什么是“希尔伯特空间”?

作者: 李健辉

来源: 科研狗

发布日期: 2019-07-22 09:54:00

希尔伯特空间是完备的内积空间,是有限维欧几里得空间的推广,具有完备性和内积运算,是数学分析和物理学中的重要概念。

大卫·希尔伯特(德语:David Hilbert [ˈdaːvɪt ˈhɪlbɐt],1862年1月23日-1943年2月14日),德国数学家,是19世纪和20世纪初最具影响力的数学家之一。希尔伯特1862年出生于哥尼斯堡(今俄罗斯加里宁格勒),1943年在德国哥廷根逝世。他因为发明了大量的思想观念(例:不变量理论、公理化几何、希尔伯特空间)而被尊为伟大的数学家、科学家。

希尔伯特空间(Hilbert space)指的其实就是完备的内积空间(Complete inner product space),两者同义。而非完备的内积空间又称为准希尔伯特空间(pre-Hilbert space)。那么显然就有如下关系:即希尔伯特空间是一种特殊的内积空间,其特殊性就体现在其完备性上,因为一个内积空间不一定是完备空间。

在数学分析中,完备空间又称完备度量空间或称柯西空间(Cauchy space)。如果一个度量空间中的所有柯西序列都收敛在该空间中的一点,则称该空间为完备空间。这个定义中又涉及到两个的概念,即“度量空间(Metric space)”和“柯西序列(Cauchy sequence)”。

在数学中,度量空间是个具有距离函数的集合,该距离函数定义集合内所有元素间之距离。此距离函数被称为集合上的度量。度量空间中最符合人们对于现实直观理解的是三维欧几里得空间(Euclidean space)。

在数学中,柯西序列、柯西列、柯西数列或基本列是指这样一个数列,它的元素随着序数的增加而愈发靠近。任何收敛数列必然是柯西列,任何柯西列必然是有界序列。

内积空间指的是添加了一个“运算方法”(或称“结构”)的向量空间(或称为“线性空间”,两者同义),这个新添加的运算方法即“内积(Inner product)”又称“标量积(Scalar product)”或称“点积(Dot product)”。内积将一对向量与一个纯量连接起来,允许我们严格地谈论向量的“夹角”和“长度”,并进一步谈论向量的正交性。

希尔伯特空间(Hilbert space)是有限维欧几里得空间(Euclidean space)的一个推广,使之不局限于实数的情形和有限的维数,但又不失完备性(不像一般的非欧几里得空间那样破坏了完备性)。而且从上面的关系可知,希尔伯特空间(Hilbert space)可以看做是增加了内积运算的巴拿赫空间(Banach space)。

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