在數學中,賦范向量空間是具有“長度”概念的向量空間。是通常的歐幾里德空間Rn的推廣。Rn中的長度被更抽象的範數替代。“長度”概念的特徵是:
零向量的長度是零,並且任意向量的長度是非負實數。
一個向量v乘以一個標量a時,長度應變為原向量v的|a|(a的絕對值)倍。
三角不等式成立。也就是說,對於兩個向量v和u,它們的長度和(“三角形”的兩邊)大於v+u(第三邊)的長度。
一個把向量映射到非負實數的函式如果滿足以上性質,就叫做一個半範數;如果只有零向量的函式值是零,那么叫做範數。擁有一個範數的向量空間叫做賦范向量空間,擁有半範數的叫做半賦范向量空間。
基本簡介
一個半賦范向量空間(E,p)由一個向量空間E以及一個E上的半範數p構成。
一個賦范向量空間(E,||•||)由一個向量空間E以及一個E上的範數||•||構成。
拓撲結構
設(E,||•||)是一個賦范向量空間,那么由範數||•||很自然地定義了一個拓撲上的距離:
由此就定義了一個E上的拓撲結構,稱為範數||•||誘導的自然拓撲。這也是使得函式||•||連續的最弱的拓撲。此外,這個自然拓撲和向量空間的線性結構相容,因為:
向量加法:+在此拓撲下是連續的,這可以由範數的三角不等式性質得出。
向量的數量乘法•在此拓撲下是連續的,這也可由範數的線性性和三角不等式性質得出。
對於半賦范向量空間,可以定義類似的函式,這時E成為一個半度量空間(弱於度量空間)。在其中我們也可以定義連續和收斂等概念。更抽象地說,每個半賦范向量空間都是一個拓撲空間,其拓撲結構由它的半範數誘導。
在賦范向量空間中,完備的賦范向量空間特別重要,稱為巴拿赫空間。每個賦范向量空間都是一個巴拿赫空間的稠密子空間,這個巴拿赫空間由此賦范向量空間唯一確定,稱為它的完備空間。
在拓撲的角度來說,有限維的向量空間上的任意兩個範數都是等價的,即它們誘導出相同的拓撲結構(儘管由它們各自定義的度量空間並不相同)。由於歐幾里德空間是完備的,我們可以推出每個有限維的賦范向量空間都是巴拿赫空間。實際上對自然拓撲來說,任意有限維的賦范向量空間都同胚於歐幾里德空間Rn。
一個賦范向量空間被稱為局部緊緻的,如果單位球是緊集。由里斯引理(en:Riesz'slemma)可知,一個賦范向量空間局部緊緻若且唯若它的維數有限。實際上,這個定理證明了對任意的拓撲空間(不一定是由範數誘導的度量空間)都有這個結論。
線性變換和對偶空間
在賦范向量空間之間的線性變換中,最重要的是連續線性變換,賦范向量空間和連續線性變換一起構成一個範疇。
範數自身,作為函式,是連續的。任意兩個有限維的賦范向量空間之間的線性變換也都是連續的。
兩個賦范向量空間之間的一個等距變換f是指使得對任意向量v都有||f(v)||=||v||的線性變換。保距變換總是連續的單射。如果兩個賦范向量空間之間的一個等距變換是滿射,那么稱其為一個等距同構。兩個保距同構的賦范向量空間在拓撲的意義上可以說是相等的(擁有相同的性質;在一者中成立的命題,在另一者中也成立)。
對於在域K上的賦范向量空間(E,||•||),我們可以考慮它關於||•||的對偶空間E*,也就是所有從E射到K的連續線性變換(一般稱為“函子”)構成的空間。對於一個函子φ,定義它的範數是|φ(v)|的上確界,其中v是E中範數為1的所有向量。由於函子是連續的,這個上確界存在。這樣我們就將E*定義成為一個賦范向量空間。關於賦范向量空間上的連續線性函子有哈恩-巴拿赫定理(en:Hahn–Banachtheorem)。
商空間
很多賦范向量空間(特別是巴拿赫空間)的定義涉及到空間上定義的半範數。賦范向量空間可以定義為一個空間關於半範數為零的元素的商空間。比如說,對於Lp空間的定義,考慮所有函式組成的空間上的函式:
是一個半範數,它對所有能使式子右邊勒貝格可積的函式有定義。然而,對於任意定義在勒貝格測度為0的支撐上的函式,其半範數皆為0。在“除掉”這些函式(將它們歸為0函式的等價類)之後,得到的商空間就是一個賦范向量空間:lp空間。
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