내적 공간에서 정의된 내적과 연관된 놈의 성질
📂힐베르트공간내적 공간에서 정의된 내적과 연관된 놈의 성질
정리
내적 공간 (X,⟨⋅,⋅⟩)가 주어졌다고 하자. 그러면 자연스럽게 ∥⋅∥:=⟨⋅,⋅⟩와 같이 놈을 정의할 수 있고 아래의 성질들이 성립한다.
(a) 코시-슈바르츠 부등식: 임의의 x,y∈X에 대해서,
∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥∥y∥
(b) 평행사변형 법칙: 임의의 x,y∈X에 대해서,
∥x+y∥2+∥x−y∥2=2(∥x∥2+∥y∥2)
(c) The polarization identity in a complex vector space: 복소내적공간 X와 임의의 x,y∈X에 대해서,
⟨x,y⟩=41(∥x+y∥2−∥x−y∥2+i(∥x+iy∥2−∥x−iy∥2))
(d) The polarization identity in a real vector space: 실내적공간 X와 임의의 x,y∈X에 대해서,
⟨x,y⟩=41(∥x+y∥2−∥x−y∥2)
(e) Norm versus inner product: 임의의 x∈X에 대해서,
∥x∥=sup{∣⟨x,y⟩∣:y∈X,∥y∥=1}
증명
(a)
내적공간에서 놈의 정의에 따라 코시-슈바르츠 부등식은
∣⟨x,y⟩∣=≤⟨x,x⟩1/2⟨y,y⟩1/2 ∥x∥∥y∥
■
(b)
∥x+y∥2+∥x−y∥2===== ⟨x+y,x+y⟩+⟨x−y,x−y⟩ ⟨x,x⟩+⟨x,y⟩+⟨y,x⟩+⟨y,y⟩+⟨x,x⟩−⟨x,y⟩−⟨y,x⟩+⟨y,y⟩ 2⟨x,x⟩+2⟨y,y⟩ 2(⟨x,x⟩+⟨y,y⟩) 2(∥x∥2+∥y∥2)
■
(c)
증명 (b) 를 참고하면 실수 부분의 계산 결과를 얻을 수 있다.
∥x+y∥2−∥x−y∥2= 2⟨x,y⟩+2⟨y,x⟩
허수 부분을 계산해보면 다음과 같다.
∥x+iy∥2=== ⟨x+iy,x+iy⟩ ⟨x,x⟩+⟨x,iy⟩+⟨iy,x⟩+⟨iy,iy⟩ ⟨x,x⟩−i⟨x,y⟩+i⟨y,x⟩+⟨y,y⟩
그리고
∥x−iy∥2=== ⟨x−iy,x−iy⟩ ⟨x,x⟩−⟨x,iy⟩−⟨iy,x⟩+⟨iy,iy⟩ ⟨x,x⟩+i⟨x,y⟩−i⟨y,x⟩+⟨y,y⟩
따라서
∥x+iy∥2−∥x−iy∥2=−2i⟨x,y⟩+2i⟨y,x⟩
그러므로
==∥x+y∥2−∥x−y∥2+i(∥x+iy∥2−∥x−iy∥2) 2⟨x,y⟩+2⟨y,x⟩+2⟨x,y⟩−2⟨y,x⟩ 4⟨x,y⟩
■
(d)
⟨x,y⟩∈R이면 ⟨x,y⟩=⟨y,x⟩=⟨y,x⟩이므로
∥x+y∥2−∥x−y∥2== 2⟨x,y⟩+2⟨y,x⟩ 4⟨x,y⟩
■
(e)
코시-슈바르츠 부등식에 의해
∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥∥y∥
그러면 다음의 식이 성립한다.
∥y∥=1sup∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥
이때 y=∥x∥x로 두면 ∥y∥=1이고
∣⟨x,y⟩∣==== ⟨x,∥x∥x⟩ ∥x∥1⟨x,x⟩ ∥x∥1∥x∥2 ∥x∥
가 성립한다. 따라서
∥y∥=1sup∣⟨x,y⟩∣=∥x∥
■