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同型写像 📂線形代数

同型写像

定義1

二つのベクトル空間V,WV, Wに対して、可逆線形変換T:VWT : V \to Wが存在する場合、VVWW同型VV is isomorphic to WWであると言い、以下のように示される。

VW V \cong W

また、TT同型写像isomorphismと言う。

説明

可逆である同値条件によって、TTが同型写像であるということは、TT全単射関数であるということと同じである。従って、全単射関数T:VWT : V \to Wが存在すれば、V,WV, Wは同型である。

V,WV, Wが同型であるということは、VVWWも事実上変わりがないということである。

定理

V,WV, W有限次元ベクトル空間であるとする。すると、VVWWが同型である必要十分条件は、dim(V)=dim(W)\dim (V) = \dim (W)が成立することである。

VVをベクトル空間とする。すると、VVRn\mathbb{R}^{n}と同型である必要十分条件は、dim(V)=n\dim (V) = nであることである。

証明

()(\Longrightarrow)

T:VWT : V \to Wが同型写像であると仮定する。すると、TTは可逆であり、可逆線形変換の性質により

dim(V)=dim(W) \dim (V) = \dim (W)

()(\Longleftarrow)

dim(V)=dim(W)\dim (V) = \dim (W)と仮定する。β={v1,,vn},γ={w1,,wn}\beta = \left\{ \mathbf{v}_{1}, \dots, \mathbf{v}_{n} \right\}, \gamma = \left\{ \mathbf{w}_{1}, \dots, \mathbf{w}_{n} \right\}をそれぞれV,WV, W基底とする。すると、有限次元ベクトル空間の間には次のような線形変換が存在する。

T:VW by T(vi)=wi T : V \to W \quad \text{ by } \quad T(\mathbf{v}_{i}) = \mathbf{w}_{i}

また、それならばT(β)=γT(\beta) = \gammaが真であり、T(β)T(\beta)R(T)R(T)を生成するので

R(T)=span(T(β))=span(γ)=W R(T) = \span (T(\beta)) = \span (\gamma) = W

従って、TTは全射である。すると、dim(V)=dim(W)\dim (V) = \dim (W)と仮定したからにはTTも単射である。 従って、全単射関数T:VWT : V \to Wが存在し、VVWWは同型である。


  1. Stephen H. Friedberg, Linear Algebra (4th Edition, 2002), p102-103 ↩︎