由n维欧几里得空间窥探数学概念 SpaceSpace 的整个体系:

冰山上的一角——n维欧几里得空间
Overview of types of abstract spaces. An arrow from space A to space B implies that space A is also a kind of space B. That means, for instance, that a normed vector space is also a metric space.
 
Source:Space (mathematics)-WiKi

本人水平有限,暂时接触到的只有这么多:

冰山上的一角——n维欧几里得空间
欧几里得空间的数学结构关系图
来源:线代启示录——欧几里得空间的数学结构

度量空间可以表示为 (X,d)(X,d) 二元组,XX 是一个集合,d是一个定义在笛卡尔积(直积,Cartesian  productCartesian \ \ product)下的数值函数,又叫做度量函数:d:  X×XRd: \ \ X \times X \mapsto R . 这个度量函数满足几个性质,在此不再罗列。

度量空间的完备性被柯西序列的收敛所定义,当然这里的柯西序列不再仅仅是实数域 RR 上的 {xn}\{x_n\} 了,而变成了抽象集合 XX 上元素构成的序列 {xn}\{x_n\}

X=(0,1]X=(0,1] ,序列 {1n}\{\frac{1}{n}\} 为例,不难看出该序列是一个柯西列,在 nn \to \infty 时,1n\frac{1}{n} 是趋于 00 的,但不可能取到 00 ,因为 XX 中没有定义 00 这个元素,也就没有了极限。所以完备性就由柯西列收敛来给出,目的就是为了对极限具有封闭性。

当然,当 XX 还未经抽象化,即 XX 为实数域 RR ,且度量函数由普通的绝对值度量:d:  d(x,y)=xyd: \ \ d(x,y)=|x-y| 这种情况下,实数域 RR 的完备性不仅仅有柯西构造方式,还有戴德金构造方式,这部分内容可以在数学分析教材中找到答案。单就柯西列本身,在不同的研究领域中就有不同的解读,这一点可以参考WiKipedia——Cauchy Sequence

有了度量空间与度量空间完备性的概念,可以自然引出赋范向量空间这一概念。当向量空间引入赋范运算(norm)后,这一赋范向量空间会自然诱导出”度量函数“,故赋范向量空间也是(或者叫诱导、induce)一个度量空间。

如果说赋范运算给予向量空间”长度“,可以说内积运算给予向量空间”角度“。当然,向量空间中的”长度“和”角度“密不可分,内积运算最初是从欧几里得空间几何直观中蕴含的”范数“这个角度引出的。然而,当给定了向量空间上的内积运算后(即给定一个内积空间),发现定义一种内积(即满足内积性质的一种实现 ”implement“ )可以唯一”诱导“出一种范数:

v=<v,v>12=<v,v>||v||=<v,v>^{\frac{1}{2}}=\sqrt{<v,v>}

这说明了内积运算虽由范数概念引出,单从其所属的“层级”来看,是一种“囊括”了范数的运算,这就是为什么我们可以看到上面两图中的箭头是由inner  product  spaceinner \ \ product \ \ space指向normed   vector  spacenormed \ \ \ vector \ \ space的。

对于赋范向量空间 (V,)(V,||\cdot||) ,若 VV 中的全体柯西序列均在此空间的度量 d(u,v)d(u,v) 下收敛,那么这个赋范向量空间就有了完备性,成为了完备赋范向量空间,称之为巴拿赫空间 Banach  spaceBanach \ \ space

对于内积空间 (V,<,>)(V,<\cdot,\cdot>) ,若 VV 中的全体柯西序列均在此空间的度量 d(u,v)d(u,v) 下收敛,那么这个内积空间就有了完备性,成为了完备内积向量空间,称之为希尔伯特空间 Hilbert  spaceHilbert \ \ space

又根据一种内积运算可以诱导一种范数,故希尔伯特空间是可以 imply 巴拿赫空间的。

我们可以证明:RnR^n 是有限维的希尔伯特空间。注意,这里的 RnR^n 不是没有规定内积和范数的n维实向量空间,而是规定了内积和范数的n维欧几里得空间

由上述的这些内容,可以看出我们日常普遍接触到的n维欧几里得空间(例如二维和三维的带有”长度“概念的坐标系空间)仅仅是有限维向量空间加上一些很 welldefinedwell-defined 的运算性质的综合体,不要将一些很基本的运算 ”算长度“ ”算角度“ 等等看的理所当然。对每种结构剥丝抽茧的抽象,都会有很深刻的内蕴在其下。切忌管中窥豹,而错失理解抽象概念的契机。

补充:前述有误,赋范向量空间定义的范数可以不由内积运算诱导,故赋范向量空间的层级其实比内积空间更高,赋范向量空间包含着内积空间。事实上,在 LpL^p 范数当中,仅有 p=2p=2 时才有符合内积定义的几个性质的内积运算,详细的请看问题:Is every normed vector space, an inner product space

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