線型代数の有名事実~部分空間と次元の関係について

定理

有限次元ベクトル空間 VV の部分空間 WW について,次が成り立つ。

  • dim⁡V≥dim⁡W\dim V \ge \dim W
  • dim⁡V=dim⁡W\dim V = \dim W であれば V=WV = W になる。

この記事では,ベクトル空間の次元に関する重要定理を紹介します。

準備補題

証明の準備のために補題を証明しましょう。

一次独立なベクトルが存在するとき,それらは基底の一部にできます。

補題

有限次元ベクトル空間 VV は dim⁡V=n\dim V = n を満たすものとする。m<nm < n とし,v1,v2,⋯ ,vmv_1, v_2, \cdots , v_m は VV の一次独立な元であるとする。

このとき,{v1,v2,⋯ ,vn}\{ v_1, v_2, \cdots , v_n \} が基底となるように vm+1,⋯ ,vn∈Vv_{m+1} , \cdots , v_n \in V を取ることができる。

証明

Um=⟨v1,v2,⋯ ,vm⟩U_m = \langle v_1 , v_2 , \cdots , v_m \rangle とおく。

m<nm < n より Um⊊VU_m \subsetneq V である。よって,vm+1∈V\Umv_{m+1} \in V \backslash U_m を取ることができる。

このとき,v1,v2,⋯ ,vm,vm+1v_1, v_2, \cdots , v_m , v_{m+1} は一次独立であるため, Um+1=⟨v1,v2,⋯ ,vm,vm+1⟩ U_{m+1} = \langle v_1 , v_2 , \cdots , v_m , v_{m+1} \rangle とすると,Um⊊Um+1U_m \subsetneq U_{m+1},dim⁡Um+1=m+1\dim U_{m+1} = m+1 である。

帰納的に繰り返すことで VV の一次独立な元 v1,v2,⋯ ,vnv_1 , v_2 , \cdots , v_n を得る。dim⁡V=n\dim V = n であるため,これらは基底を成す。

こうして題意が示された。

定理の証明

前半の主張

証明のポイントは基底を取ることにあります。特に有限次元であるため,有限個の元を基底として取れることに注意しましょう。

証明

WW の基底 S={w1,w2,⋯ ,wn}S = \{ w_1, w_2 , \cdots , w_n \} を取る。このとき,基底の取り方によらず n=dim⁡Wn = \dim W で一定となる。

w1,w2,⋯ ,wnw_1, w_2 , \cdots , w_n は VV の元としても一次独立である。

よって,w1,w2,⋯ ,wnw_1, w_2, \cdots , w_n を含むように VV の基底 TT を取ることができる。

このとき #S≤#T\# S \le \# T である。次元の定義より dim⁡W≤dim⁡V\dim W \le \dim V が従う。

後半の主張

証明

dim⁡V=dim⁡W\dim V = \dim W より,前半の証明での SS と TT は一致する。

つまり,S={w1,w2,⋯ ,wn}S = \{ w_1 , w_2 , \cdots , w_n \} は VV の基底となる。よって V=WV = W である。

しばしば登場する重要定理ですから覚えておきましょう。