【MQ笔记】聊一聊空间(线性空间、赋范空间、度量空间、内积空间、欧氏空间、酉空间)

哇,开始重新补数学知识了以后,才发现有好多“XX空间”这样的概念啊,这本书说这个,那篇文章又用那个,搞得人云里雾里,所以在这里把基础知识整理一下,主要关注“空间”概念本身和概念之间的区别。


线性空间/向量空间

线性空间=向量空间!!这两个概念是等价的。线性空间的概念如下:

简单来说,线性空间就是定义了加法和数乘运算、且满足上述八条运算规律的非空集合。

常见的线性空间有:实数域R;全体n维向量(x_1,x_2,...,x_n)^T构成的n维空间R^n(实线性空间)或C^n(复线性空间);实数域上所有m\times n矩阵按照矩阵加法和数与矩阵的乘法构成的线性空间R^{m\times n}等。

线性空间的性质有:

线性空间中零元素是唯一的。

线性空间中任一元素的负元素是唯一的。

对于线性空间中的任意元素\alpha有 0\alpha =0,(-1)\alpha =-\alpha ,k0=0

如果 k\alpha =0,则 k=0 或 \alpha =0

还有非常重要的“线性相关”、“”、“维数”、“线性子空间”的概念,想必大家都很熟悉了,在这里就不多说了,有疑问的可以点这里


范数+线性赋范空间

线性赋范空间就是定义了范数的线性空间,范数和线性赋范空间的定义如下:

在这里需要说明一下,一个线性空间可以引入多个范数。常用的范数有:

  • L1范数:  ||x|| 为x向量各个元素绝对值之和,
  • L2范数:  ||x|| 为x向量各个元素平方和的1/2次方,L2范数又称Euclidean范数或者Frobenius范数,
  • Lp范数:  ||x|| 为x向量各个元素绝对值p次方和的1/p次方,
  • L∞范数:  ||x|| 为x向量各个元素绝对值最大的那个元素的绝对值,
  • L-∞范数:  ||x|| 为x向量各个元素绝对值最小的那个元素的绝对值,

度量空间/距离空间+线性度量空间

度量空间亦称距离空间,在数学中是指一个集合,并且该集合中的任意元素之间的距离是可定义的。

在一维、二维、三维线性空间中,“距离”的概念都是很直观的,但是再往更高维度线性空间或者非线性空间扩展,物理意义上“距离”的定义显然不适用了,因此我们可以采用更抽象的方式定义“距离”和“距离空间(度量空间)”:

X是非空集合,对于X中任意的两个元素x与y,若按某一法则都对应唯一的实数d(x,y),而且满足下述三个性质:

(1) 【非负性】d(x,y)≥0,[d(x,y)=0,当且仅当x=y];

(2) 【对称性】d(x,y)=d(y,x);

(3) 【三角不等性】对于任意的x,y,z∈X,恒有 d(x,y)≤d(x,z)+d(z,y)。

则称d(x, y)为x与y的距离,并称X是以d为距离的距离空间

线性度量空间,很显然,就是在线性空间的基础上在定义距离的空间。

在这里,我们还可以把距离和范数联系起来:

  • 曼哈顿距离(对应L1范数)
  • 欧式距离(对应L2范数)
  • 切比雪夫距离(对应L∞范数)

同一个空间可以由多个范数,但是只能定义一个距离,所以,我们可以通过范数来定义距离,但是不能通过距离来定义范数。


内积空间+欧氏空间+酉空间

线性空间中仅定义了线性运算(加法和数乘),之后,我们可以引入“距离”的概念,使得向量具有了“模(长度)”的特征。如果我们进一步定义了内积(也称为点积或标量基),将一对矢量与一个纯量连接起来,那就相当于我们在这个空间中引入了“夹角”的概念,并可以进一步谈论矢量的正交、投影等。

定义了内积的线性空间被称为内积空间,具体定义如下:

K是实数域时,我们将U称为实内积空间,也称为欧几里得(Euclid)空间欧氏空间;K是复数域时,我们将U称为复内积空间,也称为酉空间U空间

内积空间满足以下性质:

 


希尔伯特空间+巴拿赫空间

完备的内积空间称为希尔伯特(Hilbert)空间,而完备的赋范空间称为巴拿赫(Banach)空间。在这里,完备性的意思就是柯西序列在内部收敛。希尔伯特空间是巴拿赫空间的特例,是用内积定义的范数。这个按我目前学到的用的不多,我也太了解,就不详细展开了,以后用到了再补充吧,Bye~


参考

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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