【MQ筆記】聊一聊空間(線性空間、賦範空間、度量空間、內積空間、歐氏空間、酉空間)

哇,開始重新補數學知識了以後,才發現有好多“XX空間”這樣的概念啊,這本書說這個,那篇文章又用那個,搞得人云裏霧裏,所以在這裏把基礎知識整理一下,主要關注“空間”概念本身和概念之間的區別。


線性空間/向量空間

線性空間=向量空間!!這兩個概念是等價的。線性空間的概念如下:

簡單來說,線性空間就是定義了加法和數乘運算、且滿足上述八條運算規律的非空集合。

常見的線性空間有:實數域R;全體n維向量(x_1,x_2,...,x_n)^T構成的n維空間R^n(實線性空間)或C^n(複線性空間);實數域上所有m\times n矩陣按照矩陣加法和數與矩陣的乘法構成的線性空間R^{m\times n}等。

線性空間的性質有:

線性空間中零元素是唯一的。

線性空間中任一元素的負元素是唯一的。

對於線性空間中的任意元素\alpha有 0\alpha =0,(-1)\alpha =-\alpha ,k0=0

如果 k\alpha =0,則 k=0 或 \alpha =0

還有非常重要的“線性相關”、“”、“維數”、“線性子空間”的概念,想必大家都很熟悉了,在這裏就不多說了,有疑問的可以點這裏


範數+線性賦範空間

線性賦範空間就是定義了範數的線性空間,範數和線性賦範空間的定義如下:

在這裏需要說明一下,一個線性空間可以引入多個範數。常用的範數有:

  • L1範數:  ||x|| 爲x向量各個元素絕對值之和,
  • L2範數:  ||x|| 爲x向量各個元素平方和的1/2次方,L2範數又稱Euclidean範數或者Frobenius範數,
  • Lp範數:  ||x|| 爲x向量各個元素絕對值p次方和的1/p次方,
  • L∞範數:  ||x|| 爲x向量各個元素絕對值最大的那個元素的絕對值,
  • L-∞範數:  ||x|| 爲x向量各個元素絕對值最小的那個元素的絕對值,

度量空間/距離空間+線性度量空間

度量空間亦稱距離空間,在數學中是指一個集合,並且該集合中的任意元素之間的距離是可定義的。

在一維、二維、三維線性空間中,“距離”的概念都是很直觀的,但是再往更高維度線性空間或者非線性空間擴展,物理意義上“距離”的定義顯然不適用了,因此我們可以採用更抽象的方式定義“距離”和“距離空間(度量空間)”:

X是非空集合,對於X中任意的兩個元素x與y,若按某一法則都對應唯一的實數d(x,y),而且滿足下述三個性質:

(1) 【非負性】d(x,y)≥0,[d(x,y)=0,當且僅當x=y];

(2) 【對稱性】d(x,y)=d(y,x);

(3) 【三角不等性】對於任意的x,y,z∈X,恆有 d(x,y)≤d(x,z)+d(z,y)。

則稱d(x, y)爲x與y的距離,並稱X是以d爲距離的距離空間

線性度量空間,很顯然,就是在線性空間的基礎上在定義距離的空間。

在這裏,我們還可以把距離和範數聯繫起來:

  • 曼哈頓距離(對應L1範數)
  • 歐式距離(對應L2範數)
  • 切比雪夫距離(對應L∞範數)

同一個空間可以由多個範數,但是隻能定義一個距離,所以,我們可以通過範數來定義距離,但是不能通過距離來定義範數。


內積空間+歐氏空間+酉空間

線性空間中僅定義了線性運算(加法和數乘),之後,我們可以引入“距離”的概念,使得向量具有了“模(長度)”的特徵。如果我們進一步定義了內積(也稱爲點積或標量基),將一對矢量與一個純量連接起來,那就相當於我們在這個空間中引入了“夾角”的概念,並可以進一步談論矢量的正交、投影等。

定義了內積的線性空間被稱爲內積空間,具體定義如下:

K是實數域時,我們將U稱爲實內積空間,也稱爲歐幾里得(Euclid)空間歐氏空間;K是複數域時,我們將U稱爲復內積空間,也稱爲酉空間U空間

內積空間滿足以下性質:

 


希爾伯特空間+巴拿赫空間

完備的內積空間稱爲希爾伯特(Hilbert)空間,而完備的賦範空間稱爲巴拿赫(Banach)空間。在這裏,完備性的意思就是柯西序列在內部收斂。希爾伯特空間是巴拿赫空間的特例,是用內積定義的範數。這個按我目前學到的用的不多,我也太瞭解,就不詳細展開了,以後用到了再補充吧,Bye~


參考

http://ishare.iask.sina.com.cn/f/6sgceP9H45f.html

https://wenku.baidu.com/view/084bd34124c52cc58bd63186bceb19e8b8f6ec0e.html

https://blog.csdn.net/lulu950817/article/details/80424288

https://max.book118.com/html/2017/1008/136508481.shtm

 

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