関数解析⑥ 内積空間と内積の公理 このエントリーをはてなブックマークに追加

内積の公理から内積空間を定義

内積というのはベクトルに限ったわけではなく、もっと一般に定義できるものです。

内積の公理と内積空間の定義

さて、以下では内積の公理を紹介しますが、実は公理の定め方は物理と数学で異なります。
内積の公理
線形空間$V$を考えます。$x,y\in V$,$\alpha\in K$($K$は係数体)とします。写像$\braket{\cdot,\cdot}$$:$$V\times V\mapsto \mathbb{C}$に対して、
\begin{align} \braket{x,y_1+y_2}&=\braket{x,y_1}+\braket{x,y_2} \label{eq:1}\\ \braket{x,\alpha y}&=\alpha\braket{x,y} \label{eq:2}\\ \braket{x,x}\geq 0, \braket{x,x}=0&\Leftrightarrow \ x=0 \label{eq:3}\\ \braket{x,y}^*&=\braket{y,x} \label{eq:4}\\ \end{align}
を内積の公理といい、これが成り立つ$(V,\braket{\cdot,\cdot})$の組を内積空間といいます。
さて、\eqref{eq:1}と\eqref{eq:2}は内積に線形性を課すということです。内積に課したい線形性を左に与えるか右に与えるかという違いが生まれてきます。数学的には左に線形性を課すことが多く、物理的には右に課します。

このサイトは一応物理メインなので後者を採用しました。

内積の例

複素ベクトルを考えてみましょう。$\boldsymbol{a},\boldsymbol{b},\boldsymbol{c}\in \mathbb{C}^n$とします。つまり、
\begin{align*} \boldsymbol{a}&={}^t \begin{pmatrix} a_1, a_2, \cdots, a_n \end{pmatrix} \\ \boldsymbol{b}&={}^t \begin{pmatrix} b_1, b_2, \cdots, b_n \end{pmatrix} \\ \boldsymbol{c}&={}^t \begin{pmatrix} c_1, c_2, \cdots, c_n \end{pmatrix} \end{align*}
として、内積を以下のように定めます。
\begin{align*} \braket{\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}} &=\sum_{i=1}^n a_i^*b_i \end{align*}
このとき内積の公理を満たしていること(しっかり内積になっていること)を示します。

内積の公理の確認

まず一つ目の式\eqref{eq:1}について、
\begin{align*} \braket{\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}+\boldsymbol{c}} &=\sum_{i=1}^n a_i^*(b_i+c_i) \\ &=\sum_{i=1}^n a_i^*b_i+\sum_{i=1}^n a_i^*c_i \\ &=\braket{\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}}+\braket{\boldsymbol{a},\boldsymbol{c}} \end{align*}
\eqref{eq:2}について、
\begin{align*} \braket{\boldsymbol{a},\alpha\boldsymbol{b}} &=\sum_{i=1}^n a_i^*\cdot\alpha b_i \\ &=\alpha \sum_{i=1}^n a_i^*b_i \\ &=\alpha\braket{\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}} \end{align*}
また、\eqref{eq:3}について、
\begin{align*} \braket{\boldsymbol{a},\boldsymbol{a}} &=\sum_{i=1}^n a_i^* a_i \\ &=\sum_{i=1}^n |a_i|^2 \geq 0 \end{align*}
この等号成立は、すべての$i$について$a_i=0$が成り立つ場合に限ります。 \eqref{eq:4}について、
\begin{align*} \braket{\boldsymbol{a},\boldsymbol{b}}^* &=\left(\sum_{i=1}^n a_i^*b_i\right)^* \\ &=\sum_{i=1}^n a_i b_i^* \\ &=\sum_{i=1}^n b_i^* a_i \\ &=\braket{\boldsymbol{b},\boldsymbol{a}} \end{align*}
以上で内積の公理が確かめられました。



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