内积空间与伴随算子
平行四边形法则
在以 u、v 为邻边的平行四边形中,两条对角线为 u + v 与 u - v。该法则说:对角线平方之和等于四条边平方之和:||u + v||^2 + ||u - v||^2 = 2 ||u||^2 + 2 ||v||^2。它是勾股定理对称的表亲。
它在每个内积空间中都成立——只需用 <u + v, u + v> 展开两个平方,看交叉项相消即可。但更深刻的事实方向相反:一个范数满足平行四边形法则当且仅当它源自某个内积。这便是若尔当-冯·诺依曼定理。
这就把一个抽象问题——哪些范数暗中是内积范数?——化为一项你能动手检验的具体测试。出租车范数 ||x||_1 与最大值范数 ||x||_inf 都通不过它(取 u = (1,0)、v = (0,1) 验证即可),故二者皆不来自任何内积,无论多么巧妙。
一旦确认某范数通过了检验,极化恒等式便仅凭范数本身把内积显式交还给你。这两条定律是配对的:平行四边形负责检测,极化负责重建。
||u + v||^2 + ||u - v||^2 = 2 ||u||^2 + 2 ||v||^2
左边是两条对角线,右边是加倍的四条边;一个范数恰好在它暗中源自内积时服从此式。
判定内积范数的快速测试:是否对所有 u,v 都有 ||u+v||^2 + ||u-v||^2 = 2||u||^2 + 2||v||^2?只要有一对失败,该范数就不是欧氏的。
又称
另见