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定义Definition

内积空间

Inner product space

带正定对称双线性形式或正定 Hermitian 半双线性形式的向量空间。

形式陈述 ​

设 V 是 F=R 或 C 上的向量空间。内积是映射 ⟨⋅,⋅⟩:V×V→F,满足

⟨u,av+bw⟩=a⟨u,v⟩+b⟨u,w⟩,⟨v,u⟩=⟨u,v⟩―,⟨v,v⟩≥0,⟨v,v⟩=0⟺v=0.

这里的自配对是实数。本页采用第一变量共轭线性、第二变量线性的约定;由前两条有 ⟨au,bv⟩=a―b⟨u,v⟩。实数情形共轭不起作用,内积就是对称正定双线性形式;复数情形则是正定 Hermitian 半双线性形式。

配有内积的空间称为内积空间。内积定义长度与正交:

‖v‖=⟨v,v⟩,v⊥w⟺⟨v,w⟩=0.

因此内积空间自然成为赋范向量空间。这一长度确实是范数,三角不等式由下面的 Cauchy–Schwarz 不等式推出。

直觉

向量空间只规定怎样叠加与缩放;内积进一步测量两个方向的配合程度。正定性保证非零向量拥有正长度,共轭对称性使复空间的自配对仍为实数,线性性则使配对能随向量叠加而分解。

对一个非零方向 u,尝试把 v 写成 v=cu+r,并要求余量 r 与 u 正交。代入 ⟨u,v−cu⟩=0,得到

c=⟨u,v⟩⟨u,u⟩.

分母是 u 的正长度平方。若 v=au,公式便还原出系数 a;若 v 有垂直于 u 的部分,那部分与 u 配对为零,不影响系数。这里把 v 放在线性的第二个位置,正好让配对提取出它沿 u 的系数。

例子与边界

从坐标到函数 ​

标准内积为

⟨x,y⟩=∑ixiyi(F=R),⟨x,y⟩=∑ixi―yi(F=C).

共轭使自配对变成模长平方之和。例如 v=(1,i) 满足 vTv=1+i2=0,而 ⟨v,v⟩=1+i―i=2。

在 C([0,2π],C) 上,

⟨f,g⟩=∫02πf(x)―g(x)dx

也是内积。若连续函数在某一点非零,它在附近一段区间内的模都被某个正数下界控制,因此积分为零只能来自零函数。计算 ∫02πsin⁡xcos⁡xdx=0,便得到两个函数方向正交。

加权形式 x∗Ay 是复内积,当且仅当 A 为 Hermitian 正定矩阵;实情形对应对称正定矩阵。A=diag(1,0) 只有半正定性,会让非零向量 (0,1) 长度为零。A=diag(1,−1) 虽非退化,却给出负的自配对,也不是内积。

复数投影的直接核对 ​

在 C2 中取 u=(1,i)、v=(1,0),有 ⟨u,v⟩=1、⟨u,u⟩=2。投影和余量分别是

Pv=(1/2,i/2),r=(1/2,−i/2).

直接计算 ⟨u,r⟩=1/2+(−i)(−i/2)=0,并有 ‖Pv‖2=‖r‖2=1/2。投影不因把 u 改成非零标量倍 cu 而改变,因为系数中的 c―/|c|2 恰好抵消向量上的 c。

范数、内积与完备性 ​

内积诱导范数满足平行四边形恒等式

‖x+y‖2+‖x−y‖2=2‖x‖2+2‖y‖2.

在 R2 的最大范数下,取 x=(1,0),y=(0,1),左边为 2,右边为 4,所以这个范数不来自任何内积。

完备性关心 Cauchy 序列的极限是否仍在空间中。以 C([−1,1],R) 的积分内积为例,令 fn 在 x≤−1/n 时为 0,在 [−1/n,1/n] 上线性升到 1,在 x≥1/n 时为 1。它与阶跃函数 h=1(0,1] 只在长度 2/n 的区间内不同,故 ‖fn−h‖22≤2/n。由三角不等式,‖fn−fm‖2≤‖fn−h‖2+‖fm−h‖2 趋于零,所以 (fn) 是 Cauchy 序列。

它却不能在连续函数空间中收敛:任何候选极限都须几乎处处等于 h,而连续性会迫使它在左侧恒为 0、右侧恒为 1,在原点矛盾。因此这个内积空间不完备;完备的内积空间称为Hilbert 空间。

推论与应用

一个正交余量带来两条基本不等式 ​

对 u≠0,将 v 分解为投影 Pv 与正交余量。非负的余量平方给出

0≤‖v−Pv‖2=‖v‖2−|⟨u,v⟩|2‖u‖2,

所以

|⟨u,v⟩|≤‖u‖‖v‖.

这就是Cauchy–Schwarz 不等式;非零情形等号对应余量为零,即线性相关。再展开 ‖u+v‖2,并用 Re⟨u,v⟩≤|⟨u,v⟩|,便得三角不等式。

对实空间中的两个非零向量,可据此定义夹角:cos⁡θ=⟨u,v⟩/(‖u‖‖v‖)。复空间若视为实向量空间,Re⟨u,v⟩ 给出相应的实内积,可用同一公式定义实夹角;完整的复内积还保留相位信息。

正交坐标与最近点 ​

对线性无关组使用Gram–Schmidt 过程,每一步减去已有方向的投影,再归一化。若 (e1,…,ek) 是子空间 M 的标准正交基,则

PMv=∑j=1k⟨ej,v⟩ej,v−PMv∈M⊥.

任意 m∈M 都满足

‖v−m‖2=‖v−PMv‖2+‖PMv−m‖2.

右边第二项在且仅在 m=PMv 时为零,所以 PMv 是唯一最近点。这个有限维投影由有限次求和直接构造,适用于任意内积空间。若 M=V,就得到坐标展开与有限维 Parseval 等式 ‖v‖2=∑j|⟨ej,v⟩|2。

Hilbert 空间中的闭子空间由投影定理保证同样的最近点分解。最小二乘和 Fourier 逼近沿用这一机制:最佳误差与允许的修正方向正交,完备性则使无限逼近过程的范数极限仍留在环境空间中。

保持内积的有限维线性自同构,在标准正交基下由正交矩阵或酉矩阵表示。列向量正交规范的长方矩阵 Q 满足 Q∗Q=I,给出等距嵌入;QQ∗ 则是到其列空间的正交投影。这里的共轭转置正是伴随算子在标准正交坐标下的矩阵。

参考资料
  • Sheldon Axler, Linear Algebra Done Right, 4th ed., 2024,§6A–6C:内积、正交基、投影与最小化。该书采用第一变量线性的约定,和本页相反;互换两个输入即可转换。
  • Sheldon Axler, Measure, Integration & Real Analysis, 2020,§8A–8B:内积空间、完备性与闭子空间投影,同样采用第一变量线性的约定。
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