设 X 为实内积空间, x,y∈X. 求证: x⊥y 当且仅当勾股定理对 x,y 成立, 即 ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2. 举例说明若 X 为复内积空间, 则上述结论一般不成立.
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证明(实内积空间):
设 X 是实内积空间,x,y∈X。
若 x⊥y,即 ⟨x,y⟩=0,则
∥x+y∥2=⟨x+y,x+y⟩=⟨x,x⟩+⟨x,y⟩+⟨y,x⟩+⟨y,y⟩=∥x∥2+∥y∥2,
因为实内积满足对称性 ⟨y,x⟩=⟨x,y⟩=0。故勾股定理成立。
反之,若 ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2,则由展开得
∥x∥2+∥y∥2+2⟨x,y⟩=∥x∥2+∥y∥2,
从而 2⟨x,y⟩=0,即 ⟨x,y⟩=0,因此 x⊥y。
综上,在实内积空间中,x⊥y 当且仅当 ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2。
复内积空间中的反例:
考虑 X=C,赋予标准内积 ⟨a,b⟩=ab。取 x=1, y=i。
计算内积:⟨x,y⟩=1⋅i=1⋅(−i)=−i=0,故 x 与 y 不正交。
计算范数:∥x∥2=∣1∣2=1,∥y∥2=∣i∣2=1,∥x+y∥2=∣1+i∣2=(2)2=2。
因此 ∥x+y∥2=2=1+1=∥x∥2+∥y∥2,勾股定理成立。
这表明在复内积空间中,即使勾股定理成立,也不能推出 x⊥y,故结论一般不成立。