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直交性と直交補空間

証明

a1v1++akvk=0a_1\boldsymbol{v}_1+\cdots+a_k\boldsymbol{v}_k=\boldsymbol{0} とします。両辺と vj\boldsymbol{v}_j の内積を取ると、交差する項は0なので

ajvj2=0.a_j\|\boldsymbol{v}_j\|^2=0.

vj0\boldsymbol{v}_j\ne\boldsymbol{0} より aj=0a_j=0 です。すべての jj について成り立つので一次独立です。

証明

零ベクトルは WW のすべてのベクトルと直交します。x,yW\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}\in W^\perpaRa\in\mathbb R なら、任意の wW\boldsymbol{w}\in W に対して

x+y,w=0,ax,w=0.\langle\boldsymbol{x}+\boldsymbol{y},\boldsymbol{w}\rangle=0, \qquad \langle a\boldsymbol{x},\boldsymbol{w}\rangle=0.

よって加法とスカラー倍で閉じています。

行列 AA の行空間の直交補空間は kerA\ker A です。また列空間の直交補空間は kerAT\ker A^{\mathsf T} です。これは連立方程式と直交性を結ぶ関係です。

Q直交判定★☆☆
(1,1,2)T(1,-1,2)^{\mathsf T} と直交するように、(2,1,a)T(2,1,a)^{\mathsf T}aa を求めてください。
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内積を0と置きます。
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21+2a=02-1+2a=0 より a=12a=-\frac{1}{2} です。

Q直交補空間を求める★★☆

W=span{(1,1,0)T,(0,1,1)T}R3W=\operatorname{span}\{(1,1,0)^{\mathsf T},(0,1,1)^{\mathsf T}\}\subset\mathbb R^3WW^\perp を求めてください。

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(x,y,z)(x,y,z) と2本それぞれの内積を0とします。
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x+y=0x+y=0y+z=0y+z=0 より (x,y,z)=t(1,1,1)(x,y,z)=t(-1,1,-1) です。したがって

W=span{(1,1,1)T}.W^\perp=\operatorname{span}\{(-1,1,-1)^{\mathsf T}\}.

dimW=2\dim W=2dimW=1\dim W^\perp=1 で次元公式とも一致します。

Q四次元空間の直交補空間★★★
U=span{(1,0,1,0),(0,1,0,1)}R4U=\operatorname{span}\{(1,0,1,0),(0,1,0,1)\}\subset\mathbb R^4

の直交補空間 UU^\perp の基底を求めてください。

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(a,b,c,d)(a,b,c,d) と二つの生成ベクトルとの内積をそれぞれ0と置きます。
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条件は a+c=0a+c=0b+d=0b+d=0 です。したがって

(a,b,c,d)=a(1,0,1,0)+b(0,1,0,1),(a,b,c,d)=a(1,0,-1,0)+b(0,1,0,-1),

より、基底の一つは

{(1,0,1,0),(0,1,0,1)}\{(1,0,-1,0),(0,1,0,-1)\}

です。