1. 前置

2. 定义

设 为数域 上的向量空间。若映射满足

则称 为 上的线性泛函(Linear Functional)。

称 为 的对偶空间(Dual Space),也称代数对偶(Algebraic Dual)。

定义加法以及数乘

其中.

容易验证关于上述运算构成 上的向量空间。

设

称称其为对偶配对(Dual Pairing)。

设 是有限维向量空间 的一组基。若 满足

则称 为 的对偶基(Dual Basis)。

设 为数域 上的拓扑向量空间, 赋予标准拓扑。

若 且映射 连续,则称 为连续线性泛函(Continuous Linear Functional)。

所有连续线性泛函的集合记为

称 为 的连续对偶空间(Continuous Dual Space),也称拓扑对偶。

对 ,,沿用代数对偶中的加法与数乘:

连续映射的和与数乘仍连续,故 。因此 是 的线性子空间;赋予上述运算后, 也是 上的向量空间。

3. 性质

  1. 若 ,则 ,且对偶基唯一存在。

4. 证明

4.1. 性质1证明

4.1.1. 唯一存在性

设 是 的一组基。
对任意的 ,它可以唯一地表示为:

现在定义 个映射 (其中 ),其作用是提取向量 在基向量 方向上的系数:

  • 线性验证:容易验证 是线性泛函(因为系数的提取是线性的),所以 。
  • 对偶性质:若直接作用于基向量 ,由于 ,因此:

  • 唯一性:假设 也满足 。任取 ,由线性性:

上式对任意 成立,故 ,唯一性成立。

4.1.2. 基与维数

要证明 是 的一组基,需要证明它们线性无关且张成整个空间。

  • 线性无关性:
    设一组组合使得零泛函成立:(其中 是把所有向量映射为 的零泛函)。
    让这个组合作用于基向量 :

利用对偶性质展开左边:

因为对所有的 都有 ,所以 线性无关。

  • 张成性(Spanning):
    对任意的 以及任意的 ,由 的线性可得:

因为 ,代入上式:

由于这对象空间中的任意 都成立,说明两个泛函相等:

这说明任意的 都可以由 线性表出(系数就是 )。

综上所述, 是 的一组基,因此 。