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内积与范数 ​

点积 ​

内积的定义实际上就是点积在更多的域(如复数域)上的概念推广,所以先介绍点积的定义。

对于任意 x,y∈Rn ,x 与 y 的点积记作 x⋅y ,其定义为:

x⋅y=x1y1+⋯+xnyn

其中 x=(x1,…,xn) , y=(y1,…,yn) 。

内积 ​

定义 ​

向量空间 V 上的内积(inner product)是一个函数,其将 V 中元素的任意有序对 (u,v) 都映射成为一个标量 ⟨u,v⟩∈F ,并且该函数需要满足以下性质:

  • 非负性(non-negativity)

    对于任意 v∈V 都有 ⟨v,v⟩≥0 ;

  • 确定性(definiteness)

    ⟨v,v⟩=0 当且仅当 v=0 时;

  • 首位可加性(additivity in first slot)

    对于任意 u,v,w∈V 都有 ⟨u+v,w⟩=⟨u,w⟩+⟨v,w⟩ ;

  • 首位齐次性(homogeneity in first slot)

    对于任意 λ∈F 和 u,v∈V 都有 ⟨λu,v⟩=λ⟨u,v⟩ ;

  • 共轭对称性(conjugate symmetry)

    对于任意 u,v∈V 都有 ⟨u,v⟩=⟨v,u⟩― ;

内积的示例 ​

为了方便理解内积,提供一些内积示例:

  1. Fn 上的欧几里得内积定义为:
⟨(w1,…,wn),(z1,…,zn)⟩=w1z1―+⋯+wnzn―
  1. 设 c1,…,cn>0 ,那么我们可以在 Fn 上定义一个特别的内积:
⟨(w1,…,wn),(z1,…,zn)⟩=c1w1z1―+⋯+cnwnzn―
  1. 在 P(R) 上可定义内积:
⟨p,q⟩=∫0∞p(x)q(x)e−xdx

内积空间 ​

内积空间(inner product space)就是带有内积定义的向量空间。

内积的基本性质 ​

  1. 对于某个选定的 u∈V ,将任意 v∈V 映射到 ⟨v,u⟩ 的函数实际上是 V→F 的线性映射;
  2. 对于任意 u∈V 都有 ⟨0,u⟩=0 ;
  3. 对于任意 u∈V 都有 ⟨u,0⟩=0 ;
  4. 对于任意 u,v,w∈V 都有 ⟨u,v+w⟩=⟨u,v⟩+⟨u,w⟩ ;
  5. 对于任意 λ∈F 和 u,v∈V 都有 ⟨u,λv⟩=λ―⟨u,v⟩ ;

证明:

性质1:由内积的首位可加性与齐次性可知,该性质所定义的这类函数满足线性映射的性质;

性质2:由性质1可知,⟨0,u⟩ 是一个线性映射,因为线性映射总是将 0 映射到 0,该性质成立;

性质3:结合前两条性质和内积的共轭对称性可做推导:⟨u,0⟩=⟨0,u⟩―=0―=0

性质4:结合内积定义中的相关性质,做以下推导

⟨u,v+w⟩=⟨v+w,u⟩―=⟨v,u⟩+⟨w,u⟩―=⟨v,u⟩―+⟨w,u⟩―=⟨u,v⟩+⟨u,w⟩

性质5:结合内积定义中的相关性质,做以下推导

⟨u,λv⟩=⟨λv,u⟩―=λ⟨v,u⟩―=λ―⟨v,u⟩―=λ―⟨u,v⟩

范数 ​

定义 ​

对于 v∈V ,v 的范数(norm)记作 ‖v‖ ,其定义为 ‖v‖=⟨v,v⟩ 。

范数的基本性质 ​

  1. ‖v‖=0 当且仅当 v=0 ;
  2. 对于任意 λ∈F 都有 ‖λv‖=|λ|‖v‖ ;

证明:

性质1易证,略。

结合内积相关性质,通过以下推导可证性质2:

‖λv‖=‖λv‖2=⟨λv,λv⟩=λ⟨v,λv⟩=λλ―⟨v,v⟩=|λ|2‖v‖2=|λ|‖v‖

正交 ​

定义 ​

若两个向量 u,v∈V 是正交的(orthogonal),那么它们的内积为零,即:⟨u,v⟩=0 。

0 与正交性 ​

  1. 0 正交与 V 中的任意向量;
  2. 0 是 V 中唯一与自身正交的向量;

正交分解 ​

若 u,v∈V 且 v≠0 ,令 c=⟨u,v⟩‖v‖2 、 w=u−⟨u,v⟩‖v‖2v ,可使得 ⟨w,v⟩=0 且 u=cv+w 。

证明:

首先,有 u,v 的定义,我们可以知道存在一个 c∈F 可以使得:

u=cv+(u−cv)

那么,我们需要 v 与 u−cv 正交,即:

⟨u−cv,v⟩=0=⟨u,v⟩−c‖v‖2

可以得到 c=⟨u,v⟩‖v‖2 ,那么:

u=⟨u,v⟩‖v‖2v+(u−⟨u,v⟩‖v‖2v)

柯西-施瓦兹不等式(Cauchy–Schwarz Inequality) ​

对于 u,v∈V ,则 |⟨u,v⟩|≤‖u‖‖v‖ ,相等情况等价成立的条件是 u,v 中一个向量是另一个向量的标量倍。

证明: 当 v=0 时,等式两端都等于 0 ,故而我们可以在 v≠0 的情况下做证明。此时将 u 做正交分解,可得:

u=⟨u,v⟩‖v‖2v+w

其中 w=u−⟨u,v⟩‖v‖2v ,且 w 和 v 正交。

设 c=⟨u,v⟩‖v‖2 ,可以得到:

‖u‖2=‖cv+w‖2=⟨cv+w,cv+w⟩=⟨cv,cv⟩+⟨cv,w⟩+⟨w,cv⟩+⟨w,w⟩=⟨cv,cv⟩+c⟨c,w⟩+c―⟨w,v⟩+⟨w,w⟩=⟨cv,cv⟩+c⋅0+c―⋅0+⟨w,w⟩=⟨cv,cv⟩+⟨w,w⟩=‖cv‖2+‖w‖2=‖⟨u,v⟩‖v‖2v‖2+‖w‖2=|⟨u,v⟩|2‖v‖2+‖w‖2≥|⟨u,v⟩|2‖v‖2

将上面的不等式两端都乘以 ‖v‖2 再开方即可:

‖u‖2‖v‖2≥|⟨u,v⟩|2⇓‖u‖2‖v‖2≥|⟨u,v⟩|2⇓|⟨u,v⟩|≤‖u‖‖v‖

三角不等式 ​

对于 u,v∈V ,有 ‖u+v‖≤‖u‖+‖v‖ ,相等情况等价成立的条件是 u,v 中一个向量是另一个向量的标量倍。

该不等式揭露了一个众所周知的规律——“两点之间,直线最短”,哪怕在高维空间中也是如此。

证明:

‖u+v‖2=⟨u+v,u+v⟩=⟨u,u⟩+⟨v,v⟩+⟨u,v⟩+⟨v,u⟩=⟨u,u⟩+⟨v,v⟩+⟨u,v⟩+⟨u,v⟩―=‖u‖2+‖v‖2+⟨u,v⟩+⟨u,v⟩―=‖u‖2+‖v‖2+2Re⟨u,v⟩(‖u‖+‖v‖)2=‖u‖2+‖v‖2+2‖u‖‖v‖

因为 |⟨u,v⟩|≤‖u‖‖v‖ 且 Re⟨u,v⟩≤|⟨u,v⟩| ,所以可得:

‖u‖2+‖v‖2+2Re⟨u,v⟩≤‖u‖2+‖v‖2+2‖u‖‖v‖⇓‖u+v‖≤‖u‖+‖v‖

平行四边形恒等式 ​

设 u,v∈V ,则 ‖u+v‖2+‖u−v‖2=2(‖u‖2+‖v‖2) 。

在平面几何中,平行四边形的对角线平方和等于其四条边长度的平方和。这在高维向量空间中也是如此。

证明:

‖u+v‖2+‖u−v‖2=⟨u+v,u+v⟩+⟨u−v,u−v⟩=‖u‖2+‖v‖2+⟨u,v⟩+⟨v,u⟩+‖u‖2+‖v‖2−⟨u,v⟩−⟨v,u⟩=2(‖u‖2+‖v‖2)

极化恒等式 ​

范数是基于内积的定义而来,极化恒等式(polarization identity)使得内积可以用范数来表示,是一个必须了解的重要结论。

设 V 是复内积空间,对于任意 x,y∈V 均有

⟨x,y⟩=‖x+y‖2−‖x−y‖2+i‖x+iy‖2−i‖x−iy‖24

证明:首先,我们先展开等式右边分子的四个项

‖x+y‖2=⟨x+y,x+y⟩=⟨x,x⟩+⟨x,y⟩+⟨y,x⟩+⟨y,y⟩‖x−y‖2=⟨x−y,x−y⟩=⟨x,x⟩−⟨x,y⟩−⟨y,x⟩+⟨y,y⟩‖x+iy‖2=⟨x+iy,x+iy⟩=⟨x,x⟩+⟨x,iy⟩+⟨iy,x⟩+⟨y,y⟩‖x−iy‖2=⟨x−iy,x−iy⟩=⟨x,x⟩−⟨x,iy⟩−⟨iy,x⟩+⟨y,y⟩

分别将第一个等式减去第二个等式、第三个等式减去第四个等式

‖x+y‖2−‖x−y‖2=2⋅⟨x,y⟩+2⋅⟨y,x⟩=2⋅(⟨x,y⟩+⟨y,x⟩―)=4⋅Re⟨x,y⟩‖x+iy‖2−‖x−iy‖2=2⋅⟨x,iy⟩+2⋅⟨iy,x⟩=−2i⋅⟨x,y⟩+2i⋅⟨y,x⟩=−2i(⟨x,y⟩−⟨y,x⟩―)=−4i⋅Im⟨x,y⟩

最终得证

‖x+y‖2−‖x−y‖2+i‖x+iy‖2−i‖x−iy‖24=(‖x+y‖2−‖x−y‖2)+i(‖x+iy‖2−‖x−iy‖2)4=4⋅Re⟨x,y⟩+i⋅(−4i⋅Im⟨x,y⟩)4=4⋅(Re⟨x,y⟩+Im⟨x,y⟩)4=4⋅⟨x,y⟩4=⟨x,y⟩

在现实应用中,常常是在实数域上处理问题的,实内积空间的极化恒等式直接将复数域下的等式虚部归零即可:

设 V 是实内积空间,对于任意 x,y∈V 均有

⟨x,y⟩=‖x+y‖2−‖x−y‖24

算子极化恒等式 ​

设 V 是复向量内积空间,设存在算子 T∈L(V) ,那么对于任意两个向量 x,y∈V 都有

⟨Tx,y⟩=⟨T(x+y),x+y⟩−⟨T(x−y),x−y⟩+i⟨T(x+iy),x+iy⟩−i⟨T(x−iy),x−iy⟩4

证明:首先,我们将等式右边中的各项展开

⟨T(x+y),x+y⟩=⟨Tx+Ty,x+y⟩=⟨Tx,x⟩+⟨Tx,y⟩+⟨Ty,x⟩+⟨Ty,y⟩⟨T(x−y),x−y⟩=⟨Tx−Ty,x−y⟩=⟨Tx,x⟩−⟨Tx,y⟩−⟨Ty,x⟩+⟨Ty,y⟩⟨T(x+iy),x+iy⟩=⟨Tx+iTy,x+iy⟩=⟨Tx,x⟩−⟨Tx,iy⟩+i⟨Ty,x⟩+⟨Ty,y⟩⟨T(x−iy),x−iy⟩=⟨Tx−iTy,x−iy⟩=⟨Tx,x⟩+i⟨Tx,y⟩−i⟨Ty,x⟩+⟨Ty,y⟩

设 a1,a2,a3,a4∈F ,使得

⟨Tx,y⟩=a1⟨T(x+y),x+y⟩+a2⟨T(x−y),x−y⟩+a3⟨T(x+iy),x+iy⟩+a4⟨T(x−iy),x−iy⟩

那么若是将上式展开,可以得到

⟨Tx,y⟩=(a1+a2+a3+a4)⟨Tx,x⟩+(a1−a2−ia3+ia4)⟨Tx,y⟩+(a1−a2+ia3−ia4)⟨Ty,x⟩+(a1+a2+a3+a4)⟨Ty,y⟩

此时我们可以得到方程组:

{a1+a2+a3+a4=0a1−a2−ia3+ia4=1a1−a2+ia3−ia4=0a1+a2+a3+a4=0

解出方程组即可得到

a1=14a2=−14a3=i4a4=−i4

将 a1…a4 的值代回即可得到算子极化恒等式。

在算子极化恒等式中,如果算子 T=I ,那么就会变为标准的极化恒等式(代入 Tx=x 即可)。

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