線形代数14|数ベクトル空間の部分空間の定義と直感的な考え方

線形代数学の基本
線形代数学の基本

$n$次列ベクトル全部の集合$\R^n$上では,$\m{a}+\m{b}$とスカラー倍$k\m{a}$を考えてきました.

ここで,$\R^2$の部分集合

   \begin{align*}V=\set{t\bmat{1\\1}}{t\in\R}\end{align*}

上で和とスカラー倍を考えるとどうなるでしょうか?

この$V$はベクトル$\bmat{1\\1}$を実数倍してできるベクトルの集合なので,次のように図示できますね.

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ここで任意に$\m{a},\m{b}\in V$と$k\in\R$をとると,

   \begin{align*}\m{a}+\m{b},k\m{a}\in V\end{align*}

が成り立ちますね.

このように「$\R^n$の部分集合$V$の元のどんな和もスカラー倍も常に$V$に属する」とき,$V$を$\R^n$の部分空間といいます.

この記事では

  • $\R^n$の部分空間の定義
  • $\R^n$の部分空間の具体例
  • $\R^n$の部分空間の基本性質

を順に説明します.

なお,特に断らない限り以下では実行列・実ベクトルを扱うことにしますが,複素行列など一般のを成分とする行列・ベクトルに対しても同様です.

線形代数学の参考文献

以下は線形代数学に関するオススメの教科書です.

大学教養 線形代数(加藤文元 著)

数学科など理論系の学生向けの線形代数の入門書です.平易な具体例から丁寧に説明されているので,初学者にも読み進めやすい教科書です.

手を動かしてまなぶ 線形代数(藤岡敦 著)

理論と演習のバランスをとりながら勉強したい人にオススメの入門書です.

部分空間の定義

冒頭で述べた$R^n$の部分空間をきちんと述べると次のようになります.

[部分空間] $\R^n$の部分集合$V$が空でなく次の2条件を同時に満たすとき,$V$を$\R^n$の部分空間 (subspace)という.

  • 任意の$\m{a},\m{b}\in V$に対して$\m{a}+\m{b}\in V$が成り立つ.
  • 任意の$k\in\R$, $\m{a}\in V$に対して$k\m{a}\in V$が成り立つ.

要は$V$の任意の元をスカラー倍で計算しても$V$の外に出ることがないということなので,この2つの条件をそれぞれ

  • $V$は和について閉じている
  • $V$はスカラー倍について閉じている

といいます.

実はより一般に線形空間というものが定義され,線形空間の部分集合で線形空間の性質を満たす集合を部分空間と呼びます.

しかし,$\R^n$上の部分空間について考えれば本質的な部分は十分に理解できるので,この線形代数の基本の一連の記事では$\R^n$上の部分空間のみについて説明します.

部分空間の具体例

それでは,いくつか部分空間を紹介していきます.

例1(自明な部分空間1)

まずは簡単な部分空間をひとつ考えましょう.

$\R^2$の部分集合$V$として$\R^2$自身を考える.すなわち,$V=\R^2$とする.

このとき,$V$が$\R^2$の部分空間となることを示せ.

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定義通りに$V$が和とスカラー倍について閉じていることを示しましょう.

任意の$\m{a},\m{b}\in V$と$k\in\R$に対して,もちろん

   \begin{align*}\m{a}+\m{b},k\m{a}\in V\end{align*}

なので,$V$は$\R^2$の部分空間である.

一般に$\R^n$に対して$\R^n$自身はいつでも$\R^n$の部分空間となります.

このように$\R^n$はいつでも$\R^n$の部分空間になることから,$\R^n$は$\R^n$の自明な部分空間 (trivial subspace)と呼ばれます.

例2(自明な部分空間2)

もうひとつ簡単な部分空間を考えましょう.

$\R^2$の部分集合$V$として零ベクトル$\m{0}$のみからなる集合を考える.すなわち,$V=\{\m{0}\}$とする.

このとき,$V$が$\R^2$の部分空間となることを示せ.

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やはり定義通りに$V$が和とスカラー倍について閉じていることを示しましょう.

任意の$\m{a},\m{b}\in V$と$k\in\R$をとる.

このとき,$V$は$\m{0}$のみからなる集合なので,もちろん$\m{a}=\m{b}=\m{0}$である.よって,

   \begin{align*}\m{a}+\m{b}=\m{0},\quad k\m{a}=\m{0}\end{align*}

となって$\m{0}\in V$と分かるから,$V$は$\R^2$の部分空間である.

一般に$\R^n$に対して零ベクトルのみからなる集合$\{\m{0}\}$はいつでも$\R^n$の部分空間となります.

例1と例2でみたように,$\R^n$の$\{\m{0}\}$もいつでも部分空間になることから,$\{\m{0}\}$も$\R^n$の自明な部分空間 (trivial subspace)と呼ばれます.

例3

次に冒頭で挙げた集合$V$が部分空間であることを示しましょう.

$\R^2$の部分集合

   \begin{align*}V=\set{t\bmat{1\\1}}{t\in\R}\end{align*}

が$\R^2$の部分空間となることを示せ.

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$V$は$\bmat{1\\1}$の実数倍のベクトル(第1成分と第2成分が等しいベクトル)を全て集めてきた集合というわけですね.

$V$が$\R^2$の部分集合で空でないことは明らか.

[1] 和について閉じていることを示す.任意に$\m{a},\m{b}\in V$をとる.

このとき,$V$の定義から$\m{a}=t\bmat{1\\1}$, $\m{b}=t’\bmat{1\\1}$ ($t,t’\in\R$)と表せるから,

   \begin{align*}\m{a}+\m{b}=t\bmat{1\\1}+t'\bmat{1\\1}=(t+t')\bmat{1\\1}\end{align*}

となる.これは$\bmat{1\\1}$の実数倍のベクトルなので$\m{a}+\m{b}\in V$である.

すなわち,$\m{a}+\m{b}\in V$が成り立つ.

[2] スカラー倍について閉じていることを示す.任意に$\m{a}\in V$, $k\in\R$ ($t\in\R$)をとる.

このとき,$V$の定義から$\m{a}=t\bmat{1\\1}$ ($t\in\R$)と表せるから,

   \begin{align*}k\m{a}=k\bra{t\bmat{1\\1}}=(kt)\bmat{1\\1}\end{align*}

となる.これは$\bmat{1\\1}$の実数倍のベクトルなので$k\m{a}\in V$である.

[1], [2]より$V$は和とスカラー倍に閉じているから$\R^2$の部分空間である.

例4

次のような集合も例3と同様に部分空間になることが分かります.

$\R^3$の部分集合

   \begin{align*}V=\set{\bmat{x\\y\\z}\in\R^3}{2x+y-z=0}\end{align*}

が$\R^3$の部分空間となることを示せ.

$V$は2×(第1成分)+(第2成分)-(第3成分)=0を満たす$\R^3$上のベクトルを全て集めてきた集合で,図示すると$xyz$空間上の平面$2x+y-z=0$となりますね.

$V$が$\R^3$の部分集合で空でないことは明らか.

[1] 和について閉じていることを示す.任意に$\m{a}=\bmat{x\\y\\z},\m{b}=\bmat{x’\\y’\\z’}\in V$をとる.

このとき,$V$の定義から$2x+y-z=0$と$2x’+y’-z’=0$を満たす.ここで,

   \begin{align*}\m{a}+\m{b}=\bmat{x\\y\\z}+\bmat{x'\\y'\\z'}=\bmat{x+x'\\y+y'\\z+z'}\end{align*}

であり,この2×(第1成分)+(第2成分)-(第3成分)$は

   \begin{align*}&2(x+x')+(y+y')-(z+z') \\=&(2x+y-z)+(2x'+y'-z')=0\end{align*}

となっている.よって,$\m{a}+\m{b}\in V$が成り立つ.

[2] スカラー倍について閉じていることを示す.任意に$\m{a}=\bmat{x\\y\\z}\in V$, $k\in\R$をとる.

このとき,$V$の定義から$2x+y-z=0$を満たす.ここで,

   \begin{align*}k\m{a}=k\bmat{x\\y\\z}=\bmat{kx\\ky\\kz}\end{align*}

であり,この2×(第1成分)+(第2成分)-(第3成分)は

   \begin{align*}2(kx)+(ky)-(kz) =&k(2x+y-z) \\=&k\times0=0\end{align*}

となっている.これより$k\m{a}\in V$が成り立つ.

[1], [2]より$V$は和とスカラー倍に閉じているから$\R^3$の部分空間である.

例5

条件が2つ以上になっても部分空間になることが分かります.

$\R^3$の部分集合

   \begin{align*}V=\set{\bmat{x\\y\\z}\in\R^3}{\begin{gathered}x+y+z=0,\\x-y+z=0\end{gathered}}\end{align*}

が$\R^3$の部分空間となることを示せ.

$V$は

  • (第1成分)+(第2成分)+(第3成分)=0
  • (第1成分)-(第2成分)+(第3成分)=0

の両方を満たす$\R^3$上のベクトルを全て集めてきた集合で,図示すると$xyz$空間上の平面$x+y+z=0$と平面$x-y+z=0$の交線となりますね.

条件の数が増えても部分空間であることを示すためにやることは同じです.

$V$が$\R^3$の部分集合で空でないことは明らか.

[1] 和について閉じていることを示す.任意に$\m{a}=\bmat{x\\y\\z},\m{b}=\bmat{x’\\y’\\z’}\in V$をとる.

このとき,$V$の定義から$x+y+z=0$, $x-y+z=0$と$x’+y’+z’=0$, $x’-y’+z’=0$を満たす.ここで,

   \begin{align*}\m{a}+\m{b}=\bmat{x\\y\\z}+\bmat{x'\\y'\\z'}=\bmat{x+x'\\y+y'\\z+z'}\end{align*}

であり,

  • (第1成分)+(第2成分)+(第3成分)は

       \begin{align*}&(x+x')+(y+y')+(z+z')\\=&(x+y+z)+(x'+y'+z')=0\end{align*}

  • (第1成分)-(第2成分)+(第3成分)は

       \begin{align*}&(x+x')-(y+y')+(z+z')\\=&(x-y+z)+(x'-y'+z')=0\end{align*}

となっている.よって,$\m{a}+\m{b}\in V$が成り立つ.

[2] スカラー倍について閉じていることを示す.任意に$\m{a}=\bmat{x\\y\\z}\in V$, $k\in\R$をとる.

このとき,$V$の定義から$x+y+z=0$, $x-y+z=0$を満たす.ここで,

   \begin{align*}k\m{a}=k\bmat{x\\y\\z}=\bmat{kx\\ky\\kz}\end{align*}

であり,

  • (第1成分)+(第2成分)+(第3成分)は

       \begin{align*}(kx)+(ky)+(kz)=k(x+y+z)=0\end{align*}

  • (第1成分)-(第2成分)+(第3成分)は

       \begin{align*}(kx)-(ky)+(kz)=k(x-y+z)=0\end{align*}

となっている.これより$k\m{a}\in V$が成り立つ.

[1], [2]より$V$は和とスカラー倍に閉じているから$\R^3$の部分空間である.

例6

次の空間も本質的には例5までと何も変わりません.

$A=\bmat{2&3&-1\\3&1&1}$とする.$\R^3$の部分集合

   \begin{align*}V=\set{\m{x}\in\R^3}{A\m{x}=\m{0}}\end{align*}

が$\R^3$の部分空間となることを示せ.

$V$は左から行列$A$をかけて$\m{0}$となるベクトルを全て集めてきた集合ですね.

あくまで和とスカラー倍について閉じていることを示すだけですね.

$V$が$\R^3$の部分集合で空でないことは明らか.

[1] 和について閉じていることを示す.任意に$\m{a},\m{b}\in V$をとる.

このとき,$V$の定義から$A\m{a}=0$, $A\m{b}=0$を満たすから,

   \begin{align*}A(\m{a}+\m{b})=A\m{a}+A\m{b}=\m{0}\end{align*}

となっている.よって,$\m{a}+\m{b}\in V$が成り立つ.

[2] スカラー倍について閉じていることを示す.任意に$\m{a}\in V$, $k\in\R$をとる.

このとき,$V$の定義から$A\m{a}=\m{0}$を満たすから,

   \begin{align*}A(k\m{a})=k(A\m{a})=k\m{0}=\m{0}\end{align*}

となっている.これより$k\m{a}\in V$が成り立つ.

[1], [2]より$V$は和とスカラー倍に閉じているから$\R^3$の部分空間である.

$\m{x}=\bmat{x\\y\\z}$として$A\m{x}=\m{0}$を成分で表すと

   \begin{align*}\begin{cases}2x+3y-z=0\\3x+y+z=0\end{cases}\end{align*}

なので,例5と同じようにして成分で示すこともできます.

しかし,行列は積について分配法則を満たしますから,いまの解答例のように行列のまま考える方が楽ですね.

なお,例5の$V$も

   \begin{align*}V=\set{\bmat{x\\y\\z}\in\R^3}{\bmat{1&1&1\\1&-1&1}\bmat{x\\y\\z}=\bmat{0\\0\\0}}\end{align*}

と書き換えられますから,ここから例6のように楽に示すこともできますね.

部分空間の直感的な判定

次に部分空間が満たす基本性質を紹介します.

基本性質

$V$を$\R^n$の部分空間とする.このとき,次が成り立つ.

  1. $\m{0}\in V$
  2. 任意の$\m{a},\m{b}\in V$, $k,\ell\in\R$に対して$k\m{a}+\ell\m{b}\in V$

(1) $V$は部分空間だからスカラー倍について閉じており,任意の$\m{a}\in V$に対して$\m{0}=0\m{a}\in V$が成り立つ.

(2) $V$は部分空間だからスカラー倍について閉じており$k\m{a},\ell\m{b}\in V$が成り立つ.

さらに,和についても閉じているから$k\m{a}+\ell\m{b}\in V$が成り立つ.

言葉で説明すれば

  • 1つ目の性質は「$V$は必ず零ベクトル$\m{0}$を持つ」
  • 2つ目の性質は「$V$に属する2つのベクトルをどのように伸ばして足し合わせても$V$の元である」

と言うことができますね.

このことから,$\R^n$の部分空間は直感的には

  • 原点を通り
  • 「真っ直ぐ」に伸びた空間

ということができますね.

実は$\R^n$の部分集合$V$に対して,

  1. $V$が部分空間であること
  2. 任意の$\m{a},\m{b}\in V$, $k,\ell\in\R$に対して$k\m{a}+\ell\m{b}\in V$

は同値となります.そのため,教科書によってはこの(2)の性質をみたす集合$V$を部分空間と定義していることもあります.

部分空間でない例

今の次に部分空間でない例を考えます.

$\R^2$の部分集合

   \begin{align*}&V=\set{\bmat{t\\1+t}}{t\in\R}, \\&W=\set{\bmat{t\\t^2}}{t\in\R}\end{align*}

はともに$\R^2$の部分空間とはならないことを示せ.

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上の基本性質で説明したように$V$は$\m{0}$を元にもっていない時点で部分空間でないと分かります.

また,部分空間は和とスカラー倍で閉じているため「真っ直ぐ」な空間となっているはずで,$W$のように曲がっていると部分空間でないと分かります.

このことを踏まえてきちんと書くと次のようになります.

$\m{0}\notin V$だから,$V$は部分空間ではない.

$\bmat{1\\1},\bmat{-1\\1}\in W$であるが

   \begin{align*}\bmat{1\\1}+\bmat{-1\\1}=\bmat{0\\2}\notin W\end{align*}

だから,$W$は和について閉じておらず$W$は部分空間ではない.

上の基本性質を当たり前にしておけば,直感的に部分空間かどうか判断できますね.

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