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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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  U% L  H# {0 l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。/ b5 f3 b0 g: r8 ^& ~
  S, h& b1 R5 |8 V5 T0 Y8 ], R
线性空间介绍:1 w% K1 s8 r. e. _! E; L+ y
3 N' W1 u- f4 @9 W
        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:
: m' |7 G1 ?  M7 ?. e! Z/ i- D; V" Y# y% E
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。  
, K- V$ E5 c/ O# {6 X$ l+ t" Y+ u2.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。* R. X$ X" J$ t5 d5 E' A: b: i& ]
3.加法与纯量乘法满足以下条件:
( J" J6 M* S+ z6 Q1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.
. h# K% M8 W& c4 v7 [- l! v2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.3 L3 f1 |# c- @& v3 u3 a2 w
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.4 k) P1 ^9 o! _) r% V
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.
. S) r  S2 Q( j5 i5 G" w7 a4 m5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).
2 L8 O, G$ q# F0 P6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).7 V7 p; G. L6 \" F
7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.* R  q; E8 N% l5 x( x
8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,
. m6 o, N9 u* [2 `1 j0 e5 ~; ?+ E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。
: j! l3 E  L! d, U. @+ h' X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。
# f; V# t) m8 B/ R1 `
" {, Y& Y; Q1 A- r6 `4 }9 R& r————————————————————————————————————————————————————
0 l& I$ k6 w8 O3 \2 t$ G' n
8 o' v5 L1 Y' r' ~# X內积空间:
3 ?, p. ~% g/ R( V. Z- d0 U
+ P  D& a+ }/ G, r! g: [ + d5 W) N1 n1 a3 q8 j% @' i
" t! C( w* P# L5 s& y
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?0 y1 G. z! Y5 T" T1 B, y8 l+ P8 c5 v
: y5 d; B. Y1 T; e
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。
# ^7 V0 `' e% m& r+ O& Y3 h3 H! l* W8 v4 o
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。! l3 o, R3 v8 c( a6 g: f' |
0 n0 g+ c1 J3 L* _3 s" g( e
下面列出一些常用的內积:* o% D1 b- w* [7 z/ W' q
9 Q# p  C1 e* p/ g: E0 q% s: a
7 \& S" S: I& ]3 ~

5 E4 s: }  N7 X7 k 的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。
' J6 J( P: g0 l0 A3 h9 ?$ r# U  }- o+ B6 v
————————————————————————————————————————————————————
; ~9 _# ?* r  j) v0 {
$ P1 f% ?( q' u內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:; R* O2 I4 Q# [

" Z8 O  F8 m$ p9 \ % p2 E; J0 `+ u6 N. i

' r3 X2 D/ T; ]- \; V3 ^由于 & J/ Y& c5 _* r4 t$ o

) q* ^' H# b, `故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成:
; G% o) Y, r% H# w8 L) t
& a) e( N' l3 I: y% N + L. m. Z2 J7 @

4 X2 A# n+ Y8 h, y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。# [5 U8 c5 F  s) e' W
! i, a% `2 V* Z( z
问题如下:
% Z; Z9 C- H1 O; F# L: N1 M
8 L% _& Q& g  }$ h2 n/ E8 e
8 R( T" v& v5 J8 Q
) K- e+ u0 I0 A  m( z" v! @/ y: V证明:
" T6 a+ }' f# q& t* x" I8 C& K% v( d4 g4 ?0 R. ~, Y

6 W6 o" N7 G, Z4 ] 5 ~" q  ]7 X- m6 }

: v' f' V6 V0 P# B: U0 M) j( b7 ~- `
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:
# n: G% m0 W1 r1 y; \  D0 A/ p
; ~! e+ i, |; |: ~& p ' {$ L7 \; {; f: F: v
: F! W4 ~3 F% Q- A+ Y
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。# U; _+ m- w5 T( B& e/ {; Q5 ~

/ j3 _8 o1 b- m废话不多说,直接上图:
1 n4 E4 W0 q! S" |% q! K4 i, U. E: z  Q9 i4 N- l5 C6 a3 ]
% G4 o3 A, r. Q# x, O

& q& [) ]: ]/ D% i2 _1 w就到这里吧7 Z5 ]0 K. V: U6 x* \  A5 f
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