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內积空间

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发表于 2020-11-19 15:04 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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" x) a* i; a$ M5 |! V( g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。; Y( b* H, g1 p

. A# l0 o* c( p3 [% w! u0 G线性空间介绍:
( o% |( i  S. F, O- F! v# \5 s
2 R2 [$ ^8 N9 W# B/ [! x6 ?8 z+ v        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 w. V0 s* o# F- R1 O

1 n, r8 v- W* X6 x  O, |: J1.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。  * l, ?/ m9 k3 F1 u
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。; O' N: k$ L. O" \) S
3.加法与纯量乘法满足以下条件:
+ L5 G' }7 K- `* s( E' k1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.
: p" H3 n0 ~1 s" k8 }3 b2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.# @' @, K( x  ~7 U* e) S
3) 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.
8 i; _) H% l9 Y; D4 p4) 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.
, ^. ]- q$ y) I% W5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).
+ r3 U1 w. ?4 A8 k( J! V5 l6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).
  Q, Q" R5 N9 A( o5 U5 H9 p: g) U7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.
+ E% e( D; M" e: r  D' w8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,3 D! q+ P2 r" C+ \) m6 `' j4 s, Z
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。
6 j. N; a, V& T' g- s+ ]  R4 a) Y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。
3 S  }& N8 g$ s  d
) P& D0 y- `. _" Y% K————————————————————————————————————————————————————% F- j/ V1 B. [
, P! F- X$ f8 ]) o3 U! c
內积空间:) `1 Q# M4 p5 Q- y7 j$ D
3 N% I( j! k2 O/ Q& x' Z; `$ m: C* _

1 ?/ L: h1 Z2 F6 j- M8 ~) G+ W% x- G6 l8 O9 ]6 g% L  ~+ _+ e. I
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?7 q1 y! `; D4 E: I

/ S) L0 P, m7 \. v- k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。
0 ~7 J2 L: \* e5 a
% q8 i7 q. o1 w/ f# q: [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。
* L. Q! S* A/ I8 ]1 Y* ~: M
0 Q1 t/ K- k6 S* @( s下面列出一些常用的內积:! w$ x, |) f8 t6 @$ o! d" `
8 K4 X) }* l; ]  W2 ^/ y( |

; y: a7 g7 O' W/ n9 O& j6 {# I# i( C: X) f3 a
的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。
  B8 a" x, _# ^' B: H/ ?1 C  q  O! [' G7 I
————————————————————————————————————————————————————( r  D9 E" K+ L% F7 ?
: E$ v( K. {) W, b" c4 C4 Q8 O
內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:" Y5 ?$ d7 G* L0 R$ @# A

4 f. z) V1 w0 j6 p
9 A  ?( v+ M# @9 a5 v9 q
& S& _8 ^  u" }( |* e$ |由于 " F2 k" P9 {( ^. v7 @$ v% R
' e* e" }: ]5 M. L
故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成:; Q& Y( [8 v. u* d" v! d

/ J1 U7 g! ~. [7 p" P! f# q: B / r2 `" [; r2 d* o  ~0 f

1 \# `1 u: A% ?* p6 }& d. G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。
9 j5 M0 Y8 t8 y# u1 r
' p6 f2 E3 K* e" C1 U+ ]4 l问题如下:
4 v8 r9 l0 c/ _/ a; S, ]8 {- N
; y! v8 H/ l. G" `. O6 M $ J3 a) g: U  u0 V

$ V% H5 y9 k0 S: W3 t' `" u1 x证明:
/ `: }. q7 V  R( L
/ N( o! `2 t7 B9 S# q, x* h( G. }
2 e- O' O6 z6 A: ]8 _# U $ U) ]( V: x# N" U' ~7 E
) ^. e8 O. j- I9 n5 n6 _4 s

; `3 a' I7 T  R  Y# V0 }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:2 A" a0 h6 x9 V5 r, a: \
& `* @1 r, r: t" N& z/ R+ e
1 k( J: K( R/ W8 W( d2 o: A

& Y. x- |7 E) Z+ x6 i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。5 j1 Z( ~9 Y- O' w" e

0 f3 D- L7 i+ G6 J) P+ r8 k废话不多说,直接上图:* @5 T- m2 p2 O& i/ v
; z  b  ^+ {; `+ T
1 Y; I1 o& i$ Y  }# `) c
: U% k# @6 e7 r* _
就到这里吧
- p' V$ H' Z! \; L% z6 W
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