數學中空間的含義

2021-07-30 21:19:53 字數 1503 閱讀 3002

在數學中有許多空間表示,比如歐幾里德空間、賦範空間、希爾伯特空間等。這些空間之間有什麼關係呢?

首先要從距離的定義說起。

什麼是距離呢?實際上距離除了我們經常用到的直線距離外,還有向量距離如σn

i=1x

i⋅yi

−−−−−−−−√

、 曲面距離、折線距離等等,這些具體的距離與距離之間的關係類似於蘋果、香蕉等與水果的關係,前面是具體的事物,後面是抽象的概念。距離就是乙個抽象的概念,其定義為:

設x是任一非空集,對x中任意兩點x,y,有一實數d(x,y)與之對應且滿足:

1. d(x,y)

≥0,且d(x,y)=0當且僅當x=y;

2. d(x,y)=d(y,x);

3. d(x,y)

≤d(x,z)+d(z,y)。

稱d(x,y)為x中的乙個距離。

定義了距離後,我們再加上線性結構,如向量的加法、數乘,使其滿足加法的交換律、結合律、零元、負元;數乘的交換律、單位一;數乘與加法的結合律(兩個)共八點要求,從而形成乙個線性空間,這個線性空間就是向量空間。

在向量空間中,我們定義了範數的概念,表示某點到空間零點的距離:

1. ||x||

≥0;

2. ||ax||=|a|||x||;

3. ||x+y||

≤||x||+||y||。

將範數與距離比較,可知,範數比距離多了乙個條件2,數乘的運算,表明其是乙個強化了的距離概念。範數與距離的關係可以類似理解為與紅富士蘋果與蘋果的關係。

接下來對範數和距離進行擴充套件,形成如下:

範數的集合

⟶線性賦範空間

距離的集合

⟶線性度量空間

下面在已經構成的線性賦範空間上繼續擴充套件,新增內積運算,使空間中有角的概念,形成如下:

線性賦範空間+內積運算

⟶ 內積空間;

這時的內積空間已經有了距離、長度、角度等,有限維的內積空間也就是我們熟悉的歐氏空間。

繼續在內積空間上擴充套件,使得內積空間滿足完備性,形成希爾伯特空間如下:

內積空間+完備性

⟶ 希爾伯特空間

其中完備性的意思就是空間中的極限運算不能跑出該空間,如有理數空間中的2√

屬於無理數,並不在有理數空間,故不滿足完備性。乙個通俗的理解是把學校理解為乙個空間,你從學校內的宿舍中開始一直往外走,當走不動停下來時(極限收斂),發現已經走出學校了(超出空間),不在學校範圍內了(不完備了)。希爾伯特就相當於地球,無論你怎麼走,都還在地球內(飛出太空除外)。

此外,前面提到的賦範空間,使其滿足完備性,擴充套件形成巴拿赫空間如下:

賦範空間+完備性

⟶ 巴拿赫空間

以上均是在距離的概念上進行新增約束形成的,遞增關係如下: 距離⟶

內積 向量空間+範數

⟶希爾伯特空間

內積空間+有限維

⟶歐幾里德空間

賦範空間+完

備性⟶巴拿赫空間

順便提以下,對距離進行弱化,保留距離的極限和連續概念,就形成拓撲的概念。

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