首先,介绍线性空间度量空间,分别具有代数结构和拓扑结构;
其次,介绍兼有两种结构的赋范线性空间
然后,介绍内积空间,作为赋范线性空间的特例;
最后,给出一个例子: Rn\small R^n.

一、线性空间

  什么是空间?In mathematics, a space is a set with some added structure.(@Wikipedia)
  空间 = 集合 + 结构,线性空间就是给集合穿上线性结构的外衣.
  那什么是线性结构呢?线性结构 = 加法 + 数乘.
  下面给出线性空间的定义:
  首先得有一个集合,记为 V\small V,在 V\small V 中定义了元素的加法运算 +:V×VV\small +:V\times V \to V,即   x,yV\small \forall \;x,y \in V,在 V\small V 中都有唯一的一个元素 γ\gamma 与之对应,称为 xxyy,记为 x+yx+y.
  第二个运算是数乘,数乘就是用一个数去"乘",这个数从哪里来呢?答案是数域 F\small F. 数乘运算 :F×VV\small \cdot:F \times V \to VaF,xV\small \forall \, a \in F,\,x \in V,在 V\small V 中都有唯一的一个元素 δ\delta 与之对应,称为 aaxx数量乘积,记为 axax.
  光有运算是不够的,这两种运算还要满足以下八条性质.

加法:

  1.x+(y+z)=(x+y)+z1.\,x+(y+z)=(x+y)+z
  2.x+y=y+x2.\,x+y=y+x
  3.There  exists  an  element3.\,There\,\,exists\,\,an\,\,element 0\bf 0 V,such  that  x+∈ V,such\,\,that\,\,x \,+ 0\bf 0 =x,xV= x ,\forall \, x ∈ V.
  4.xV,there  exists  an  element  xV,such  that  x+(x)=4.\,\forall \,x ∈ V, there \,\, exists \,\,an \,\,element \,\,−x ∈ V, such \,\,that\,\, x + (−x) = 0\bf 0.

数乘 (a,bF)\small (a,b \in F)

  5.1x=x5.\,1x=x
  6.(ab)x=a(bx)6.\,(ab)x=a(bx)

加法和数乘:

  7.(a+b)x=ax+bx7.\,(a+b)x=ax+bx
  8.a(x+y)=ax+ay8.\,a(x+y)=ax+ay

  如果这些条件都满足,则称 V\small V 为数域 F\small F 上的线性空间向量空间,其中的元素称为向量.

二、度量空间

  度量空间 = 集合 + 拓扑结构
  仍是先给定一个集合 V\small V,然后在 V\small V 上定义一种运算,叫距离 d:V×VR\small d:V\times V\to R,即   x,yV\small \forall \;x,y \in V,在 R\small R 中都有唯一的一个元素 δ\delta 与之对应,称为 x,yx,y 之间的 距离,记为 d(x,y)d(x,y),且满足以下性质:

  1.d(x,y)0,  x,yV1.\,d(x,y)\geq0,\forall \;x,y \in V\,  d(x,y)=0x=y\,\, d(x,y)=0 \Leftrightarrow x=y
  2.d(x,z)d(x,y)+d(y,z)2.\,d(x,z)\leq d(x,y)+d(y,z)

则称 (V,d)\small (V,d)度量空间距离空间,其中的元素称为.

三、赋范线性空间

  赋范线性空间 = 线性空间 + 范数,即给线性空间穿上拓扑结构的外衣.
  设 V\small V 是实线性空间,即对应数域为 R\small R,在其上定义范数运算 :VR\small \Vert \cdot\Vert: V \to R,即   xV\small \forall \;x \in V,在 R\small R 中都有唯一的一个元素 δ\delta 与之对应,称为向量 xx范数,记为 x\small \Vert x\Vert,且满足以下性质:

  1.x01.\,\Vert x\Vert \geq 0 \,x=0x=0\,\Vert x\Vert=0 \Leftrightarrow x=0
  2.ax=ax,aR2.\,\Vert ax\Vert=\vert a\vert \Vert x\Vert,\, a \in R
  3.x+yx+y,x,yV3.\,\Vert x+y\Vert \leq \Vert x\Vert + \Vert y\Vert,\, x,y \in V

则称 (V,)\small (V, \Vert \cdot\Vert)赋范线性空间.
下面根据范数定义距离,令 d(x,y)=xy\small d(x,y)=\Vert x-y\Vert,则
1.d(x,y)0,  x,yV1. \,\small d(x,y)\geq0,\forall \;x,y \in V\,  d(x,y)=0x=y\,\, d(x,y)=0 \Leftrightarrow x=y
2.d(x,z)=xz=xy+yzxy+yz=d(x,y)+d(y,z)\begin{aligned}2. \,\small d(x,z)&=\Vert x-z\Vert=\Vert x-y+y-z\Vert\\&\leq \Vert x-y\Vert + \Vert y-z\Vert\\ &=d(x,y)+d(y,z)\end{aligned}
所以 ddV\small V 上的距离,(V,d)\small (V,d) 是度量空间,赋范线性空间 V\small V 也具有拓扑结构.

四、内积空间

  内积空间 = 线性空间 + 内积
  这里仅考虑实线性空间上的内积,设 V\small V 是实线性空间,在其上定义内积运算 (,):V×VR\small (\,\cdot\,,\cdot\,): V \times V \to R,即   x,yV\small \forall \;x,y \in V,在 R\small R 中都有唯一的一个元素 δ\delta 与之对应,称为 xxyy内积,记为 (x,y)(x,y),且满足以下性质:

  1.(x,x)01.\,(x,x)\geq0  (x,x)=0x=0\,\, (x,x)=0 \Leftrightarrow x=0
  2.(x,y)=(y,x)2.\,(x,y)=(y,x)
  3.(ax,z)=a(x,z),aR3.\,(ax,z)=a(x,z),\,a \in R
  4.(x+y,z)=(x,z)+(y,z)4.\,(x+y,z)=(x,z)+(y,z)

则称 (V,(,))\small (V,(\,\cdot\,,\cdot\,))内积空间.
下面根据内积定义范数,令 x=(x,x)\small \Vert x\Vert=\sqrt{(x,x)},则
1.x01. \,\small \Vert x\Vert \geq 0 \,x=0x=0\,\Vert x\Vert=0 \Leftrightarrow x=0
2.ax=(ax,ax)=a2(x,x)=ax2. \,\small \Vert ax\Vert=\sqrt{(ax,ax)}=\sqrt{a^2(x,x)}=\vert a\vert \Vert x\Vert
为证明 3.x+yx+y3. \,\small \Vert x+y\Vert \leq \Vert x\Vert + \Vert y\Vert,先证明 柯西-施瓦兹(Cauchy-Schwarz)不等式(x,y)2(x,x)(y,y)(x,y) ^2\leq(x,x)(y,y) x=0x=0,不等式显然成立;
否则,考虑(tx+y,tx+y)=(x,x)t2+2(x,y)t+(y,y)0(tx+y,tx+y) = (x,x)t^2+2(x,y)t+(y,y)\geq0 将其看作是关于 tt 的二次函数,则有Δ=4(x,y)24(x,x)(y,y)0\Delta=4(x,y)^2-4(x,x)(y,y)\leq0 所以 (x,y)2(x,x)(y,y)\small (x,y)^2\leq(x,x)(y,y),即 (x,y)(x,x)(y,y)\small (x,y)\leq \sqrt{(x,x)(y,y)},当且仅当 tx+y=0tx+y=0 时,"==" 成立.
x+y2=(x+y,x+y)=(x,x)+(x,y)+(y,x)+(y,y)(x,x)+2(x,x)(y,y)+(y,y)=((x,x)+(y,y))2=(x+y)2\begin{aligned}\small \Vert x+y\Vert^2&=(x+y,x+y)\\&=(x,x)+(x,y)+(y,x)+(y,y)\\ &\leq (x,x)+2\sqrt{(x,x)(y,y)}+(y,y)\\&=(\sqrt{(x,x)}+\sqrt{(y,y)})^2\\&=(\Vert x\Vert + \Vert y\Vert)^2\end{aligned}
所以 x+yx+y\small \Vert x+y\Vert \leq \Vert x\Vert + \Vert y\Vert.
  综上,x=(x,x)\small \Vert x\Vert=\sqrt{(x,x)} 是线性空间 V\small V 上的范数,(V,(,))\small (V,\sqrt{(\,\cdot\,,\cdot\,)}) 是赋范线性空间.

五、举个例子 RnR^n

  到目前为止,已经介绍了线性空间、度量空间、赋范线性空间和内积空间,它们之间的关系如图所示

内积空间

  下面举个例子,Rn={(ξ1,ξ2,,ξn)ξiR,i=1,2,,n}\small R^n=\lbrace(\xi_1,\xi_2,\cdots,\xi_n)|\,\xi_i \in R,i=1,2,\cdots,n\rbrace,取 R\small R 为对应数域,加法和数乘按照通常定义,容易验证满足那八条性质,则 Rn\small R^n 是线性空间. x,yRn\small \forall \,x,y \in R^n,记 x=(ξ1,ξ2,,ξn),y=(η1,η2,,ηn)x=(\xi_1,\xi_2,\cdots,\xi_n),\,y=(\eta_1,\eta_2,\cdots,\eta_n),定义 xxyy 的内积 (x,y)i=1nξiηi=xTy=yTx(x,y)\triangleq\sum_{i=1}^n\xi_i\eta_i=x^Ty=y^Tx容易验证这样定义的内积满足内积的四条性质,所以 (Rn,(,))\small (R^n,(\,\cdot\,,\cdot\,)) 是内积空间.
再来看看这样定义的内积导出的范数 x=(x,x)=i=1nξi2=xTx\Vert x\Vert=\sqrt{(x,x)}=\sqrt{\sum_{i=1}^n\xi_i^2}=\sqrt{x^Tx}22-范数.
接着,范数导出的距离d(x,y)=xy=i=1n(ξiηi)2d(x,y)=\Vert x-y\Vert=\sqrt{\sum_{i=1}^n{(\xi_i-\eta_i)}^2}就是通常所说的欧式距离.


Plus:
英文解释可参照维基百科(Wikipedia):
线性空间(Vector space)
度量空间(Metric space)
赋范线性空间(Normed vector space)
内积空间(Inner product space)

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