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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。 \, Z4 b/ f9 G# E8 J& S; \. q& U. {
) i* }! |) I3 H
线性空间介绍: J# a9 r/ A/ ^& c1 e0 p' _# g
/ w8 c( l. T$ Y7 [) T 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:
% F4 L% ?+ M7 D% ]% h
6 B4 V0 Z1 n) U& B9 T x( 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 J, c( u5 |4 P* d2.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。4 e3 C4 I- @$ f
3.加法与纯量乘法满足以下条件:5 D! E$ z1 E; P& D2 O0 Q: O7 ~5 o @
1) α+β=β+α,对任意α,β∈V.
) S* |* T9 i$ f. k2 W4 I7 Z2) α+(β+γ)=(α+β)+γ,对任意α,β,γ∈V.
9 D/ k& n- V" k) F4 W& l- e! V5 o1 H3) 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.
9 n; `6 ^5 g6 V# b2 V, V4) 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.
: r# n+ c# U* |+ o5) 对P中单位元1,有1α=α(α∈V).7 ?0 x% h7 B1 O* H5 Q& k9 f
6) 对任意k,l∈P,α∈V有(kl)α=k(lα).
3 f3 e7 \& t# Y: B0 o7) 对任意k,l∈P,α∈V有(k+l)α=kα+lα.% [+ W/ t6 j5 R' [3 D
8) 对任意k∈P,α,β∈V有k(α+β)=kα+kβ,
; U5 k! y5 X6 [& Q* ?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。( }8 l4 e7 V4 T0 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。
u$ z( F" T" A2 B9 A- ^% y) q0 u. }5 L8 q& [" y
————————————————————————————————————————————————————- d! T7 K+ @- \: |# A) g; ^$ |/ t- ^
3 u4 P0 ^2 Q @ G" ?內积空间:
g0 a2 X( t3 b# F8 h6 I& O9 o3 G* m, q. r& S1 f
, x3 D5 Q2 B* o
4 Y+ V" n/ }. 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?
- s5 \, d/ z! X: [+ Q
5 E) h7 i/ S/ H! l& G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。# V( v" j8 N5 D: x+ c) U9 B$ q9 {* ]
% f" \* A; W9 g* D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。
, L- H% Y, ?, m
. c4 A8 m. I" n5 ?下面列出一些常用的內积:9 x2 I8 e& m( g) b9 N: X
4 _' z/ O# e$ V* B7 \
) U1 X, s; v, N! Z
& x# o* ?+ N, f" r s( F! N
的意思是在区间[a,b]上平方可积的全体函数。
2 Q* r* L L6 S/ l# c" t
! B/ I, ~! e! t2 H) V" \7 ^————————————————————————————————————————————————————
* M, g: X" F7 ?+ U/ W2 D& s; A% ~" H4 \ L; u+ j( {0 @
內积空间中的柯西—施瓦兹不等式:
/ r4 Z: \9 o: Y1 O2 e$ z- i6 p' m- ]" |" u
; }2 f! Z9 B$ X: B0 @$ L- E
% D1 f N7 W: }% Y9 m C. e由于
. Y6 f, M$ P t8 F: J) U* E
$ O: c% {$ W1 y/ T6 s- i8 X7 |6 n
故上面的Cauchy_Schwarz不等式可以写成:9 h: y, M" ~: F$ S: \
* ?" H! F- P+ j) T, W+ ~
5 T* ?- w3 I+ D% f1 }" v
! }8 v+ [( m; t( `% F+ m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 ?4 {% O2 Y3 _. R1 X, X @, ~- z5 }0 \$ \' J7 z4 b: t% S
问题如下:' R) P+ z: d0 a1 q
8 i# I1 @6 k; X5 Y( Z( G9 b6 W% j. M4 E
* K* U6 m; {9 N7 u$ G `' P8 n& m, N4 r2 i" B# ^4 v7 M, m2 [
证明:
t1 G5 Z: t# V& `) Z2 `) v# R5 C$ J9 ]4 t: k
4 |& k* |/ i+ Z( X3 P; W
: J; z( K8 x. \* V) A) k* G
* a, n" Y( T g- u5 z0 j' A C# j7 q- F+ p
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:
' k y$ V& X( w; a% w5 F# s7 y1 v3 I- v9 L
" o, s1 w/ y, V7 Z% I% E
# B+ ]' o$ Q6 a
) m, [& S8 c& Q: c0 A G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。
* n- n8 ~* \2 W7 p1 q) x0 ?/ _- S2 @, u7 b
废话不多说,直接上图:
8 C: a0 Y! ]2 `! `2 c2 l6 i) z" _: j* N: c
2 G1 U$ K$ w* f
; d" P/ B" w+ s0 n) I* \就到这里吧
- J9 p5 b+ G% l, I( \# t( Q* _ |
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