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;全體n維向量構成的n維空間(實線性空間)或(複線性空間);實數域上所有矩陣按照矩陣加法和數與矩陣的乘法構成的線性空間等。
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有 。
如果 ,則 或 。
還有非常重要的“線性相關”、“基”、“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)”:
設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:
當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)空間或歐氏空間;當K是複數域時,我們將U稱爲復內積空間,也稱爲酉空間或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