
数学において、ベクトル空間Vの要素の集合B は、 Vのすべての要素がBの要素の有限線形結合として一意的に表せる場合、基底(複数形: bases )と呼ばれます。この線形結合の係数は、 Bに関するベクトルの成分または座標と呼ばれます。基底の要素は、基底ベクトル。
言い換えれば、集合 B の要素が線形独立であり、集合Vのすべての要素がBの要素の線形結合である場合、集合Bは基底である。言い換えれば、基底とは線形独立な生成集合のことである。
ベクトル空間は複数の基底を持つことができますが、すべての基底は同じ数の要素を持ち、その数をベクトル空間の次元と呼びます。
本稿では主に有限次元ベクトル空間を扱うが、多くの原理は無限次元ベクトル空間にも適用可能である。
基底ベクトルは、結晶構造や参照系の研究に応用されています。
体F上のベクトル空間Vの基底B (実数体など)または複素数) はVを張るVの線形独立な部分集合です。これは、 Vの部分集合B が次の 2 つの条件を満たす場合に基底であることを意味します。[ 1 ]
最初の性質は、次のように言い換えることもできます。B 内のベクトルの線形結合がゼロベクトルに等しい場合、その結合のすべてのスカラー係数はゼロでなければなりません。
BがVの基底である場合、すべてのベクトルはV内のベクトルは、 B内のベクトルの線形結合として表すことができます(生成性質による)。線形独立性から、これはただ 1 つの方法でしか行えないことがわかります。したがって、スカラー係数はこの組み合わせに現れるものは一意に決定され、それらは座標と呼ばれます。基礎に関して。
有限基底を持つベクトル空間は有限次元ベクトル空間と呼ばれる。この場合、有限部分集合は次のように表すことができる。上記の定義における線形独立性を確認するために、それ自体を使用します。[ 1 ]
基底ベクトルに順序付けがあると便利な場合や、例えば向きについて議論する場合、あるいは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考える場合などには、順序付けが必要になることがよくあります。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になります。この順序付けは、基底要素に番号を付けることで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」という言葉が使われます。これは単なる構造のない集合ではなく、数列、インデックス付き族などです。詳しくは、下記の「順序付き基底と座標」の項 を参照してください。

セット実数の順序対の集合は、成分ごとの加算演算の下でベクトル空間となる。 およびスカラー乗算 どこは任意の実数です。このベクトル空間の単純基底は、2つのベクトルe 1 = (1, 0)とe 2 = (0, 1)から構成されます。これらのベクトルは、任意のベクトルv = ( a , b )が であるため、基底 (標準基底と呼ばれる) を形成します。一意に記述される可能性がある線形独立なベクトルのその他のペア(1, 1)や(−1, 2)などの基底も形成する。。
より一般的には、F が体である場合、集合はFの要素のn組は、同様に定義された加算とスカラー乗算のためのベクトル空間である。i番目の要素を除いてすべての要素が0であるnタプルをnタプルとする。i番目の要素は1である。は基礎となるこれは標準基準と呼ばれています
別の例として、多項式環が挙げられます。Fが体である場合、係数がFに含まれる不定元Xのすべての多項式の集合F [ X ]はFベクトル空間です。この空間の基底の 1 つは、すべての単項式からなる単項式基底Bです。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(例えば、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)も基底です。(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、 F [ X ]の基底の中には、この形式ではないものも多数存在します。
有限基底の多くの性質は、シュタイニッツ交換補題から導かれる。この補題は、任意のベクトル空間Vに対して、有限の全域集合SとVのn個の要素からなる線形独立な集合L が与えられたとき、 Sのn個の適切に選択された要素をLの要素で置き換えることで、 L を含み、他の要素がSに含まれ、 Sと同じ数の要素を持つ全域集合を得ることができると述べている。
シュタイニッツ交換補題から導かれる性質のほとんどは、有限の全域集合が存在しない場合でも真であるが、無限の場合の証明には、一般的に選択公理または超フィルター補題のようなより弱い形式が必要となる。
Vが体F上のベクトル空間である場合、次のことが成り立つ。
Vがn次元のベクトル空間である場合、次のことが成り立つ。
Vを体F上の有限次元nのベクトル空間とし、 V の基底となる。基底の定義により、Vのすべてのv は一意的に次のように表すことができる。 ここで係数はこれらはスカラー(つまりFの要素)であり、 B上のvの座標と呼ばれます。しかし、係数の集合について話す場合、係数と基底要素との対応関係が失われ、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、そしては係数の集合{2, 3}が同じで、異なる。そのため、順序付き基底を扱うと便利な場合が多い。これは通常、基底要素を最初の自然数でインデックス付けすることによって行われる。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る。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、座標フレームまたは単にフレーム(たとえば、デカルトフレームまたはアフィンフレーム)とも呼ばれる。
いつものように、Fの要素のn組の集合とする。この集合はFベクトル空間であり、加算とスカラー乗算は成分ごとに定義されている。 :(\lambda _{1},\ldots ,\lambda _{n})\mapsto \lambda _{1}\mathbf {b} _{1}+\cdots +\lambda _{n}\mathbf {b} _{n}} は ベクトル空間からの線形同型写像 であるVに。言い換えれば、はVの座標空間であり、nタプルははvの座標ベクトルです。
反転画像のnタプルそれらの構成要素はすべて0であり、i番目の要素だけが1である。順序付けられた基底を形成するこれは標準基底または正準基底と呼ばれます。順序付き基底Bは、によるイメージです。正統的な基礎の。
以上のことから、すべての順序付き基底は、標準基底の線形同型による像であることがわかる。、そして、からのすべての線形同型Vへの同型写像は、Vの与えられた順序付き基底に。言い換えれば、Vの順序付き基底を定義すること、または線形同型を定義することと同等です。Vに。
V を体F上のn次元ベクトル空間とする。2つの (順序付き) 基底が与えられたとき、そしてVの座標をに関して表現することはしばしば有用である。座標に関してこれは、以下に説明する基準変換式によって行うことができます。添え字「old」と「new」は、慣例として参照されるため選択されています。そしてそれぞれ旧基底と新基底とします。旧座標を新座標で表すことは有用です。一般に、旧座標を含む式があり、新座標で同等の式を得たい場合、旧座標を新座標による式に置き換えることでそれが得られます。
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、 もしそしてはそれぞれ旧基底と新基底におけるベクトルxの座標であり、基底変換の公式は i = 1, ..., n の 場合。
この式は行列表記で簡潔に記述できます。Aを、、そして それぞれ旧基底と新基底における vの座標の列ベクトル をとすると、座標変換の式は次のようになる。
この公式は、ベクトルxを2 つの基底に分解することを考慮することで証明できます。 そして
基底変換の公式は、基底上のベクトルの分解の一意性から導かれる。つまり i = 1, ..., n の 場合。
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、線形独立性と生成集合はベクトル空間の場合と全く同じように定義されますが、「生成集合」という用語の方が「生成集合」という用語よりも一般的に用いられます。
ベクトル空間と同様に、加群の基底は線形独立な部分集合であり、かつ生成集合でもある。ベクトル空間の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点である。基底を持つ加群は自由加群と呼ばれる。自由加群は加群理論において重要な役割を果たし、自由分解によって非自由加群の構造を記述するために用いられることがある。
整数環上の加群は、アーベル群と全く同じものです。したがって、整数環上の自由加群もまた自由アーベル群です。自由アーベル群は、他の環上の加群にはない特定の性質を持っています。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、基底が存在します。Hと整数0 ≤ k ≤ nが存在し、は、いくつかの非ゼロ整数に対するGの基底である。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。
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、この用語はハメル基底(ゲオルク・ハメル[ 3 ]にちなんで命名)または代数基底は、本稿で定義される基底を指すために使用できます。これは、無限次元ベクトル空間に付加的な構造が与えられた場合に存在する他の「基底」の概念と区別するためです。最も重要な代替案は、ヒルベルト空間上の直交基底、シャウダー基底、およびノルム線形空間上のマルクシェヴィッチ基底。実数の場合場上のベクトル空間として見た場合有理数の場合、ハーメル基底は非可算であり、具体的には連続体の濃度、すなわち基数を持つ。、どこ(アレフ・ノート)は最小の無限基数であり、整数の基数です。
他の概念に共通する特徴は、基底ベクトルの無限線形結合によって空間を生成できる点である。もちろん、そのためには、位相ベクトル空間(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必要がある。
無限次元空間において他のタイプの基底が好まれる理由は、バナッハ空間ではハーメル基底が「大きくなりすぎる」という事実によって正当化されます。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の任意のハーメル基底は必然的に非可算です。これはベールのカテゴリー定理の結果です。完備性と無限次元は、前述の主張における重要な仮定です。実際、有限次元空間は定義により有限基底を持ち、可算ハーメル基底を持つ無限次元(非完備)ノルム空間が存在します。数列の空間有限個の非ゼロ要素しか持たない実数のノルムその標準基底は、 1 に等しい非ゼロ要素を 1 つだけ持つ数列から成り、可算ハメル基底である。
フーリエ級数の研究では、関数{1} ∪ { sin( nx ), cos( nx ) : n = 1, 2, 3, ... }が、区間 [0, 2π] 上で二乗可積分なすべての (実数値または複素数値) 関数 (すなわち、次の条件を満たす関数f ) の (実数値または複素数値) ベクトル空間の「直交基底」であることがわかっています 。
関数{1} ∪ { sin( nx ), cos( nx ) : n = 1, 2, 3, ... }は線形独立であり、[0, 2π] 上で二乗可積分なすべての関数fは、次の意味でそれらの「無限線形結合」である。
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[ 4 ]二乗可積分関数は、これらの基底関数の有限線形結合として表現できないため、ハーメル基底を構成しません。この空間のすべてのハーメル基底は、単に可算無限個の関数の集合よりもはるかに大きくなります。この種の空間のハーメル基底は通常役に立ちませんが、これらの空間の正規直交基底はフーリエ解析で不可欠です。
アフィン空間、射影空間、凸集合、円錐の幾何学的概念は、基底。[ 5 ] n次元アフィン空間のアフィン基底は点が一般的に直線上の位置にある。射影基底はn次元射影空間における一般位置にある点。多面体の凸基底とは、その凸包の頂点の集合のことである。円錐基底[ 6 ]は、多角錐の1辺の1点から構成される。ヒルベルト基底(線形計画法)。
確率分布の場合ルベーグ測度に関するn次元球内の等分布などの確率密度関数を用いると、ランダムに独立に選択されたn個のベクトルが確率 1 で基底を形成することが示せる。これは、R n内の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を持つ行列のゼロ行列式) を満たす必要があり、非自明な多項式の零点の集合の測度がゼロであることによる。この観察から、ランダム基底を近似する手法が生まれた。[ 7 ] [ 8 ]

線形依存性や厳密な直交性を数値的に検証することは困難である。そのため、ε直交性の概念が用いられる。内積を持つ空間において、xがyとε直交となるのは、以下の条件を満たす場合である。(つまり、xとyの間の角度のコサインはεより小さい)。
高次元では、2つの独立なランダムベクトルは高い確率でほぼ直交し、与えられた高い確率でペアごとにほぼ直交する独立なランダムベクトルの数は、次元とともに指数関数的に増加します。より正確には、n次元球における等分布を考えます。球からN個の独立なランダムベクトルを選択します(それらは独立かつ同一の分布に従います)。θを小さな正の数とします。すると、
N個のランダムベクトルはすべて、確率1 − θでペアワイズ ε-直交します。[ 8 ]このN は次元nで指数関数的に増加し、nが十分に大きい場合。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。[ 9 ]
図(右)は、n 次元立方体 [−1, 1] n から独立にランダムにサンプリングされた、ほぼ直交するベクトルのペアワイズチェーンの長さ N の分布を、次元 n の関数として示しています。まず、立方体内で点がランダムに選択されます。次に、同じ立方体内で 2 番目の点が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の範囲内であれば、そのベクトルは保持されます。次のステップでは、同じ超立方体内で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 の範囲内であれば、そのベクトルは保持されます。ほぼ直交するチェーンが途切れるまでこのプロセスが繰り返され、そのようなほぼ直交するペアワイズベクトルの数(チェーンの長さ)が記録されます。各nについて、各次元ごとに 20 個のほぼ直交するペアワイズ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示されています。
Vを体F上の任意のベクトル空間とする。XをVのすべての線形独立な部分集合の集合とする。
集合X は、空集合がVの独立部分集合であるため空集合ではなく、包含関係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⊆で表されます。
Y を、 ⊆によって全順序付けられているXの部分集合とし、L YをYのすべての要素の和集合とする(これらの要素は、それ自体がVの特定の部分集合である)。
( 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Yの要素の部分集合であり、Y はVの線形独立な部分集合であるため、L Yは線形独立です。したがって、 L YはXの要素です。したがって、L Yは( X , ⊆)におけるYの上界です。つまり、 Yのすべての要素を含むXの要素です。
Xは空集合ではなく、( X , ⊆)のすべての全順序部分集合はX内に上限を持つため、ツォルンの補題はX が極大要素を持つことを主張します。言い換えれば、X のある要素Lに対してL max ⊆ Lであるとき、L = L maxという条件を満たすXのある要素L maxが存在します。
L max がVの基底であることを証明する必要がある。L max はXに属するので、 L maxがVの線形独立な部分集合であることは既にわかっている。
VのベクトルwがL maxのスパンに含まれない場合、w はL max の要素にもなりません。L w = L max ∪ { w } とします。この集合はXの要素、つまりVの線形独立な部分集合です( w はL maxのスパンに含まれておらず、L maxは独立であるため)。L max ⊆ L w であり、L max ≠ L w ( L wには L max に含まれないベクトル w が含まれているため)なので、これはL maxの最大性に矛盾します。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は線形独立であり、Vを張る。つまり、L max はVの基底であり、これによってすべてのベクトル空間には基底が存在することが証明される。
この証明は、選択公理と同値であるツォルンの補題に基づいている。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。[ 10 ]したがって、2つの主張は同値である。
{{citation}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)