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从向量到测量:线性泛函

在第一卷里你住在一个向量空间中。现在来认识测量它的函数:取标量值的线性映射。它们自成一个空间。

第一卷遗漏了什么

第一门课程研究 向量 以及空间之间的 线性变换。但有一种变换它通常一笔带过:吃进一个向量、吐出一个数的映射。向量空间 V 上的 线性泛函 是一个线性映射 f: V -> F,把向量送进标量域。它不会把你搬到另一个向量——它测量你。

线性意味着 f(au + bv) = a·f(u) + b·f(v)。这就是全部规则。与固定向量作 点积 是其原型:在 R^3 中,f(x) = 3x1 - x2 + 2x3 就是一个泛函。“读出第二个坐标”也是;在矩阵空间上“取迹”也是;在函数空间上“从 0 积到 1”也是。

泛函构成一个空间

把两个泛函逐点相加、对泛函作数乘——结果仍是泛函。于是 V 上所有线性泛函构成的集合本身是一个 向量空间,称为 对偶空间,记作 V*。它的“向量”就是测量。为强调对比,我们把 V* 中的元素叫做 余向量:向量是被测量的对象,余向量负责测量。

非零泛函的零位面 f = 0 是过原点的 超平面——一个比整个 V 少一维的子空间。每个泛函本质上都在问“你越过这张超平面多远,以固定步长计”。这种几何图景,正是列向量永远说不清的。

一个泛函实例

V = R^3, functional f(x) = 3*x1 - 1*x2 + 2*x3

As a row vector:  f = [ 3  -1   2 ]
Apply to column:  v = [ 4 ;  5 ;  1 ]

  f(v) = [3 -1 2] * [4; 5; 1]
       = 3*4 + (-1)*5 + 2*1
       = 12 - 5 + 2 = 9

Hyperplane f = 0:  3x1 - x2 + 2x3 = 0  (a plane through origin)
Level f = 9 is the parallel plane that v sits on.
泛函就是一个行向量;作用它就是行乘列的乘积。

注意形状:泛函写成,向量写成,行乘列的 矩阵乘法 把你送进 F。这种排版上的不对称并非偶然——它是 V 与 V* 属于不同类型对象的第一个提示,也是本主线的主题。