內積空間與伴隨算子

里斯表示定理

V 上的線性泛函是線性映射 phi : V -> F,它吃進一個向量、吐出一個純量——就是矩陣的列、對偶向量、V* 中的元素。里斯定理給出驚人的論斷:在有限維內積空間上,每個這樣的泛函暗中都只是「與某固定向量作內積」。

精確地說:對每個線性泛函 phi,存在唯一向量 v 屬於 V,使得 phi(u) = <u,v> 對一切 u 成立。向量 v 就是喬裝的泛函。要構造它,取標準正交基 e_1,...,e_n,令 v = sum conj(phi(e_k)) e_k;直接驗證 <u,v> = phi(u) 即可。

這給出 V 與其對偶 V* 的一個典範認同,無需選取基——只需內積。(在複情形中映射 phi -> v 是共軛線性的,故有人稱之為反線性同構。)內積正是讓一個空間看見自身對偶的那種結構。

里斯是伴隨背後的引擎:要定義 T^*,固定 v,注意 u -> <T u, v> 是一個泛函,里斯便交給你表示它的唯一向量 T^* v。在無窮維中,對於帶有界泛函的希爾伯特空間該定理仍成立——是泛函分析的基石。

phi in V* -> unique v in V with phi(u) = <u,v> for all u

每個對偶向量都是與某個真實向量作內積;這便是從 V* 回到 V 的典範橋樑。

沒有內積時,V 與 V* 同構但不典範——你得選一組基。內積消除了這種選擇,這就是為何里斯定理像是空間認出了自己的倒影。

又稱
Riesz-Frechet theorem里斯-弗雷歇定理