Гильбертово пространство

Разделы:

Запросы «Гильбертово многообразие»[d], «:en:Hilbert manifold» и «англ.» перенаправляются сюда. На эти темы нужно создать отдельные статьи.

Ги́льбертово простра́нство — обобщение евклидова пространства, допускающее бесконечную размерность.Названо в честь Давида Гильберта.

Важнейшим объектом исследования в гильбертовом пространстве являются линейные операторы. Само понятие гильбертова пространства сформировалось в работах Гильберта и Шмидта по теории интегральных уравнений, а абстрактное определение было дано в работах фон Неймана, Риса и Стоуна по теории эрмитовых операторов.

Содержание

1 Определение
2 Неравенство Коши — Буняковского. Ортогональность
3 Базисы и размерность гильбертова пространства
4 Ортогональные разложения
5 Пространство линейных функционалов
6 Линейные операторы в гильбертовых пространствах
7 Свойства
8 Примеры
9 Примечания
10 Литература

Определение

Гильбертово пространство — линейное (векторное) пространство (над полем вещественных или комплексных чисел), в котором[1]:

указано правило, которое позволяет определить для любых двух элементов пространства x{displaystyle x} $x$ и y{displaystyle y} $y$ их скалярное произведение (x,y){displaystyle (x,y)} $(x,y)$ ;
это правило удовлетворяет следующим требованиям:
- (y,x)=(x,y){displaystyle (y,x)=(x,y)} ${displaystyle (y,x)=(x,y)}$ (переместительный закон);
- (x,y+z)=(x,y)+(x,z){displaystyle (x,y+z)=(x,y)+(x,z)} ${displaystyle (x,y+z)=(x,y)+(x,z)}$ (распределительный закон);
- (λx,y)=λ(x,y){displaystyle (lambda x,y)=lambda (x,y)} ${displaystyle (lambda x,y)=lambda (x,y)}$ для любого вещественного числа λ{displaystyle lambda } $lambda$ ;
- (x,x)>0{displaystyle (x,x)>0} ${displaystyle (x,x)>0}$ при x≠0{displaystyle xneq 0} $x ne 0$ и (x,x)=0{displaystyle (x,x)=0} ${displaystyle (x,x)=0}$ при x=0{displaystyle x=0} $x=0$ .
которое является полным относительно порождённой этим скалярным произведением метрики d(x,y)=‖x−y‖=(x−y,x−y){displaystyle d(x,y)=|x-y|={sqrt {(x-y,x-y)}}} ${displaystyle d(x,y)=|x-y|={sqrt {(x-y,x-y)}}}$ . Если условие полноты пространства не выполнено, то говорят о предгильбертовом пространстве. Однако, большинство из известных (используемых) пространств либо являются полными, либо могут быть пополнены.

Таким образом, гильбертово пространство есть банахово пространство (полное нормированное пространство), норма которого порождена положительно определённым скалярным произведением и определяется как ‖x‖=(x,x){displaystyle |x|={sqrt {(x,x)}}}

${displaystyle |x|={sqrt {(x,x)}}}$

Норма в произвольном нормированном пространстве может порождаться некоторым скалярным произведением тогда и только тогда, когда выполнено следующее равенство (тождество) параллелограмма:

(∀x,y∈H)‖x+y‖2+‖x−y‖2=2(‖x‖2+‖y‖2).{displaystyle (forall x,yin H)quad |x+y|^{2}+|x-y|^{2}=2(|x|^{2}+|y|^{2}).}

(forall x,yin H)quad |x+y|^{2}+|x-y|^{2}=2(|x|^{2}+|y|^{2}).

Если удовлетворяющее тождеству параллелограмма банахово пространство является вещественным, то отвечающее его норме скалярное произведение задаётся равенством

(x,y)=‖x+y2‖2−‖x−y2‖2.{displaystyle (x,y)=left|{dfrac {x+y}{2}}right|^{2}-left|{dfrac {x-y}{2}}right|^{2}.}

(x,y)=left|{dfrac {x+y}{2}}right|^{2}-left|{dfrac {x-y}{2}}right|^{2}.

Если это пространство является комплексным, то отвечающее его норме скалярное произведение задаётся равенством

(x,y)=‖x+y2‖2−‖x−y2‖2+i‖x+iy2‖2−i‖x−iy2‖2{displaystyle (x,y)=left|{dfrac {x+y}{2}}right|^{2}-left|{dfrac {x-y}{2}}right|^{2}+ileft|{dfrac {x+iy}{2}}right|^{2}-ileft|{dfrac {x-iy}{2}}right|^{2}}

(x,y)=left|{dfrac {x+y}{2}}right|^{2}-left|{dfrac {x-y}{2}}right|^{2}+ileft|{dfrac {x+iy}{2}}right|^{2}-ileft|{dfrac {x-iy}{2}}right|^{2}

(поляризационное тождество).

Неравенство Коши — Буняковского. Ортогональность

В гильбертовом пространстве важное значение имеет неравенство Коши — Буняковского:

|(x,y)|⩽‖x‖‖y‖{displaystyle |(x,y)|leqslant |x||y|}

{displaystyle |(x,y)|leqslant |x||y|}

Это неравенство в случае вещественного гильбертова пространства дает возможность определить угол φ{displaystyle varphi }

$varphi$ между двумя элементами x и y по следующей формуле

cos⁡φ=(x,y)‖x‖‖y‖{displaystyle cos varphi ={frac {(x,y)}{|x||y|}}}

{displaystyle cos varphi ={frac {(x,y)}{|x||y|}}}

В частности, если скалярное произведение равно нулю (x,y)=0{displaystyle (x,y)=0}

$(x,y)=0$ , а сами элементы являются ненулевыми, то угол между этими элементами равен 90∘{displaystyle 90^{circ }} $90^{circ }$ , что соответствует ортогональности элементов x и y. Заметим, что понятие ортогональности вводится и в комплексном гильбертовом пространстве с помощью соотношения (x,y)=0{displaystyle (x,y)=0} $perp$

Для попарно ортогональных векторов справедлива теорема Пифагора (обобщённая):

‖∑ixi‖2=∑i‖xi‖2{displaystyle left|sum _{i}x_{i}right|^{2}=sum _{i}|x_{i}|^{2}}

{displaystyle left|sum _{i}x_{i}right|^{2}=sum _{i}|x_{i}|^{2}}

Множество всех элементов пространства, ортогональных некоторому подмножеству A{displaystyle A}

$A$ , является замкнутым линейным многообразием (подпространством) и называется ортогональным дополнением этого множества.

Подмножество элементов называется ортонормированной системой, если любые два элемента множества ортогональны и норма каждого элемента равна единице.

Базисы и размерность гильбертова пространства

Система векторов гильбертова пространства является полной, если она порождает всё пространство, то есть если произвольный элемент пространства может быть сколь угодно точно приближен по норме линейными комбинациями элементов этой системы. Если в пространстве существует счётная полная система элементов, то пространство является сепарабельным — то есть имеется счётное всюду плотное множество, замыкание которого по метрике пространства совпадает со всем пространством.

Данная полная система {ei}{displaystyle {e_{i}}}

${e_{i}}$ является базисом, если каждый элемент пространства можно представить как линейную комбинацию элементов этой системы и притом однозначно. Необходимо отметить, что в общем случае банаховых пространств из полноты и линейной независимости элементов системы не следует, что это базис. Однако, в случае сепарабельных гильбертовых пространств полная ортонормированная система {ei}{displaystyle {e_{i}}} ${e_{i}}$ является базисом. Для того, чтобы ортонормированная система была полна в сепарабельном гильбертовом пространстве необходимо и достаточно, чтобы не существовало ненулевого элемента, ортогонального всем элементам ортонормированной системы. Таким образом, для каждого элемента f{displaystyle f} $f$ пространства имеет место разложение по ортонормированному базису {ei}{displaystyle {e_{i}}} ${e_{i}}$ :

f=∑i=1∞αiei=∑i=1∞(f,ei)ei{displaystyle f=sum _{i=1}^{infty }alpha _{i}e_{i}=sum _{i=1}^{infty }(f,e_{i})e_{i}}

$f=sum _{i=1}^{infty }alpha _{i}e_{i}=sum _{i=1}^{infty }(f,e_{i})e_{i}$

Коэффициенты разложения αi=(f,ei){displaystyle alpha _{i}=(f,e_{i})}

$alpha _{i}=(f,e_{i})$ называют коэффициентами Фурье. При этом для нормы элемента выполнено равенство Парсеваля:

‖f‖2=∑i=1∞|(f,ei)|2{displaystyle |f|^{2}=sum _{i=1}^{infty }|(f,e_{i})|^{2}}

${displaystyle |f|^{2}=sum _{i=1}^{infty }|(f,e_{i})|^{2}}$

Все ортонормированные базисы в гильбертовом пространстве имеют одинаковую мощность, что позволяет определить размерность гильбертова пространства как размерность произвольного ортонормированного базиса (ортогональная размерность). Гильбертово пространство сепарабельно тогда и только тогда, когда имеет счётную размерность.

Размерность пространства также можно определить как наименьшую из мощностей подмножеств гильбертова пространства H{displaystyle H}

$H$ , для которых замыкание линейной оболочки совпадает с H{displaystyle H} $H$ .

Любые два гильбертовы пространства, имеющие одинаковую размерность, изоморфны. В частности, любые два бесконечномерные сепарабельные гильбертовы пространства изоморфны друг другу и пространству ℓ2{displaystyle ell ^{2}}

$ell ^{2}$ .

Ортогональные разложения

Пусть L{displaystyle L}

$L$ — некоторое подпространство в гильбертовом пространстве H{displaystyle H} $H$ . Тогда для любого элемента f∈H{displaystyle fin H} $fin H$ справедливо единственное разложение f=g+h{displaystyle f=g+h} $f=g+h$ , где g∈L{displaystyle gin L} $gin L$ , а h⊥L{displaystyle hperp L} $hperp L$ . Элемент g{displaystyle g} $g$ называется проекцией элемента f{displaystyle f} $f$ на L{displaystyle L} $L$ . Совокупность элементов h{displaystyle h} $h$ , ортогональных подпространству L{displaystyle L} $L$ образует (замкнутое) подпространство M{displaystyle M} $M$ , являющееся ортогональным дополнением подпространства L{displaystyle L} $L$ .

Говорят, что пространство H{displaystyle H}

$H$ разложено в прямую сумму подпространств L{displaystyle L} и M{displaystyle M} $M$ , что записывается как H=L⊕M{displaystyle H=Loplus M} $H=Loplus M$ . Аналогично можно записать L=H⊖M{displaystyle L=Hominus M} $L=Hominus M$ .

Пространство линейных функционалов

Пространство линейных непрерывных (ограниченных) функционалов также образует линейное пространство и называется сопряжённым пространством.

Имеет место следующая теорема Риса об общем виде ограниченного линейного функционала в гильбертовом пространстве: для любого линейного ограниченного функционала f{displaystyle f}

$f$ на гильбертовом пространстве H{displaystyle H} $H$ существует единственный вектор y∈H{displaystyle yin H} $yin H$ такой, что f(x)=(x,y){displaystyle f(x)=(x,y)} $f(x)=(x,y)$ для любого x∈H{displaystyle xin H} $xin H$ . При этом норма линейного функционала f{displaystyle f} $f$ совпадает с нормой вектора y{displaystyle y} $y$ :

‖f‖=sup‖x‖=1|f(x)|=(y,y){displaystyle |f|=sup _{|x|=1}|f(x)|={sqrt {(y,y)}}} $|f|=sup _{|x|=1}|f(x)|={sqrt {(y,y)}}$ .

Из теоремы следует, что пространство линейных ограниченных функционалов над гильбертовым пространством H{displaystyle H}

$H$ изоморфно самому пространству H{displaystyle H} $H$ .

Линейные операторы в гильбертовых пространствах

Линейный оператор A{displaystyle A}

$A$ может быть представлен в данном базисе матричными элементами единственным образом: aij=(Aei,ej){displaystyle a_{ij}=(Ae_{i},e_{j})} $a_{ij}=(Ae_{i},e_{j})$ .

Линейный оператор A∗{displaystyle A^{*}}

$A^{*}$ называется сопряжённым к оператору A{displaystyle A} $A$ , если для любых элементов x{displaystyle x} $x$ и y{displaystyle y} $y$ выполнено равенство (Ax,y)=(x,A∗y){displaystyle (Ax,y)=(x,A^{*}y)} $(Ax,y)=(x,A^{*}y)$ . Норма сопряжённого оператора равна норме самого оператора.

Линейный ограниченный оператор называется самосопряжённым (симметрическим), если A∗=A{displaystyle A^{*}=A}

$A^{*}=A$ .

Оператор P{displaystyle P}

$P$ , определённый на всем пространстве, который каждому элементу ставит в соответствие его проекцию на некоторое подпространство называется проектирующим оператором, (оператором проектирования, ортопроектором). Проектирующий оператор является линейным самосопряжённым оператором с единичной нормой, для которого выполнено равенство P2=P{displaystyle P^{2}=P} $P^{2}=P$ . Произведение двух проектирующих операторов является проектирующим тогда и только тогда, когда они перестановочны: P1P2=P2P1{displaystyle P_{1}P_{2}=P_{2}P_{1}} $P_{1}P_{2}=P_{2}P_{1}$ .

Свойства

Теорема представлений Риса: для любой ортонормированной системы векторов {ϕi}i=1∞{displaystyle {lbrace phi _{i}rbrace }_{i=1}^{infty }} ${lbrace phi _{i}rbrace }_{i=1}^{infty }$ в гильбертовом пространстве H{displaystyle H} $H$ и числовой последовательности {Ci}i=1∞{displaystyle {lbrace C_{i}rbrace }_{i=1}^{infty }} ${lbrace C_{i}rbrace }_{i=1}^{infty }$ , такой что ∑i=1∞Ci2<∞{displaystyle sum _{i=1}^{infty }C_{i}^{2}<infty } $sum _{i=1}^{infty }C_{i}^{2}<infty$ , в H{displaystyle H} $H$ существует такой элемент u{displaystyle u} $u$ , что Ci=(u,ϕi){displaystyle C_{i}=left(u,phi _{i}right)} $C_{i}=left(u,phi _{i}right)$ и ‖u‖2=∑i=1∞(u,ϕi)2{displaystyle {leftVert urightVert }^{2}=sum _{i=1}^{infty }{left(u,phi _{i}right)}^{2}} ${leftVert urightVert }^{2}=sum _{i=1}^{infty }{left(u,phi _{i}right)}^{2}$ .
Гильбертовы пространства порождают строго нормированные пространства.

Примеры

Евклидово пространство.
Пространство ℓ2{displaystyle ell ^{2}} $ell ^{2}$ . Его точки суть бесконечные последовательности вещественных чисел x={xn}n=1∞{displaystyle x={x_{n}}_{n=1}^{infty }} $x={x_{n}}_{n=1}^{infty }$ , для которых сходится ряд ∑n=1∞|xn|2{displaystyle sum _{n=1}^{infty }|x_{n}|^{2}} $sum _{n=1}^{infty }|x_{n}|^{2}$ . Скалярное произведение на этом пространстве задаётся равенством

(x,y)=∑n=1∞xnyn{displaystyle (x,y)=sum _{n=1}^{infty }x_{n}y_{n}} $(x,y)=sum _{n=1}^{infty }x_{n}y_{n}$ .
Пространство L2[a,b]{displaystyle L^{2}[a,b]} $L^{2}[a,b]$ измеримых функций с вещественными значениями на отрезке [a,b]{displaystyle [a,b]} $[a,b]$ с интегрируемыми по Лебегу квадратами — то есть таких, что интеграл

∫ab|f|2dx{displaystyle int limits _{a}^{b}!|f|^{2},dx} $int limits _{a}^{b}!|f|^{2},dx$

определён и конечен, притом функции, отличающиеся между собой на множестве мере нуль — отождествляются между собой (то есть, формально, L2[a,b]{displaystyle L^{2}[a,b]}

L^{2}[a,b]

есть соответствующее множество классов эквивалентностей). Скалярное произведение на этом пространстве задаётся равенством

(f,g)=∫abfgdx{displaystyle (f,g)=int limits _{a}^{b}!f{g},dx}

(f,g)=int limits _{a}^{b}!f{g},dx

Для пространств ℓ2{displaystyle ell ^{2}}

$ell ^{2}$ и L2[a,b]{displaystyle L^{2}[a,b]} $L^{2}[a,b]$ над полем комплексных чисел, последовательностей комплексных чисел и комплекснозначных функций, определение скалярного произведения отличается лишь комплексной сопряжённостью второго сомножителя:

(x,y)=∑n=1∞xny¯n{displaystyle (x,y)=sum _{n=1}^{infty }x_{n}{overline {y}}_{n}}

(x,y)=sum _{n=1}^{infty }x_{n}{overline {y}}_{n}

;

(f,g)=∫abfg¯dx{displaystyle (f,g)=int limits _{a}^{b}!f{overline {g}},dx}

(f,g)=int limits _{a}^{b}!f{overline {g}},dx

Примечания

↑ Шилов Г. Е. Математический анализ. Специальный курс. — М.: Физматлит, 1961. — C. 29

Литература

Халмош П., Гильбертово пространство в задачах, Перевод с английского И. Д. Новикова и Т. В. Соколовской; под ред. Р. А. Минлоса. — М.: Издательство «Мир», 1970. — 352 с.
Морен К., Методы гильбертова пространства. — М.: Мир, 1965. — 570 c.

Для улучшения этой статьи желательно:

Проставить сноски, внести более точные указания на источники.
Оформить список литературы.

После исправления проблемы исключите её из списка. Удалите шаблон, если устранены все недостатки.