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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。
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4 K; W) p; k @" R: ^线性空间介绍:
4 E/ W5 C) |- r D% W
' o* |" K$ D% B- f! u 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:* g0 O0 s& l$ {+ D
$ g8 a$ d+ @2 m, P; x5 y, K
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。 9 k5 d* {9 d; R4 D+ u7 C c$ P
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。5 q$ A( c* z. V' F, t* s
3.加法与纯量乘法满足以下条件:% S) Z3 w% \# n% x Y
1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.2 a" W% \- Q: M) w
2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.
: g0 j$ t A- v# \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.% r( h- h. r* u* i, ^) k8 G$ b( Z
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.0 p3 R* W" @: i3 X, D
5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).
8 M4 r* K/ F7 k2 C% U6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).3 A% a7 E3 A* p' e# I v# A
7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.8 }# x5 R1 D7 ?- P2 Z# X
8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,
1 c: i8 e# p1 B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。7 ]( O5 Z) X$ k/ \% s' y5 C
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。* o" B& g# L. n8 E0 }4 A. _+ {
/ X. E# K( f1 }- C: I7 L————————————————————————————————————————————————————1 q" E! b* {$ l7 J3 W4 C
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內积空间:1 q7 t. G) D2 Y
) o7 J+ r2 o, N( I9 n7 L% W
* G& o" q% F$ @, S+ e' k6 t' z! i% y! x$ D$ J' i3 r) s7 x$ N
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?
" U/ e% [2 H, c1 O% h3 Q. Q9 {) O. z5 ?
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。
, ?! d- |' t& h6 j& o2 Q* z3 M- ]( ^, a; q: @% J# 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。$ |) A4 A. }. N6 y# I/ Z
4 y. z: v( H! J) n# `6 x6 _% O( G下面列出一些常用的內积:
9 N+ C% e9 k3 x
z( G0 v8 i8 ^
- m" J4 y" i1 ]0 v
& g3 F% Q, A- z7 T$ A! f
的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。* B% |8 P$ z" c. Z& F. _
: H1 W& Y9 F" m. w3 z$ g
————————————————————————————————————————————————————! O! s5 y8 i: s o- i/ K+ B
% h# S% L& z% c) i1 i內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:8 ]1 U9 s0 f4 f
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( C: z7 G1 T- t, F
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3 E/ G n+ q: ]. }5 W9 H1 v" Y故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成:5 Q" B2 h T/ y+ _, T
8 c# j4 y' {; s' p' |0 o0 w
2 V( m. W; U; y( A& d
. L0 n* L" i6 t0 s0 ], V* K ~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。% e! H- x* C. s# E
- M2 [0 d* i) F. K2 H2 S问题如下:
+ v! D4 e' x4 i! P( j9 r
; `0 K- s0 _. k l+ e$ w! e
" K% F. {/ W: X }) k" U7 y% [0 D/ u2 x- h1 b
证明:1 g' a0 S7 P# r" p4 m( U6 u
% q0 S" X; o# G$ Z* J& `
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! ^5 m! _9 R O$ Z2 N8 O
. c7 Z- G" N* \9 C+ P) [4 W) c/ W$ ~- \9 |* I1 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:
, w( P0 Z6 b" H, Q' j
; K6 H m( C4 g. t' [
+ g/ ?5 G3 h' s6 ^ a" T7 z% {! b
( c5 P: n( R2 Z9 u4 \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。
+ j" Q- q& y; E) [$ {6 [* M
: M. }5 N$ f7 Z& h! q3 M3 p废话不多说,直接上图:5 Z6 Y3 d1 b' }) K
i. p6 o& G; V% {+ C. u, C# E& h
! C/ T% {3 f: f- U0 ^' D4 ~ ]8 I3 e7 F
就到这里吧
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