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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 l. Q' e9 A2 ?
& N5 T E4 Q3 }; v0 k3 s7 R, W% j线性空间介绍:$ H- k+ |( ]0 d% o
! G; G" Y9 V( q8 J& b. d 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' I4 p! }7 z6 T; s s( K5 Y, M) ~1 F" E. R* R0 c
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。 - f+ Y: Q' `" M& ~5 G
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。6 I4 ^- [: h. ^3 F4 r. Q( E$ d' X
3.加法与纯量乘法满足以下条件:; m, \( M- b$ |+ O* F
1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.
0 d1 V, r3 H7 G0 R" h2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.
+ W% K# {7 y, B* j$ F8 k3) 存在一个元素0∈V,对一切α∈V有α+0=α,元素0称为V的零元.
6 r! C! @- Y, i# Q5 O3 h% n4) 对任一α∈V,都存在β∈V使α+β=0,β称为α的负元素,记为-α.
% p( k6 [+ T* b3 y$ f5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).7 Y1 J m; q0 o2 A# u) r- w
6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).; v. n3 E3 q7 F) b+ U( T
7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.
0 a* N @7 H2 }1 t* c- v8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,
7 w) j6 E1 O7 O则称V为域P上的一个线性空间,或向量空间。V中元素称为向量,V的零元称为零向量,P称为线性空间的基域.当P是实数域时,V称为实线性空间.当P是复数域时,V称为复线性空间。
& o$ G- q5 a: i, F' M各个版本大同小异,都是一个意思,这里就选百度百科上的描述吧。
9 o( X! Z; ]7 ]) X% x# D N' \2 C r1 s4 d8 k4 k, M
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. W+ h" x5 k7 I! ~2 |5 ~7 R! E5 Q6 T/ y+ w* M- Q3 G
內积空间:$ e9 {& ]! S! ~- e; q4 p
1 D; ?% H7 x5 a1 r$ ^9 L- P
% [- t, q. z1 [5 |( W4 i
; Y4 d! v v9 J# g% m4 ?也就是说在线性空间上装配上內积,线性空间也就成了內积空间了,內积是什么东西?
0 ^) q5 @0 r0 l0 ~1 Y" t
2 W+ ^( M% E. b$ l1 j9 s內积是一种运算,将线性空间中的两个元素映射成一个元素,即二元映射为一元,且这种运算满足所谓的內积公理,则这种运算才能称为內积。
, y) p) W" k7 R) u3 b# u5 x5 ]6 V+ e$ V8 p: D! K/ {0 g* x
內积对第二变元具有共轭线性性质,要记住,区分內积对第一变元和第二变元不同的运算规则。
) ?; e. f( H: h% C# [' G( p& d7 L& R7 V
下面列出一些常用的內积:- d ~4 {3 J+ T9 \
1 q4 [1 w, P/ l/ A" E/ M0 H
! s l% b; E+ b* l. ]+ _& |
3 i; Y$ B6 t8 \
的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。
6 w! ~7 N, {9 X. a( `) J9 M9 \2 _1 f) r
————————————————————————————————————————————————————- {/ k- z2 u' F) c- p" V
4 j# d3 f& r; W5 g C- a6 Y
內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:
) \ H' t8 e. Q# q- V5 L+ ]/ m
' _$ S3 ?! Y/ x
5 j4 o: c& Y6 @' ^8 a: t
, d3 F% d% u* @. q I
由于
# R$ g* b" n) k* C3 @) D: e, m9 g7 k' S; C( X
故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成: w% b) U8 f$ m" ^3 N) h
+ a2 u+ U/ j& H4 ^) G
4 e4 g& g0 O0 P8 e) c B( W" _9 b& W* r, x. B" h& @0 B0 t: K
介绍这个不等式的目的如下,就是证明由內积诱导(定义)的范数是否满足范数公理,如果满足,这范数可以由內积来诱导。
& r1 J# J% E4 A6 x' V* \) G' p. C* N$ m4 A
问题如下:7 m$ p4 @* i+ H) W4 C
- ]) M3 v8 u9 \4 }" r
- D' S; A W2 [* X+ a
, j: d3 b* E9 k; j* J( x证明:1 j H4 B% O% `) o8 U
) t: s' U8 R; M0 m) H
H+ w' j% X8 f, i( g. K: R2 w1 r% I
3 O4 R2 i* }* {3 \+ e9 F; O5 A8 a: y% w
. i R+ @1 \3 P8 z: W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:
* [( C% \7 @3 Q3 h# ~) c/ @3 G3 p4 p! a# g9 c ?2 L4 Y# m0 z9 _
/ Q$ S4 M8 {# Z0 B* |8 w8 H4 \3 n! V+ ^- O, c- p3 h% Q: r! ~ |! Z
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。
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废话不多说,直接上图:
" g6 J; G5 [' j, [) l6 P$ T+ X' c7 c1 n9 X3 Y" D0 \ d
! Y0 x. G: W: @- }8 i7 ~" i8 `( ` w* @) @, k, M6 N' u
就到这里吧# q! u: x3 D( t9 h! ^! z
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