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( ~) @/ Z& `. v8 x3 i" a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。
, ^( Z9 J( g& @- H
5 x7 u* r" A; v7 x: j线性空间介绍:9 E( [8 F0 {& s& `' s# y! X
n* m4 a: o( G! b* a 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:* r2 s! H/ U- R. _! V& F
8 r, `: ?: I/ b' N/ U' B3 L3 K1.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。
; f* T* }, |; l; P2 S" ^. g2.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。% q3 ^) B6 j% r& _
3.加法与纯量乘法满足以下条件:8 I1 O: m& R' H% Y0 |+ x7 a
1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.# k: j* |3 C$ j+ Y& N) B! T4 C
2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.
# G! [' L* n% `2 C0 y V+ l3) 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.% u5 a) I0 g7 ^+ c& J
4) 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.
1 x6 {7 s* Y9 n% p- ], F% T% G% D5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).: t/ g" g" e$ J" C. k% N! i! i0 V
6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).
7 g; P0 F3 S: M3 d/ @" ~% \, D7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.8 m X) l+ g3 M' K
8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,
* s, F7 l0 A2 M. [1 u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。 ]( U# ]& F5 R
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。8 f" g! z) |, c
; M9 |' Z% ~9 G) o/ Q9 V6 x; E
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% i' k! W8 f& V/ j5 R0 J* v" D( V) y4 {1 e" G
內积空间:; Q. ~; b6 {: e; g- T0 @) L. k
& L0 c6 Z$ b9 e* x' ~
+ V. D' K3 o; z, t* V, M) }
I# R# W0 w. a9 ]2 Z+ Q# `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?' u9 G5 m4 r1 a7 ^
6 h* V4 h9 |: n; N
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。
% U% W% M+ V" w" B0 @& Z( A3 ^; [7 Q; f s$ C0 r0 g! M" Y
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。
' ]( t8 y$ g7 U% y A/ U, `0 W; E% c$ U, M" P
下面列出一些常用的內积:
% E! D! M2 M( j& l! A
( p/ P* S& j( Y) O: j% D, `
O2 m, H9 s% f+ L; G! F
6 W. K Z( w1 f6 w6 k: S4 C( l
的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。- v5 o& \" Q3 s
! ]* l7 H/ }+ l6 ~1 o" ~# t
————————————————————————————————————————————————————2 Q/ o. I# {- i( [" b
! j, H0 s7 K0 |/ r. l內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:
$ I9 ?3 Q( e* a
# X& @ X9 p: A6 o) `3 j
' N n5 T0 j8 I& ?3 A! k- [+ h
7 H: n* Y2 f5 K* w
由于
8 p2 o/ J! j$ A9 a0 m0 @ d- V7 N, u, ~7 W+ r. w! i8 W
故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成:
, F5 {% G6 @/ d9 e, U' w: x, Q$ _# t0 k- Y, U
) o; s' r5 z3 c8 h( h# ~& v! \9 z* H1 T9 ]( ~& l+ W9 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。& S+ ~ h5 \8 D z6 f! k; t
9 @( B. u5 s; w! R# z8 n
问题如下:
: b: a! m- \. W! _+ q* q- }" M) K
3 ]' z" ]# o& y6 z: q
& s8 A5 ^% Q( p6 Q: y* y
) i+ R+ ]3 p4 A' \$ M# D
证明:
; U9 _& {! c, [3 \1 N* c
% c% P2 R8 f0 }) K' H- `# O; _' R
5 }1 s9 w; ]& O* S/ [
; S% R0 X* ~; N# z0 [
$ z; g$ p2 T5 w6 f$ i
$ G/ f5 }: M. z( l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:
Q( I" N3 @, B2 D4 n
, X0 F- E: [& ~1 y
# q' ? D. O( M$ ~/ m
4 k' c% h, n6 w2 e3 l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。
* G- [5 U+ e; s! j) @- j, z0 `( O$ b3 T; J
废话不多说,直接上图:4 q5 j" R# K6 G1 U. q& B1 j
7 Y* b+ _1 w$ y- g
# f& c o- P7 i9 z3 r: Y5 T0 z( |
就到这里吧
$ A0 ?& h5 C. }( ^" U) T& |* M |
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