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" h" h/ W( j/ J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。. F% C. D+ `) c, J/ `; H
5 s) b) W/ X( f; E3 g2 e6 b3 I
线性空间介绍:
9 \8 K8 t: F0 x5 j! L# Y% G7 Q$ N/ 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:4 Y2 z/ N6 V3 Y4 P) ?
* c" T8 p/ F+ Y0 A1.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。
' }4 H% p6 T4 W2.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。+ a5 a. f- N& s2 u2 }
3.加法与纯量乘法满足以下条件:
( G4 o5 f2 H* U! C8 q1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.3 v, E! Q @' B* }3 _, ]& z) J5 t0 s
2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.: m- t( J: ^, U3 R" C% v( ]- r! ^
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.
7 Z, f! `% c" R1 h2 `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.& b2 A8 P7 l( k8 b( }3 d% I" _
5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).
7 v; i2 o) e. d. u T2 @6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα)./ r/ Y4 v! p. D# N5 r. |, Z' |
7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.
: H4 b L0 }& e" A8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,
8 Y- S* x4 ~5 P5 u4 U) q; ]! w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。
- N# C( i0 w3 L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。6 |- Y, K& i, ?/ o k! Q, a
0 H! ^, Z+ t0 K' b. V% B) H A————————————————————————————————————————————————————
7 ]; g, K' y" [* h+ R+ w" B2 D! X* i- A+ S
內积空间:
8 \. G( \2 b' }( p
6 R+ H6 ?# `6 v: V. H
$ F$ g" [2 q7 K7 E* E$ E- y1 ]( Y; t& `# V' l- 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?
5 x3 c" @+ C( ?' n6 T5 L$ K8 G/ N& q+ T: E9 _1 q
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。 ~; c% k; c( R& D6 g
* G5 d# v/ }5 R/ e! 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。 q" s6 R4 r5 f% ]& w, m) S
' j) ?# ?3 l/ t6 ?
下面列出一些常用的內积:- `0 Z2 e3 E( |
' a2 O4 C4 J+ I! I
% l7 _) |8 S& G' J3 a5 ^- r; v% Z& X+ @+ Q$ ]
的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。; ~: u1 S$ U3 K% X' m
9 y8 Y% y: l K o8 }; X; G4 Z2 p R
————————————————————————————————————————————————————
F" B1 G* [( Z
3 \3 n+ d7 M# X. [7 I內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:2 J4 M# Q) Y1 o. b! L7 b
7 `, S; j% [4 m5 q3 ~! l5 ?7 l
% K% C6 z# b" L, U, A4 d& J# p, u! C5 |. S
由于
& r3 h, H& H3 c% [& e+ h
8 g& U3 @: e; Q0 X6 @6 J- y1 A故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成:0 m2 D" q8 l4 o& ~/ _; p
# y- }5 l2 k7 i) g- F6 o) e- b1 B; s
6 k$ M( |; F6 ^2 t$ ~0 o- B# |& ^6 b' t
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。
0 u6 j3 g& l7 W! F
$ V+ Z j& e* R1 c: j问题如下:
* t3 A2 a0 i' k0 r. ~( _2 ]" w; o1 R3 E5 {& ]
( p9 O' V b# v4 U" w8 Q, g
( d5 `+ Y$ w$ i3 @( j, |证明:
4 Q; Y! {" J7 g4 w# c, z$ m; O0 X/ g2 z8 z! x6 `
1 w- X# e- R6 }; s
$ E* `. R4 [/ |$ U2 c+ {
. D/ i J! E, |. r
: _. G* m: C9 T- p0 m* ]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:
$ H% h+ Y8 g+ J: }
# q% _6 ]7 X' a; K
- }9 y- X+ C8 }' [0 d
6 e4 S) _- e. w* k) v, J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。
4 \7 K) v9 w7 _3 w8 y3 |8 \$ @5 f
+ R. K4 I% A$ p. Q* R: n9 R废话不多说,直接上图:! F; r. s ?1 b; f; ]; [
- E/ k* m( w" x0 R8 R
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7 y$ |4 L, u- W4 o8 q% C( h! y就到这里吧6 P1 G* Y- `) W$ @: n
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