內積空間與伴隨算子

平行四邊形法則

在以 u、v 為鄰邊的平行四邊形中,兩條對角線為 u + v 與 u - v。該法則說:對角線平方之和等於四條邊平方之和:||u + v||^2 + ||u - v||^2 = 2 ||u||^2 + 2 ||v||^2。它是畢氏定理對稱的表親。

它在每個內積空間中都成立——只需用 <u + v, u + v> 展開兩個平方,看交叉項相消即可。但更深刻的事實方向相反:一個範數滿足平行四邊形法則當且僅當它源自某個內積。這便是若爾當-馮·諾依曼定理。

這就把一個抽象問題——哪些範數暗中是內積範數?——化為一項你能動手檢驗的具體測試。計程車範數 ||x||_1 與最大值範數 ||x||_inf 都通不過它(取 u = (1,0)、v = (0,1) 驗證即可),故二者皆不來自任何內積,無論多麼巧妙。

一旦確認某範數通過了檢驗,極化恆等式便僅憑範數本身把內積顯式交還給你。這兩條定律是配對的:平行四邊形負責檢測,極化負責重建。

||u + v||^2 + ||u - v||^2 = 2 ||u||^2 + 2 ||v||^2

左邊是兩條對角線,右邊是加倍的四條邊;一個範數恰好在它暗中源自內積時服從此式。

判定內積範數的快速測試:是否對所有 u,v 都有 ||u+v||^2 + ||u-v||^2 = 2||u||^2 + 2||v||^2?只要有一對失敗,該範數就不是歐氏的。

又稱
parallelogram identity