邓嘉驹
资料/高等线性代数

Hilbert空间

第 8 章 · 4 节

我们曾在第第 5 章章详细讨论了实内积空间与复内积空间的基本结构,不过彼时讨论仅限于有限维情形。 在赋予内积空间特定的拓扑结构后,许多性质对于无穷维情形依然适用,因此可以放宽对维数的限制。 在本章中,同样表示或。

8.1Hilbert空间

在引入Hilbert空间的概念以前,我们需要以下两个与连续性有关的基本事实。

命题 8.1

设为内积空间,则对于内积诱导的范数。

  1. ;

  2. 。

证明

我们仅需证明第一条结论,第二条结论是第一条的直接推论。 由于,存在正数使得对所有自然数成立。 因此对于任意正数,存在,使得对所有成立、对所有成立。 取,利用三角不等式和Cauchy-Schwarz不等式,

(8.1.1)

对所有成立,因此。

由于内积空间是度量空间,可根据完备度量空间的概念定义 1.25定义Hilbert空间。

定义 8.1 (Hilbert空间)

在内积诱导的度量下完备的内积空间称为Hilbert空间(Hilbert space)。

例 8.1

Hilbert空间的一个重要例子是,其内积定义为,因此内积诱导的度量为

(8.1.2)

根据定理 1.14,实(复)内积空间内的Cauchy列收敛,因此是完备的,即是Hilbert空间。

内积空间的子空间也有与命题 1.12类似的结论。

命题 8.2
  1. 内积空间的任意完备子空间是闭集;

  2. Hilbert空间的子空间是Hilbert空间当且仅当其为闭集;

  3. 任意内积空间的有限维子空间是完备闭集。

证明

前两条结论是命题 1.12的直接结果。 对于第三条结论,设是有限维子空间中收敛到的序列且。 设是的一组标准正交Hamel基,那么的Fourier展开。 根据定理 5.9,但。 因此,如果记,我们有,这与矛盾。 因此,即是闭集。 根据定理 1.14,内任意Cauchy列收敛到某个内积空间内的向量。 由于是闭集,,故完备。

8.2最佳逼近与Fourier展开

2.1 最佳逼近

设是任意维数的内积空间,是的一个子集。 能否对任意,找到中在内积诱导的度量下最接近的向量是一个我们相当关心的问题。 这就是的逼近问题(approximation problem)。

定理 8.1

设为内积空间,为的完备凸子集1,则对于任意,存在唯一的使得

(8.2.1)

向量称为内的最佳逼近(best approximation)。

证明

当时,显然当且仅当唯一,该情形是平凡的; 当时,记,那么对于任意自然数,存在存在使得,可见。 因此存在正数使得对所有自然数成立。 对于任意正数,存在自然数使得对所有成立。 记,那么根据平行四边形法则(命题 5.2),

(8.2.2)

对任意自然数成立。 由于是凸集,,从而,即

(8.2.3)

对所有成立,可见是内的一条Cauchy列,其收敛到某个。 利用范数的连续性(命题 8.1),

(8.2.4)

最后证明的唯一性。 设存在使得,则根据平行四边形法则(命题 5.2),

(8.2.5)

上式成立当且仅当,即。

由于内积空间的任意子空间是代数封闭的,因此是凸的,我们可将上述定理应用于完备子空间。

定理 8.2

设为内积空间,为的完备子空间,则对于任意,是内的最佳逼近当且仅当是唯一使得的向量。

证明

若存在使得,那么对任意成立,进而

(8.2.6)

即对任意成立,故是的在最佳逼近。 根据定理 8.1,存在唯一的使得。 对于任意和,首先有

(8.2.7)

因此当取时上式第二项为零,此时

(8.2.8)

这要求,即对所有成立,故。 根据前述讨论,若存在使得,那么也是的最佳逼近。 利用最佳逼近的唯一性(定理 8.1),。

根据上述两条定理,可直接得到以下结果。

定理 8.3 (投影定理)

若是内积空间的完备子空间,则。

证明

对于任意,根据定理 8.1和定理 8.2,存在使得,因此,即,最终得到。

命题 8.3

设和均为内积空间的子空间。

  1. 若,则;

  2. 若,则。

证明
  1. 意味着。 对于任意,存在和使得,进而

    (8.2.9)

    从而,反向包含得证;

  2. 根据上述结果,、

命题 8.4

设为Hilbert空间,若为的子集,则张成空间的闭包。

证明

容易证明; 对于任意和任意,存在和使得,进而,即。 因此。 根据投影定理 8.3,是的子空间意味着; 而是的子空间意味着。 根据命题 8.3,。

2.2 Fourier展开

现在我们希望进一步考察最佳逼近。 我们的目标是对Hilbert空间内的任意向量,从闭子空间找到关于最佳逼近的显式表达。 这里我们仅讨论最常见的维度有限和可数无穷的情形,不可数无穷维的情形参见[1]。

有限维情形

关于有限维情形的结论,我们已经在第第 5.4.9 小节小节进行了充分讨论,这里仅给出结论。

定理 8.4

设为Hilbert空间内的有限标准正交集。 对于任意,的Fourier展开为在内的最佳逼近,满足Bessel不等式,等号成立当且仅当。

可数无穷维情形

由于在可数无穷维情形中可能涉及无穷求和,因此会引出收敛性的问题。 我们从以下结论入手。

定理 8.5

设为Hilbert空间内的一组可数无穷标准正交集,则级数在内收敛当且仅当在内收敛。 若该级数收敛,则其无条件收敛,即任何重排这些项顺序形成的新级数也收敛。 最后,若级数收敛,则。

证明

设,那么对于自然数,。 因此是内的Cauchy列当且仅当是内的Cauchy列。 由于和均完备(定理 1.14),收敛当且仅当收敛,此时级数重排不影响的结果。

定理 8.6

设为Hilbert空间内一组可数无穷的标准正交集。 对于任意,的Fourier展开无条件收敛,并且是在内的最佳逼近,满足Bessel不等式,等号成立当且仅当。

证明

对于任意,存在使得,因此

(8.2.10)

即。 根据定理 8.2,是在内的最佳逼近,并且由于,

(8.2.11)

等号成立当且仅当,即。 另外,对所有自然数成立。 利用上极限的单调性(定理 1.15),,故级数收敛。 根据定理 8.5,级数无条件收敛。

任意维数情形

在本小节中,我们略去所有证明细节,只给出最终结论。

定义 8.2 (收敛)

设为向量空间内的任意向量族,若对于任意正数,存在有限集,使得任意包含的有限集满足,则称求和收敛到向量,记作。

上述定义保持收敛列的线性性与连续性。

命题 8.5

设为内积空间中的任意向量族。 若且,则其满足

  1. 线性性:对于任意,;

  2. 连续性:且。

在此收敛性的定义下,同样有类似定理 8.5的结论。

命题 8.6

设为Hilbert空间内的任意标准正交向量族,则级数和同敛散。 若两者均收敛,则。

关于最佳逼近,其结论与有限维和可数无穷维情形的结论基本一致。

定理 8.7

设为Hilbert空间内的标准正交向量族。 对于任意,的Fourier展开在内收敛,并且是内的唯一最佳逼近,满足Bessel不等式,等号成立当且仅当。

8.3Hilbert基与Hilbert维数

3.3 Hilbert基

在第 5.3.8 小节小节中我们定义了有限维内积空间中的Hilbert基,现在给出无穷维情形下Hilbert基的等价表述。

定理 8.8

设为Hilbert空间内的标准正交向量族,则下列表述等价:

  1. 是Hilbert基;

  2. ;

  3. 是的完全子集(total subset),即;

  4. 对所有成立;

  5. Bessel不等式的等号对所有成立,即对所有成立;

  6. Parseval恒等式:对所有成立,即。

证明
  1. 若表述1成立,假设存在其他非零向量,则构成新的标准正交集,但这与的极大性矛盾。 故,表述2成立;

  2. 若表述2成立,则根据投影定理 8.3和命题 8.4的证明,,表述3成立;

  3. 若表述3成立,根据定理 8.2和定理 8.7,。 假设非零,则,这与矛盾。 因此,表述4成立;

  4. 若表述4成立,则表述5显然成立;

  5. 若表述5成立,则在实内积空间中,利用极化恒等式(定理 5.2)和命题 8.6,

    (8.3.1)

    其中已利用实向量空间中内积的对称性。 复向量空间的情形类似可证明,因此表述6成立;

  6. 若表示6成立,假设存在标准向量使得,那么根据定理 8.2和定理 8.7,。 利用子空间的代数封闭性,; 但同时,因此。 这意味着,即,矛盾。 因此为极大标准正交向量族,表述1成立。

3.4 Hilbert维数

类似Hamel基,我们希望Hilbert空间内的所有Hilbert基具有相同的基数,可据此定义其Hilbert维数。

定理 8.9 (Hilbert维数)

Hilbert空间的所有Hilbert基具有相同的基数,该基数称为的Hilbert维数(Hilbert dimension),记作。

证明

对于有限维情形,根据定理 5.8,所有的Hilbert基都具有相同的基数; 对于无穷维情形,设和为的Hilbert基。 那么根据定理 8.8,,这意味着存在可数指标集和使得。 对于任意,,因此。 若存在某个,则也是标准正交向量族,这与的极大性矛盾,因此必然存在使得。 这意味着,即。 根据命题 1.4和命题 1.6以及是最小无穷势的事实,。 对称地,那么Schrödinger-Berstein定理(定理 1.2)给出。

定理 8.10

Hilbert空间等距同构当且仅当其含有相同的Hilbert维数。

证明

设两个Hilbert空间分别为和,为的一组Hilbert基,那么。 对于充分性,设等距同构为,考虑,对所有成立,因此存在有限指标集和,使得,即。 这意味着,即,因此是的Hilbert基,双射要求。 对于必要性,设为的一组Hilbert基,则,即存在双射使得对于任意,存在唯一的与之对应。 定义双射为,并通过线性性将其定义域延拓到上。 那么根据定理 8.8,对于任意,

(8.3.2)

根据定理 5.4,为等距映射,进而为等距同构。

8.4Riesz表示定理

这一节我们讨论任意维数Hilbert空间内的Riesz表示定理。 事实上,并非所有Hilbert空间上线性的泛函都具有有限维情形的Riesz表示定理 5.11中的内积形式。 对于任意给定的非零向量,定义函数为。 显然是上的线性泛函,并且利用Cauchy-Schwarz不等式,对任意成立,因此,等号在时成立。 这引出了如下定义。

定义 8.3 (算子的有界性)

设为从到的线性变换,若,则称有界(bounded)。 若有界,则将该上确界记为,并称其为的范数。 特别地,上的有界线性泛函构成的集合称为的连续对偶空间(continuous dual space)或共轭空间(conjugate space)。

以下命题给出了有界线性变换的等价范数表示。

命题 8.7

设为有界线性变换,则

(8.4.1)
证明

首先利用范数的线性性,,因此。 容易验证该上确界不在处取到(对于零映射,任取),,因此。 综上,。 最后记,显然对任意成立,故; 另一方面 对于任意正数,存在使得对所有成立,故。 利用的任意性,。

有界线性变换的重要性之一体现在其保持连续性上。

命题 8.8

设为线性变换,则有界当且仅当连续。

证明

若有界,那么对于任意,。 因此对于任意正数,当时,,因此根据命题 1.17,连续; 反之若连续,则根据命题 1.17,存在使得时。 那么对于任意满足的,,因此,即有界。

现在我们证明任意维度Hilbert空间的Riesz表示定理。

定理 8.11 (Riesz表示定理)

设为Hilbert空间。 对于上任意有界线性泛函,存在唯一的使得对所有成立。 此外,。

证明

若,取即可。 对于非零的,记。 根据命题 8.8,连续,因此对于中任意收敛到的序列,均有,因此,即为闭集。 根据投影定理 8.3,。 根据第一同构定理 4.4以及命题 4.1之前的讨论,; 再根据推论 3.2和推论 4.1,,因此。 显然对任意成立当且仅当,因此我们希望限制在在上找到一个合适的,同时使得对任意也成立。 由于,任意非零的均为作为基。 首先希望,由此定义了的范数。 对于任意,存在唯一的使得,因此。 综上,对于任意,存在使得,因此,进而

(8.4.2)

若存在也使得对所有成立,那么对所有成立,即,故唯一。 最后,利用Cauchy-Schwarz不等式,,等号成立当且仅当,那么; 另一方面,,因此。

  1. 凸集的概念可直接参考定义 10.1