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内积空间和 Hilbert 空间

以下内容由 DeepSeek v3.2 Speciale 辅助整理

内积空间

定义(内积)

设 为数域 ( 或 ) 上的线性空间,映射 称为内积,若满足:

  1. ;
  2. ;
  3. ;
  4. ;
  5. .

则称 为内积空间。

性质

  • 关于第二个变量共轭线性:。
  • 由内积诱导范数: 是 上的范数,称为诱导范数。

定理(Schwarz不等式和三角不等式)

设 是内积空间,则对任意 :

  1. Schwarz不等式:,等号成立当且仅当 与 线性相关。
  2. 三角不等式:,等号成立当且仅当 或 ()。

定理(平行四边形等式和极化恒等式)

  • 平行四边形等式:。
  • 极化恒等式:
    • 若 :;
    • 若 :。

一个赋范空间 的范数可由某个内积诱导当且仅当范数满足平行四边形等式。

定义(Hilbert空间)

若内积空间 在诱导范数下是完备的(即为 Banach 空间),则称 为 Hilbert 空间。

定理(内积的连续性)

设 是内积空间,若 , (在诱导范数下),则 。

定义(等距同构)

设 是内积空间,线性映射 是等距同构,若 是一一映射且保持内积:,此时称 与 等距同构。

定理(内积空间的完备化)

任何内积空间 都存在一个 Hilbert 空间 作为完备化,即存在 的稠密线性子空间 与 等距同构,且 在等距同构意义下唯一。


正交补及正交投影

定义(正交)

设 是内积空间,,若 ,则称 与 正交,记作 。对于子集 ,若 有 ,则称 与 正交,记作 。定义 的正交补为

总是 的闭线性子空间。

定义(凸集)

的子集 称为凸集,如果对任意 和 ,有 。

定理(最佳逼近存在唯一性)

设 是内积空间, 是 的非空凸集,且 在 诱导的度量下完备。则对任意 ,存在唯一的 ,使得

特别地,若 是 Hilbert 空间, 是 的闭凸集(例如闭线性子空间),则上述结论成立。

定理(正交分解定理)

设 是 Hilbert 空间, 是 的闭线性子空间。则对任意 ,存在唯一的 和 ,使得 。即 (直和)。

同时, 是 在 上的最佳逼近元:,且 。

正交投影

设 是 Hilbert 空间, 是 的闭子空间。定义映射 ,,其中 是 在 上的唯一最佳逼近元(正交分解中的分量)。称 为 到 上的正交投影算子。

性质:

  • 是有界线性算子,且 ,当 时 。
  • (幂等)。
  • ,。
  • 。
  • 若 是 的非空子集,则 。

完全集

设 是赋范空间,。若 ,则称 为 的完全集(即其线性张成稠密)。

定理:在 Hilbert 空间 中, 为完全集 。


标准正交集与标准正交基

定义(标准正交集)

设 是内积空间,集合 称为标准正交集,如果满足:

  • 对任意 ,;
  • 对任意 ,,有 。

若 可数,则称其为标准正交序列;若 有限,则称其为标准正交组。

标准正交集是线性无关集。

Bessel 不等式

设 是内积空间 中的标准正交序列,则对任意 ,

定义(标准正交基)

设 是 Hilbert 空间, 是 的标准正交集。若 ,则称 为 的一个标准正交基(或完全的标准正交集)。

定理(标准正交基的等价刻画)

设 是 Hilbert 空间, 是 的标准正交集,则以下条件等价:

  1. 是 的标准正交基;
  2. 对任意 ,有 (级数按范数收敛,且至多可数项非零);
  3. 对任意 ,有 ;
  4. 对任意 ,有 (Parseval 等式)。

当 可分时,标准正交基至多是可数的。

Gram-Schmidt 正交化方法

设 是内积空间 中的线性无关序列,则存在标准正交序列 ,使得对每个 , 构造公式:

定理(可分 Hilbert 空间的结构)

每个可分的无穷维 Hilbert 空间 都与 等距同构。具体地,若 是 的一个标准正交基,则映射 定义为 是一个等距同构。


Hilbert 空间上有界线性泛函的表示

Riesz 表示定理

设 是 Hilbert 空间,( 上的有界线性泛函)。则存在唯一的 ,使得对任意 , 并且 。

共轭双线性泛函

设 是 上的线性空间,映射 称为共轭双线性泛函,如果:

  • 对第一个变量线性:,;
  • 对第二个变量共轭线性:,。

其范数定义为:

定理(有界共轭双线性泛函的表示)

设 是 Hilbert 空间, 是有界共轭双线性泛函。则存在唯一的 ,使得对任意 , 并且 。

伴随算子

设 是 Hilbert 空间,。存在唯一的算子 ,称为 的伴随算子,满足对任意 ,

性质:设 ,,,则

  1. ;
  2. ;
  3. ;
  4. ;
  5. ;
  6. 。

另外,正交投影算子 满足 (自伴)且 。