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在讲內积空间之前,先提一下线性空间,这是內积空间的基础,也是我们学习任何一门理科所必备的常识。
2 G- C% x# n9 Q3 [$ {+ q
0 \% s1 b. q$ p, Z线性空间介绍:
% B9 E- E5 E: \ A/ \9 \! o) ^ t
3 Y b3 | {( R 向量空间亦称向量空间。它是线性代数的中心内容和基本概念之一。设V是一个非空集合,P是一个域。若:
1 P7 P% w( F; w5 O c/ l8 w& }" T7 U& }8 _% ^+ v
1.在V中定义了一种运算,称为加法,即对V中任意两个元素α与β都按某一法则对应于V内惟一确定的一个元素α+β,称为α与β的和。 6 l; N( n3 A1 J, D1 D, n
2.在P与V的元素间定义了一种运算,称为纯量乘法(亦称数量乘法),即对V中任意元素α和P中任意元素k,都按某一法则对应V内惟一确定的一个元素kα,称为k与α的积。
. [0 ~/ ]; ]% y! D- |& S3.加法与纯量乘法满足以下条件:
4 }+ V1 c& @5 Q P; v1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.
5 f, ^. ~# s" k* z/ I2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.
8 \5 v( q9 W9 p- ^+ A3) 存在一个元素0∈V,对一切α∈V有α+0=α,元素0称为V的零元.
. W, L( K& F" x- r2 J5 I4) 对任一α∈V,都存在β∈V使α+β=0,β称为α的负元素,记为-α.
4 m" I* Q& v: e& p8 f5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).% W! b! f6 y6 {- l4 N
6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).. J6 U* u0 y$ V
7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.: |' R0 I$ }. J, d
8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,
+ e1 R. ~1 R6 f0 A则称V为域P上的一个线性空间,或向量空间。V中元素称为向量,V的零元称为零向量,P称为线性空间的基域.当P是实数域时,V称为实线性空间.当P是复数域时,V称为复线性空间。+ y/ n$ p8 Z) o
各个版本大同小异,都是一个意思,这里就选百度百科上的描述吧。
7 s+ j# m* B: ?+ F% C" i9 o! ~$ X) Y# ?. K- ~6 V+ h
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2 o, O) N; c( ^3 b0 W0 y0 M3 F內积空间:2 O5 j' S8 O3 j0 E5 c* h D" k
3 n, r3 }4 @: I0 K' f+ h8 v
4 t0 r) ]: I& S6 j7 M& V, Q, c3 q B6 L: d/ B% j3 Q. k
也就是说在线性空间上装配上內积,线性空间也就成了內积空间了,內积是什么东西?. a. |2 U1 j+ v9 \' ?
4 d, n: C3 K( B3 A
內积是一种运算,将线性空间中的两个元素映射成一个元素,即二元映射为一元,且这种运算满足所谓的內积公理,则这种运算才能称为內积。
! i H ]+ } v( e2 P* S. R: g9 @& R9 H$ g! w/ ?4 O# F8 P
內积对第二变元具有共轭线性性质,要记住,区分內积对第一变元和第二变元不同的运算规则。
: ]- o9 Y9 h* O
+ A* L4 D7 g, B( W下面列出一些常用的內积:
3 A. B; @$ w" S* D$ c( u( L; Y) y6 _2 E# a9 y+ q
! F) y: G- \( ?8 {1 s1 E/ w
" z9 M) o/ Q, i% u
的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。9 w9 \( z( x: h% _/ o
, k& |2 d6 s6 z9 a$ v' a; _& I
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8 A8 f; i/ G1 x9 S8 K* s/ x5 N6 S2 B! k2 h
內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:4 W" @; R1 L6 f. w/ l8 l
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9 o5 q, L9 q( i+ i" D$ W; N由于
* k2 @: s2 q9 e
: r. v4 T5 m7 P! U) P. P( |
故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成:
% k4 U6 B. G% ~0 V, e) N% S% x. F, F/ L- Y0 n: |& c! d+ w8 m; E
' @+ ?6 X! f1 C% v
" r3 ]; ?) F/ w" F介绍这个不等式的目的如下,就是证明由內积诱导(定义)的范数是否满足范数公理,如果满足,这范数可以由內积来诱导。
* y! s& E; e4 M9 b2 L6 c" K5 T- @: L! V" s8 M
问题如下:. V: C4 w0 i' U0 R) I) P8 M
9 w- s( e9 @; Q ~4 J
6 |" C! M: @$ g* }7 J
; B. c$ b3 O5 j) v8 }证明:
* h/ A6 p% ?& H4 N4 x' u5 D5 h
1 k$ `; v. f$ W$ g
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. ~- e0 z/ |& [2 J; \9 ?9 S/ D( O: ?2 F% K% T* ~ H" _2 U" M h
3 j0 g0 F4 y$ l$ A, d
既然知道由內积可以诱导范数,那么下面的公式自然不难验证了:
& V1 D: P* H% [# N0 `0 S. Z
& ~) D8 h3 i& k/ m+ p- u
+ y" A! P. g: A5 L, w0 z, j4 X1 p; M H+ t, d- g# p
左边由內积表示出来,然后经过一系列的化简,即可得到右边的式子。1 V% k+ D" {! P3 Q; s
; ]/ f i: M0 ?, d废话不多说,直接上图:. r, x4 ~3 r% W0 O
& E9 W+ E! P# u6 u
8 F. f- Q9 \4 t6 m& l' T
, g) S7 m* p C9 n: Z( }# V就到这里吧
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