前置
5. 内积空间
-
为或,是 上的向量空间,,满足以下条件,则称为上的内积,为内积空间。
- 共轭对称:
- 正定性: and
- 线性性:
-
若线性变换可逆,且满足, 则称为酉变换(unitary transformation)
-
所有的酉变换在复合运算下构成一个群,被称为酉群(unitary group),记作
-
是 的子群,被称为特殊酉群 (Special Unitary Group)。
-
若 是内积空间,线性映射 的伴随算子是满足
的线性映射 。这样的 若存在则唯一。若 ,称 为自伴算子。
5.1. 内积空间的性质
- 正交投影若存在则唯一
- 内积可以诱导范数
- 内积空间可以诱导赋范线性空间
- 内积空间可以诱导度量空间
- 有限维内积空间可以通过施密特正交化得到正交基。
- 内积空间中,柯西-施瓦茨不等式:, 可通过正交分解来证明。
- 正交 线性无关
- 设 是域 ( 或 )上的有限维内积空间。对于 上的任何线性泛函 ,存在唯一的向量 ,使得对于所有的 ,都有:
在内积空间上,内积范数度量
5.2. 证明
5.2.1. 伴随算子的唯一性
证明
设 都满足定义式,即对一切 ,
内积对第二变元共轭线性,且 ,故
左边为 ,因此对一切 有 。固定 ,令 ,则 对一切 成立。取 ,得 。由内积的正定性,。于是对一切 有 ,即 。
5.3. Riesz 表示定理 (有限维情形)
设 是域 ( 或 )上的有限维内积空间。对于 上的任何线性泛函 ,存在唯一的向量 ,使得对于所有的 ,都有:
证明:
存在性:
设 ,根据性质,通过施密特正交化可得 的一组标准正交基 ,满足 。
对于任何向量 ,它可以表示为:
由于 是线性映射,由其线性性质可得:
为了构造 ,利用内积的共轭线性性质 ,我们令:
验证:
存在性得证。
唯一性:
假设存在 满足对于所有 :
由此推导:
取特定的向量 ,根据内积的正定性:
即 。唯一性得证。
Q.E.D.
6. Hilbert 空间
完备内积空间为 Hilbert 空间。
6.1. Hilbert 空间的性质
- Hilbert 的投影存在。