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箱のかけ算と分解

今回扱う線形空間はごつごつした名前なので、 ただの「箱」と呼ぶことにします。 数にかけ算があるように箱もかけ算できます。 数はかならず1で割り切れます。 箱はかならず0をもっています。 数と数をかけると数になるように、 箱と箱をかけると箱になります。 2は1で割り切れる数で、3は1で割り切れる数です。 2×3=6も、1で割り切れる数になりますね。 x軸は0を含む「箱」W、y軸は0を含む「箱」W'と呼ぼう。 この積W×W'は、要素を(x,y)と並べてかける「箱」です。 この「箱W×W'」は原点(0,0)というOを含みます。 Wの基底がex,W'の基底がeyだとすると、 「箱V=W×W'」の基底(1,0),(0,1)としてそのまま使えます。 このV=W×W'は積なのですが、「直和」といい、W⊕W'とかくことが多いです。 それは、積の反対の視点で考えるとわかりやすいです。 6=2×3から、6は互いに素な(1しか公約数がない)2数2と3の積に分解できますね。 同じように V=W×W'から、Vは互いに素な(0しか共通要素がない)2箱WとW'の積に分解できますね。 これを「直和分解」といいます。 VはWの成分とW’の成分を並べただけの形にかけます。 要素の個数のイメージでいくと、まさに直積ですが、 表示としては並べてくっつけたもの、カッコでまとめてくっつけた感じ だから、ただの+ではなく⊕です。 それだけではありません。 写像も線形な空間を作るので、 写像(射)も「箱」と呼べます。 だから、 写像箱f:V→WでV=V1⊕V2、W=W1⊕W2と分解できるとき、 2つの写像箱f1;V1→W1,f2=V2→W2があれば、 写像箱f=f1⊕f2も直和分解できます。 さらに、写像は行列で表現できるため、 x1∊V1, x2∊V2, y1∊W1, y2∊W2 とすると、 f1:V1→W1, f2:V2→W2 に対して、 t[y1,y2]={{f1,0},{0,f2}}=t[x1,x2] のように、 写像箱の直和分解は部分箱を対角成分にならべてかけます。 写像箱を分解して並べただけという感じがよく出ています。 もちろん、代数計算すれば条件通りです。 texでかくと、さらに見た目とコトバが一致します。 このイメージがあると、 「積分解というよりは和分解」 というイメージになるので、 「直和」分解というのはしっくりきますね。
<geoebraでコード化> a=Slider(1,10) b=Slider(0.2,20) X1=(10,0) X2=(15,0) x1=x(X1) x2=x(X2) f1(x)=a x f2(x)=b x y1=f1(x1) y2=f2(x2) Y1=(0,y1) Y2=(0,y2) P=(x1,y1) Q=(x2,y2) PolyLine(X1,P,Y1) PolyLine(X2,Q,Y2) M={{f1,0},{0,f2}} text1=TableText(M) text2="写像の直和分解M=("+text1+")" ♯これはLaTex数式をOnにします。 タイトルは「写像の直和分解」 <振り返り> aをアニメーションにしてみましょう。 f1の写像にかかわる箱V1,W2は忙しく変化していますが、 f2の写像にかかわる箱V2,W2はじっとしたままで、無関係になってますね。 これで、直和分解が、互いに素な分解になっているということが、 見た目でもわかるでしょう。 「対角線の反対側にある 0のおかげで、 V1 と V2はお互いに全く干渉せず、 それぞれの世界で自由に伸縮できていますね。 では、もしこの行列の右上に 1 (非ゼロ成分) が入ってしまったらどうなるでしょうか? M' = {{ f1 ,1} { 0 ,f2}} そうです、f2の動きが f1 側に一方通行で『漏れ出して(干渉して)』しまいます。 完全に分裂(直和分解)できず、 この『1の漏れ出し』が残ってしまった状態…… これこそがJordan標準形です。 では、次回はJordan標準形を扱いましょう。

写像の直和分解