教材一覧
< 前のページ
次のページ >
Share on twitter
Twitterで共有
Share on email
メールで共有

順序

\(n\)次元空間の点\(x,y\in \mathbb{R} ^{n}\)を任意に選びます。ただし、\(x=\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \)かつ\(y=\left( y_{1},\cdots ,y_{n}\right) \)です。このとき、\begin{equation*}\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,n\right\} :x_{i}\leq y_{i}
\end{equation*}が成り立つならば、\(x\)は\(y\)以下(less of equal)であるとか、\(y\)は\(x\)以上(greater or equal)であると言い、そのことを、\begin{equation*}x\leq y
\end{equation*}で表記します。つまり、\begin{equation*}
x\leq y\Leftrightarrow \forall i\in \left\{ 1,\cdots ,n\right\} :x_{i}\leq
y_{i}
\end{equation*}を満たすものとして\(\leq \)を定義するということです。この\(\leq \)を\(\mathbb{R} ^{n}\)における順序(ordering)や半順序(partially ordering)などと呼びます。

例(順序)
\(1\)次元空間の点\(x,y\in \mathbb{R} \)を任意に選びます。このとき、\begin{equation*}x\leq y\Leftrightarrow x\leq y
\end{equation*}という関係が成り立ちます。ただし、左側の\(\leq \)は\(\mathbb{R} \)上の順序を、右側の\(\leq \)は\(\mathbb{R} \)上の大小関係を表す記号です。つまり、1次元空間において、順序と大小関係は等しくなります。具体例を挙げると、\begin{eqnarray*}1 &\leq &4 \\
-1 &\leq &8 \\
\frac{1}{10} &\leq &\frac{4}{5}
\end{eqnarray*}などが成り立ちます。
例(順序)
\(2\)次元空間の点\(x,y\in \mathbb{R} ^{2}\)を任意に選びます。ただし、\(x=\left( x_{1},x_{2}\right) \)かつ\(y=\left( y_{1},y_{2}\right) \)です。このとき、\begin{equation*}x\leq y\Leftrightarrow x_{1}\leq y_{1}\wedge x_{2}\leq y_{2}
\end{equation*}となります。ただし、左側の\(\leq \)は\(\mathbb{R} ^{2}\)上の順序を、右側の\(\leq \)は\(\mathbb{R} \)上の大小関係を表す記号です。具体例を挙げると、\begin{eqnarray*}\left( 1,2\right) &\leq &\left( 1,3\right) \\
\left( -1,7\right) &\leq &\left( 3,2\right) \\
\left( -\frac{1}{2},-2\right) &\leq &\left( \frac{2}{3},-1\right)
\end{eqnarray*}などが成り立ちます。
例(順序)
\(3\)次元空間の点\(x,y\in \mathbb{R} ^{3}\)を任意に選びます。ただし、\(x=\left( x_{1},x_{2},x_{3}\right) \)かつ\(y=\left( y_{1},y_{2},y_{3}\right) \)です。このとき、\begin{equation*}x\leq y\Leftrightarrow x_{1}\leq y_{1}\wedge x_{2}\leq y_{2}\wedge x_{3}\leq
y_{3}
\end{equation*}となります。ただし、左側の\(\leq \)は\(\mathbb{R} ^{3}\)上の順序を、右側の\(\leq \)は\(\mathbb{R} \)上の大小関係を表す記号です。具体例を挙げると、\begin{eqnarray*}\left( 1,2,3\right) &\leq &\left( 3,4,5\right) \\
\left( -1,4,2\right) &\leq &\left( 0,4,7\right) \\
\left( \frac{1}{2},-2,-\frac{1}{2}\right) &\leq &\left( 0,2,\frac{1}{4}\right)
\end{eqnarray*}などが成り立ちます。

 

順序の反射律

点\(x\in \mathbb{R} ^{n}\)を任意に選びます。ただし、\(x=\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \)です。\(\mathbb{R} \)上の大小関係\(\leq \)の反射律より、\begin{equation*}\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,n\right\} :x_{i}\leq x_{i}
\end{equation*}が成り立ちますが、\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)の定義より、これは、\begin{equation*}x\leq x
\end{equation*}が成り立つことを意味します。つまり、\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)もまた反射律(reflexive law)を満たします。\(\mathbb{R} ^{n}\)の任意の点は自身\(x\)以下であると同時に、自身\(x\)以上であるということです。

命題(順序の反射律)
\(\mathbb{R} ^{n}\)上に定義された順序\(\leq \)は、\begin{equation*}\left( O_{1}\right) \ \forall x\in \mathbb{R} ^{n}:x\leq x
\end{equation*}を満たす。

 

順序の反対称律

点\(x,y\in \mathbb{R} ^{n}\)を任意に選びます。ただし、\(x=\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \)かつ\(y=\left( y_{1},\cdots ,y_{n}\right) \)です。\(x\leq y\)かつ\(y\leq x\)が成り立つものとします。\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)の定義より、これは、\begin{eqnarray*}\forall i &\in &\left\{ 1,\cdots ,n\right\} :x_{i}\leq y_{i} \\
\forall i &\in &\left\{ 1,\cdots ,n\right\} :y_{i}\leq x_{i}
\end{eqnarray*}がともに成り立つことを意味します。すると、\(\mathbb{R} \)上の大小関係\(\leq \)の反対称律より、\begin{equation*}\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,n\right\} :x_{i}=y_{i}
\end{equation*}が成り立ちますが、\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)の定義より、これは、\begin{equation*}x=y
\end{equation*}が成り立つことを意味します。つまり、\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)もまた反対称律(antisymmetric law)を満たします。\(\mathbb{R} ^{n}\)の任意の点\(x,y\)について、\(x\)が\(y\)以下であり、なおかつ\(y\)が\(x\)以下である場合には、\(x\)と\(y\)が等しいことが保証されるということです。

命題(順序の反対称律)

\(\mathbb{R} ^{n}\)上に定義された順序\(\leq \)は、\begin{equation*}\left( O_{2}\right) \ \forall x,y\in \mathbb{R} ^{n}:\left[ \left( x\leq y\wedge y\leq x\right) \Rightarrow x=y\right] \end{equation*}を満たす。

 

順序の推移律

点\(x,y,z\in \mathbb{R} ^{n}\)を任意に選びます。ただし、\(x=\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \)かつ\(y=\left( y_{1},\cdots ,y_{n}\right) \)かつ\(z=\left( z_{1},\cdots ,z_{n}\right) \)です。\(x\leq y\)かつ\(y\leq z\)が成り立つものとします。\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)の定義より、これは、\begin{eqnarray*}\forall i &\in &\left\{ 1,\cdots ,n\right\} :x_{i}\leq y_{i} \\
\forall i &\in &\left\{ 1,\cdots ,n\right\} :y_{i}\leq z_{i}
\end{eqnarray*}がともに成り立つことを意味します。すると、\(\mathbb{R} \)上の大小関係\(\leq \)の推移律より、\begin{equation*}\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,n\right\} :x_{i}\leq z_{i}
\end{equation*}が成り立ちますが、\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)の定義より、これは、\begin{equation*}x\leq z
\end{equation*}が成り立つことを意味します。つまり、\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)もまた推移律(transitive law)を満たします。\(\mathbb{R} ^{n}\)の任意の点\(x,y,z\)について、\(x\)が\(y\)以下であり、なおかつ\(y\)が\(z\)以下である場合には、\(x\)は\(z\)以下であることが保証されるということです。

命題(順序の推移律)
\(n\)次元空間\(\mathbb{R} ^{n}\)上に定義された順序\(\leq \)は、\begin{equation*}\left( O_{3}\right) \ \forall x,y,z\in \mathbb{R} ^{n}:\left[ \left( x\leq y\wedge y\leq z\right) \Rightarrow x\leq z\right] \end{equation*}を満たす。

 

順序集合としての\(n\)次元空間

\(n\)次元空間\(\mathbb{R} ^{n}\)上に定義された順序\(\leq \)が\(\left( O_{1}\right) \)から\(\left( O_{3}\right) \)までの性質を満たすことは、それらの組\(\left( \mathbb{R} ^{n},\leq \right) \)が順序集合(ordered set)もしくは半順序集合(partially ordered set)であることを意味します。つまり、\(n\)次元空間は順序集合の1つの例です。一般の順序集合については場を改めて詳しく解説します。

命題(順序集合としての(n)次元空間)
\(n\)次元空間\(\mathbb{R} ^{n}\)は順序\(\leq \)に関して順序集合である。すなわち、\begin{eqnarray*}&&\left( O_{1}\right) \ \forall x\in \mathbb{R} ^{n}:x\leq x \\
&&\left( O_{2}\right) \ \forall x,y\in \mathbb{R} ^{n}:\left[ \left( x\leq y\wedge y\leq x\right) \Rightarrow x=y\right] \\
&&\left( O_{3}\right) \ \forall x,y,z\in \mathbb{R} ^{n}:\left[ \left( x\leq y\wedge y\leq z\right) \Rightarrow x\leq z\right] \end{eqnarray*}が成り立つ。

\(1\)次元空間\(\mathbb{R} \)上の順序\(\leq \)は大小関係と実質的に等しいため、反射律、反対称律、推移律に加えて、完備律(complete law)と呼ばれる以下の性質\begin{equation*}\forall x,y\in \mathbb{R} :\left( x\leq y\vee y\leq x\right)
\end{equation*}を満たします。つまり、大小関係\(\leq \)のもとでは\(\mathbb{R} \)の任意の2つの点が比較可能です。これは\(1\)次元空間\(\mathbb{R} \)が全順序集合であることを意味します。一方、\(2\)次元以上の空間\(\mathbb{R} ^{n}\)に関しては、そこに定義された順序\(\leq \)は完備律を満たしません。実際、\(\mathbb{R} ^{n}\)の要素である以下の2つの点\begin{eqnarray*}x &=&\left( 1,0,\cdots ,0\right) \\
y &=&\left( 0,\cdots ,0,1\right)
\end{eqnarray*}に注目したとき、\(\mathbb{R} ^{n}\)における順序\(\leq \)のもとでは\(x\leq y\)と\(y\leq x\)はともに成り立ちません。\(n\geq 2\)の場合、\(\mathbb{R} ^{n}\)は全順序集合ではないということです。

 

点の符号

点\(x\in \mathbb{R} ^{n}\)とゼロベクトル\(0\in \mathbb{R} ^{n}\)の間に\(0\leq x\)が成り立つ場合、すなわち\(x\)の任意の成分\(x_{i}\)が非負の実数である場合、\(x\)は非負(nonnegative)であると言います。逆に、\(x\leq 0\)が成り立つ場合、すなわち\(x\)の任意の成分\(x_{i}\)が非正の実数である場合、\(x\)は非正(nonpositive)であると言います。すべての非負な点からなる集合、すべての非正の点からなる集合をそれぞれ、\begin{eqnarray*}\mathbb{R} _{+}^{n} &=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ x\geq 0\right\} \\\mathbb{R} _{-}^{n} &=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ x\leq 0\right\} \end{eqnarray*}と表記します。非負かつ非正であるようなベクトルはゼロベクトルだけです。

命題(点の符号)
\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)に関して、\begin{equation*}\mathbb{R} _{+}^{n}\cap \mathbb{R} _{-}^{n}=\left\{ 0\right\} \end{equation*}が成り立つ。
証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

 

演習問題

問題(順序の逆関係)
\(\mathbb{R} ^{n}\)上の順序\(\leq \)の逆関係を\(\geq \)で表記します。この逆関係\(\geq \)に関しても、\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ \forall x\in \mathbb{R} ^{n}:x\geq x \\
&&\left( b\right) \ \forall x,y\in \mathbb{R} ^{n}:[(x\geq y\wedge y\geq x)\Rightarrow x=y] \\
&&\left( c\right) \ \forall x,y,z\in \mathbb{R} ^{n}:\left[ \left( x\geq y\wedge y\geq z\right) \Rightarrow x\geq z\right] \end{eqnarray*}が成り立つことを証明してください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(順序の制限)
順序集合\(\left( \mathbb{R} ^{n},\leq \right) \)が与えられたとき、その非空な部分集合\(A\)を任意に選びます。その上で、任意の\(x,y\in A\)に対して、\begin{equation*}x\leq _{A}y\Leftrightarrow x\leq y
\end{equation*}を満たすものとして\(A\)上の二項関係\(\leq _{A}\)を定義します。このように定義される\(\leq _{A}\)を\(\leq \)を\(A\)に制限した大小関係(restriction)と呼びます。このとき、\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ \forall x\in A:x\leq _{A}x \\
&&\left( b\right) \ \forall x,y\in A:[(x\leq _{A}y\wedge y\leq
_{A}x)\Rightarrow x=y] \\
&&\left( c\right) \ \forall x,y,z\in A:\left[ \left( x\leq _{A}y\wedge y\leq
_{A}z\right) \Rightarrow x\leq _{A}z\right] \end{eqnarray*}が成り立つことを証明してください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

次回は狭義順序と呼ばれるn次元空間上の二項関係について解説します。

< 前のページ
次のページ >
Share on twitter
Twitterで共有
Share on email
メールで共有
RELATED KNOWLEDGE

関連知識

大小関係

大小関係

実数の集合 R 上に実数どうしの大小関係を比較する順序を定義した上で、それが全順序としての性質満たすことを公理として定めます。

DISCUSSION

質問とコメント

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録