标准正交基

✍ dations ◷ 2025-07-11 09:53:58 #抽象代数,线性代数

在线性代数中,一个内积空间的正交基(orthogonal basis)是元素两两正交的基。称基中的元素为基向量。假若,一个正交基的基向量的模长都是单位长度1,则称这正交基为标准正交基或"规范正交基"(Orthonormal basis)。

无论在有限维还是无限维空间中,正交基的概念都是很重要的。在无限维希尔伯特空间中,正交基不再是哈默尔基,也即是说不是每个元素都可以写成有限个基中元素的线性组合。因此在无限维空间中,正交基应该被更严格地定义为由线性无关而且两两正交的元素组成、张成的空间是原空间的一个稠密子空间(而不是整个空间)的集合。

注意,在没有定义内积的空间中,“正交基”一词是没有意义的。因此,一个具有正交基的巴拿赫空间,就是一个希尔伯特空间。

是上的一个正交基,那么中的每个元素都可以表示成:

当是标准正交基时,就是:

的模长表示为:

即使不是可数的,上面和式里的非零项也只会有可数多个,所以这个表达式仍然是有效的。上式被称作的,详见傅里叶级数。

若是上的一个标准正交基,那么“同构”于序列空间2()。因为存在以下 -> 2()的双射Φ,使得对于所有中的和有:

运用佐恩引理和格拉姆-施密特正交化方法,可以证明每个希尔伯特空间都有基,并且有正交基。同一个空间的正交基的基数必然是相同的。当一个希尔伯特空间有可数个元素组成的正交基,就说这个空间是可分的。

有前面的定义可以知道,在无穷维空间的情况下,正交基不再是一般线性代数的定义下的基。为了区分,把一般线性代数的定义下的基称为哈默尔基。

在内积空间的实际应用中,哈默尔基甚少出现,因此提到“基”的概念时,一般指的是正交基。

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