第四章 内积空间 1 第四章 内积空间 在第三章中,我们把n 维Euclid 空间nR 中的向量的模长推广到一般线性空间中去,得到了赋范线性空间的概念。但在nR 中可以通过两个向量的夹角讨论向量与方向的问题。 这对仅有模长概念的赋范线性空间是做不到的。 我们知道,nR 中向量的夹角是通过向量的内积描述的,因此在本章我们引入了一般的内积空间的概念。 4.1 内积空间的基本概念 首先回忆几何空间3R 中向量内积的概念。设123( , , )xt t t,123( ,,)ys s sR,设 x 与 y夹角为 ,由解析几何知识可得 1 12 23 3cost st st sxy 其中, 13221()kkxt ,13221()kkys 令31,kkkx yt s ,称为 x 与 y 的内积,不难证明它有如下性质: (1)3,0,,,0;x yxRx xx 且 (2)3,,,,;x yy xx yR (3)3121212,,,,,,;xx yx yx yx x yR (4)3,,,,,.x yx yRx yR 注:由定义可得,xx x,我们看到,两个向量的夹角仅与向量的内积有关。利用内积我们可以讨论如向量的直交及投影等重要几何问题。 现在我们引入一般的内积空间的概念。 【定义 4 .1 】 设 X 为数域 F 上线性空间,若对任两个元素(向量) x ,yX,有惟一F 中数与之对应,记为,x y ,并且满足如下性质: (1),0,,,0;x yxXx xx 且 (2),,,,;x yy xx yX 应用泛函分析(第二版) 2 (3)121212,,,,,,;xx yx yx yx x yX (4),,,,,;x yx yFx yX 则称,x y 为x与y的内积,有了内积的线性空间叫做内积空间,当F 为实数域R(或复数域C ),叫X 为实(或复)内积空间。 注:由性质(3)与性质(4)知,内积运算关于第一变元是线性的。 由性质(2)与性质(4)可推知,,x yx y.于是当X 为内积空间时,内积关于第二个变元也是线性的。而常称,,x yx y为共轭齐次性,因此在 X 为赋内积空间时,内积是共轭线性的。 今后讨论中不加注明时,恒设 X 为复内积空间。 【引理 4.1】(Schwaraz不等式) 设 X 为内积空间,对任意 x,yX,成立不等式 ,,,x yx xy y 证明:若 y ,则任 xX,有,0x ,则显然不等式成立。现在设 y ,则F ,有 20,,,,,xy xyx xx yy xy y 取,,x y...