泛函术语辨析:欧几里得空间、希尔伯特空间、巴纳赫空间、赋值范数空间、内积空间

学术   2023-12-21 18:09   黑龙江  

     分析(英语:Functional Analysis)是现代数学分析的一个分支,隶属于分析学。其研究的主要对象是函数构成的函数空间。泛函分析的历史根源源自对函数空间和函数变换(如傅立叶变换等)性质的研究。这种观点被证明在微分方程和积分方程的研究中特别有用。


        “泛函”作为表述源自变分法,代表作用于函数的函数,这意味着一个函数的参数是函数。这个名词首次被雅克·阿达马在1910年使用于这个课题的书中。然而,泛函的一般概念在1887年由意大利数学家和物理学家维多·沃尔泰拉(Vito Volterra)介绍。非线性泛函理论是由雅克·阿达马的学生继续研究,特别是莫里斯·弗雷歇(Maurice Fréchet)、列维(Levy)。




圆形鼓皮的理想化振动模式之一。这些模式是函数空间上线性算子的本征函数,是泛函分析中一种常见的结构。
空间的概念作为泛函的基础,欧几里得空间、希尔伯特空间、巴纳赫空间、赋值范数空间、内积空间,对以上空间你是否都有深刻的物理理解呢?请看下图
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  1. 空间:元素组合在一起构成集合,对这些组合在一起的元素定义它们相互之间的某种“结构/关系”后就成为了“空间”。
  2. 度量空间:如果元素之间“结构/关系”是用“距离”描述的,则称度量空间。“距离”的定义满足如下要求:
  • 非负性:
  • 非退化性:
  • 对称性:
  • 三角不等式:
  • 线性空间(向量空间):
    • 加法(+)封闭:对于任意的, 且唯一
    • 乘法(×)封闭:对于任意的, 且唯一(是一个空间)
    • 在空间中定义加法(+)运算和乘法(×)运算
    • 加法(+)运算和乘法(×)运算如果满足加法结合律、加法交换律、加法的零元、加法的逆元、数乘的结合律、数乘的单位元、分配律则称为线性空间
    • (线性)赋范空间:定义范数的空间为赋范空间,由于范数是定义在线性空间上的,所以赋范空间一定是线性的,有时可简称为赋范空间。
      • 非负性:
      • 非退化性:
      • 齐次性:
      • 三角不等式:
      • 范数需满足
      • 内积空间:定义与角度相关的”结构/关系“——内积(Inner product)又称标量积(Scalar product)、点积(Dot product)
        • 共轭对称性:
        • 第一变元的线性性:
        • 第二变元共轭线性:
        • 非负性:
        • 内积定义为,内积满足如下四个条件:
        • 内积空间具有基于空间本身的内积所自然定义的范数,所以内积空间一定是赋范空间,进而也属于度量空间、线性空间
        • 希尔伯特(Hilbert)空间:内积空间+完备性
          • 柯西列:设为度量空间,取度量空间上的序列,当对任意的,存在,当时满足时,称为柯西列
          • 收敛:设为度量空间,中的数列,若存在使得,则中收敛,,称为收敛列,称的极限,记做
          • 例如在空间中,数列是一个柯西列,但不收敛。由该例可知,一个完备的度量空间一定是一个闭集
          • 完备性:距离空间中的柯西列是否都收敛
          • 巴纳赫(Banach)空间:完备的(线性)赋范空间
          • 欧几里得(Euclidean)空间:将希尔伯特空间限制在实数域和有限维,同时希尔伯特空间是欧几里得空间的推广。
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