) \end{aligned}

c1,c2R\forall c_1, c_2\in \mathbb{R}についてこれが0になるには

x1x3=0x2x3=0x_1 - x_3 = 0\\ x_2 - x_3 = 0

である必要がある。

よってx1=x2=x3x_1 = x_2 = x_3のため、cRc\in \mathbb{R}とおいて

x=(x1x2x3)=(ccc)=c(111)x = \begin{pmatrix} x_1\\x_2\\x_3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} c\\ c\\c \end{pmatrix} = c \begin{pmatrix} 1\\1\\1 \end{pmatrix}

であるから、

W={c(111)cR}W^\perp =\left\{\left. c \left(\begin{array}{c} 1 \\ 1 \\ 1 \end{array}\right)\right\rvert\, c \in \mathbb{R}\right\}