泛函分析

赋范向量空间

设想你想做的不是平面上箭头的几何,而是以整个函数或无穷序列作为“点”的几何。要起步你只需一样东西:一种度量每个这种对象有多长的方法。赋范向量空间正是一个向量空间,配备了这一件装备——一个范数,记作 ||x||,它以协调一致的方式给每个向量赋予非负的长度。

严格地说,赋范向量空间是一个实数或复数域上的向量空间 V,连同一个函数 ||·|| : V -> [0, 无穷),满足三条公理:||x|| = 0 当且仅当 x = 0;对每个标量 c 有 ||c x|| = |c| ||x||(齐次性);以及 ||x + y|| <= ||x|| + ||y||(三角不等式)。由范数可定义距离 d(x, y) = ||x - y||,于是每个赋范空间自动成为度量空间,收敛与连续等概念也随之而来。

两点提醒。第一,范数是真正额外的结构:同一个底层向量空间可以带有许多互不等价的范数,而在无穷维中它们未必给出相同的收敛序列。第二,赋范空间未必完备——柯西序列可能不收敛。完备的赋范空间被赋予一个专门的名字:巴拿赫空间,而正是完备性使分析学的大部分内容得以运作。

在 R^2 上欧几里得范数为 ||(x, y)|| = sqrt(x^2 + y^2),但 ||(x, y)||_1 = |x| + |y| 与 ||(x, y)||_inf = max(|x|, |y|) 也都是范数。它们的单位球分别是圆盘、菱形和正方形——形状不同,然而在二维中它们全都等价。

三种范数,三种单位球形状,在有限维中是同一个等价类。

在有限维中所有范数都等价,因此拓扑与收敛概念不依赖于所选的范数。这一便利的事实在无穷维中彻底失效,而这正是泛函分析比线性代数更难也更有趣的原因。

又称
normed space赋范空间賦範空間