内積空間 の基本
Basics of inner product spaces
1導入 どうにゅう
この
1Introduction
The central point of this lecture is that introducing an
A vector space by itself only has
2用語 ようご と定義 ていぎ
で
2Terms and definitions
An
A
A
A
The
3方針 ほうしん
まず
3Plan
We first extract the properties of the ordinary
4直感的 ちょっかんてき な説明 せつめい
4Intuitive explanation
The dot product can be read as "the product of lengths times the similarity of direction." It is large and positive when vectors point in the same direction, zero at a right angle, and negative in opposite directions. An
5厳密 げんみつ な説明 せつめい
5.11. 内積 ないせき inner product の公理 こうり
が
5.22. 複素 ふくそ complex 内積空間 ないせきくうかん inner product space
このノートの
が
5.33. 長 なが さと直交 ちょっこう orthogonal
で
また
のとき、 と は
5.44. 高校 こうこう の内積 ないせき inner product との関係 かんけい
とすると
は
5.55. 内積 ないせき inner product から導出 どうしゅつ される重要 じゅうよう な不等式 ふとうしき
が
は 0
となる。これは の 2
すなわち
である。ここで 、 を
を
と
である。
この
を
となり、
と
と
5Precise explanation
5.11. Axioms of an inner product 内積 ないせき
For a real inner product space, for all vectors and real scalar ,
and
5.22. Complex inner product spaces
In a complex vector space, ordinary symmetry is not compatible with positivity. For example, a length squared must not become negative when a vector is multiplied by . Therefore the definition uses complex conjugation.
With the convention in this series,
and
The real case is the special case in which conjugation has no visible effect.
5.33. Length and orthogonality 直交 ちょっこう
An inner product defines length by
Positive definiteness ensures the expression under the square root is nonnegative and is positive for .
Vectors and are
This abstracts the condition from the familiar formula .
5.44. Relation to the high-school dot product
For and ,
is exactly the usual dot product in the plane. Inner product spaces generalize this geometric intuition.
5.55. Cauchy-Schwarz inequality
Every inner product satisfies the
In a real inner product space, the proof uses the fact that
for all real . Expanding gives a quadratic in whose discriminant is nonpositive, hence
In a complex inner product space, one may take
for under the convention that the first variable is linear. Then is orthogonal to , and the orthogonal decomposition gives the same inequality. The case is immediate.
For real inner product spaces, Cauchy-Schwarz justifies defining
for nonzero , because the right-hand side lies between and . In complex inner product spaces, is generally complex, so one does not use that quotient directly as without further conventions.
6どこまで成立 せいりつ するか
この
6Scope and limitations
The angle formula in this lecture is primarily for real inner product spaces. In complex inner product spaces, projection coefficients and orthogonal expansions depend on which variable is chosen to be linear. It is important to distinguish the real and complex definitions at the start.
7判定基準 はんていきじゅん
長 なが さ、角度 かくど 、直交 ちょっこう orthogonal 、射影 しゃえい projection のような概念 がいねん が表 あらわ れたら、内積 ないせき inner product を導入 どうにゅう した空間 くうかん として解釈 かいしゃく する必要 ひつよう がある。線型代数 せんけいだいすう で「基底 きてい basis を選択 せんたく する」とき、ただ一次独立 いちじどくりつ linear independence なだけでなく直交 ちょっこう orthogonal まで要求 ようきゅう するなら、内積空間 ないせきくうかん inner product space の議論 ぎろん である。最小二乗 さいしょうにじょう やフーリエ級数 きゅうすう の入口 いりぐち においても、背景 はいけい にあるのは内積 ないせき inner product である。
7Criteria
- If length, angle,
orthogonality , or projection appears, work in an inner product space.直交 ちょっこう - If a basis is required to be orthogonal or orthonormal, ordinary linear independence is not enough; inner product structure is being used.
- Least squares and Fourier expansions both rely on inner products.
8最終形 さいしゅうけい
8Final forms
9一言 ひとこと でいうと
内積空間 ないせきくうかん inner product space は、ベクトル空間 くうかん に長 なが さと角度 かくど を導入 どうにゅう するための枠組 わくぐ みである。
コーシー・シュワルツの
9In one sentence
An
An
Cauchy-Schwarz is the bridge from the axioms to geometry. It proves the estimate , leads to the triangle inequality for the induced norm developed in the next norm lecture, and identifies equality as the case where the two vectors are linearly dependent. These equality and boundary cases are part of the theorem, not optional details.
10定理 ていり と証明 しょうめい :Cauchy-Schwarz の不等式 ふとうしき
が
の
である。ここで
とおく。 なので であり、ここでの
となる。
を
10Theorem and proof: Cauchy-Schwarz inequality
For all in an inner product space,
If , both sides are . Assume . With the convention used here, take
Since , this is valid. From
and expansion, we obtain
Multiplying by gives
Taking square roots gives the conclusion.