الشكل الخطي

في الرياضيات ، الشكل الخطي (المعروف أيضًا باسم الدالة الخطية ، [ 1 ] أو الشكل الأحادي ، أو المتجه المرافق ) هو تطبيق خطي [ nb 1 ] من فضاء متجهي إلى حقله من الكميات القياسية (غالبًا الأعداد الحقيقية أو الأعداد المركبة ).

إذا كان V فضاءً متجهيًا على حقل k ، فإن مجموعة جميع الدوال الخطية من V إلى k هي نفسها فضاء متجهي على k مع تعريف الجمع والضرب القياسي نقطيًا . يُسمى هذا الفضاء بالفضاء الثنائي لـ V ، أو أحيانًا بالفضاء الثنائي الجبري ، عند النظر أيضًا في الفضاء الثنائي الطوبولوجي . ويُرمز إليه غالبًا بـ Hom( V , k ) ، [ 2 ] أو، عند فهم الحقل k ،V*{\displaystyle V^{*}}; [ 3 ] تُستخدم رموز أخرى أيضًا، مثلV{\displaystyle V'}, [ 4 ] [ 5 ]V8{\displaystyle V^{\#}}أوV.{\displaystyle V^{\vee }.}[ 2 ] عندما يتم تمثيل المتجهات بواسطةمتجهات عمودية(كما هو شائع عندماالأساس)، يتم تمثيل الدوال الخطيةكمتجهات صفية، ويتم إعطاء قيمها على متجهات محددة عن طريقضرب المصفوفات(مع متجه الصف على اليسار).

أمثلة

الدالة الصفرية الثابتة ، التي تُسقط كل متجه إلى الصفر، هي دالة خطية بديهية. أما كل دالة خطية أخرى (مثل الدوال المذكورة أدناه) فهي شاملة (أي أن مداها يشمل جميع قيم k ).

  • الفهرسة في متجه: يُعطى العنصر الثاني من متجه ثلاثي الأبعاد بواسطة الشكل الأحادي[0،1،0].{\displaystyle [0,1,0].}أي العنصر الثاني من[x،y،z]{\displaystyle [x,y,z]}يكون[0،1،0][x،y،z]=y.{\displaystyle [0,1,0]\cdot [x,y,z]=y.}
  • المتوسط : العنصر المتوسط ​​لـن{\displaystyle n}يُعطى المتجه بواسطة الشكل الأحادي[1/ن،1/ن،...،1/ن].{\displaystyle \left[1/n,1/n,\ldots ,1/n\right].}إنه،يقصد(v)=[1/ن،1/ن،...،1/ن]v.{\displaystyle \operatorname {mean} (v)=\left[1/n,1/n,\ldots ,1/n\right]\cdot v.}
  • أخذ العينات : يمكن اعتبار أخذ العينات باستخدام النواة شكلاً أحاديًا، حيث يكون الشكل الأحادي هو النواة التي تم نقلها إلى الموقع المناسب.
  • القيمة الحالية الصافية للتدفق النقدي الصافي ،R(ت)،{\displaystyle R(t),}يُعطى بواسطة الشكل الأحاديw(ت)=(1+أنا)-ت{\displaystyle w(t)=(1+i)^{-t}}أينأنا{\displaystyle i}هو معدل الخصم . أيشمالPV(R(ت))=w،R=ت=0R(ت)(1+أنا)تدت.{\displaystyle \mathrm {NPV} (R(t))=\langle w,R\rangle =\int _{t=0}^{\infty }{\frac {R(t)}{(1+i)^{t}}}\,dt.}

الدوال الخطية في R n

لنفترض أن المتجهات في فضاء الإحداثيات الحقيقيRن{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}يتم تمثيلها كمتجهات عمودية x=[x1xن].{\displaystyle \mathbf {x} ={\begin{bmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{bmatrix}}.}

لكل متجه صفأ=[أ1أن]{\displaystyle \mathbf {a} ={\begin{bmatrix}a_{1}&\cdots &a_{n}\end{bmatrix}}}يوجد دالة خطيةوأ{\displaystyle f_{\mathbf {a} }}محدد بواسطة وأ(x)=أ1x1++أنxن،{\displaystyle f_{\mathbf {a} }(\mathbf {x} )=a_{1}x_{1}+\cdots +a_{n}x_{n},} ويمكن التعبير عن كل دالة خطية بهذا الشكل.

يمكن تفسير ذلك إما على أنه حاصل ضرب المصفوفة أو حاصل الضرب النقطي لمتجه الصفأ{\displaystyle \mathbf {a} }والمتجه العموديx{\displaystyle \mathbf {x} }: وأ(x)=أx=[أ1أن][x1xن].{\displaystyle f_{\mathbf {a} }(\mathbf {x} )=\mathbf {a} \cdot \mathbf {x} ={\begin{bmatrix}a_{1}&\cdots &a_{n}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{bmatrix}}.}

أثر مصفوفة مربعة

الأثرtr(أ){\displaystyle \operatorname {tr} (A)}من مصفوفة مربعةأ{\displaystyle A}هي مجموع جميع العناصر على قطرها الرئيسي . يمكن ضرب المصفوفات بأعداد قياسية، ويمكن جمع مصفوفتين من نفس البعد؛ تُنشئ هذه العمليات فضاءً متجهيًا من مجموعة جميعن×ن{\displaystyle n\times n}المصفوفات. الأثر هو دالة خطية على هذا الفضاء لأنtr(sأ)=str(أ){\displaystyle \operatorname {tr} (sA)=s\operatorname {tr} (A)}وtr(أ+ب)=tr(أ)+tr(ب){\displaystyle \operatorname {tr} (A+B)=\operatorname {tr} (A)+\operatorname {tr} (B)}لجميع الكميات القياسيةs{\displaystyle s}وكل شيءن×ن{\displaystyle n\times n}المصفوفاتأ و ب.{\displaystyle A{\text{ و }}B.}

التكامل (المحدد)

ظهرت الدوال الخطية لأول مرة في التحليل الوظيفي ، وهو دراسة فضاءات المتجهات للدوال . ومن الأمثلة النموذجية على الدوال الخطية التكامل : وهو التحويل الخطي المعرف بتكامل ريمان.أنا(و)=أبو(x)دx{\displaystyle I(f)=\int _{a}^{b}f(x)\,dx} هي دالة خطية من الفضاء المتجهيج[أ،ب]{\displaystyle C[a,b]}الدوال المتصلة على الفترة[أ،ب]{\displaystyle [a,b]}إلى الأعداد الحقيقية. خطيةأنا{\displaystyle I}ويستنتج ذلك من الحقائق القياسية المتعلقة بالتكامل: أنا(و+ز)=أب[و(x)+ز(x)]دx=أبو(x)دx+أبز(x)دx=أنا(و)+أنا(ز)أنا(αو)=أبαو(x)دx=αأبو(x)دx=αأنا(و).{\displaystyle {\begin{aligned}I(f+g)&=\int _{a}^{b}[f(x)+g(x)]\,dx=\int _{a}^{b}f(x)\,dx+\int _{a}^{b}g(x)\,dx=I(f)+I(g)\\I(\alpha f)&=\int _{a}^{b}\alpha f(x)\,dx=\alpha \int _{a}^{b}f(x)\,dx=\alpha I(f).\end{aligned}}}

تقييم

يتركPن{\displaystyle P_{n}}يرمز إلى فضاء المتجهات للدوال متعددة الحدود ذات القيم الحقيقية من الدرجةن{\displaystyle \leq n}معرفة على فترة[أ،ب].{\displaystyle [a,b].}لوج[أ،ب]،{\displaystyle c\in [a,b],}ثم دعإيفج:PنR{\displaystyle \operatorname {ev} _{c}:P_{n}\to \mathbb {R} }كن وظيفيًا للتقييمإيفجو=و(ج).{\displaystyle \operatorname {ev} _{c}f=f(c).} رسم الخرائطوو(ج){\displaystyle f\mapsto f(c)}خطي لأن (و+ز)(ج)=و(ج)+ز(ج)(αو)(ج)=αو(ج).{\displaystyle {\begin{aligned}(f+g)(c)&=f(c)+g(c)\\(\alpha f)(c)&=\alpha f(c).\end{aligned}}}

لوx0،...،xن{\displaystyle x_{0},\ldots ,x_{n}}نكونن+1{\displaystyle n+1}نقاط متميزة في[أ،ب]،{\displaystyle [a,b],}ثم دوال التقييمإيفxأنا،{\displaystyle \operatorname {ev} _{x_{i}},}أنا=0،...،ن{\displaystyle i=0,\ldots ,n}تشكل أساسًا للفضاء الثنائي لـPن{\displaystyle P_{n}}( يثبت لاكس (1996) هذه الحقيقة الأخيرة باستخدام استيفاء لاغرانج ).

مثال غير صحيح

وظيفةو{\displaystyle f}له معادلة خط مستقيمو(x)=أ+رx{\displaystyle f(x)=a+rx}معأ0{\displaystyle a\neq 0}(على سبيل المثال،و(x)=1+2x{\displaystyle f(x)=1+2x}) ليس دالة خطية علىR{\displaystyle \mathbb {R} }لأنه ليس خطيًا . [ ملاحظة 2 ] ومع ذلك، فهو خطي تآلفي .

التصور

التفسير الهندسي للشكل التفاضلي من الدرجة الأولى α هو عبارة عن مجموعة من المستويات الفائقة ذات القيمة الثابتة، كل منها يقابل المتجهات التي يرسمها α إلى قيمة قياسية معينة موضحة بجانبها مع "اتجاه" الزيادة.  المستوى الصفري يمر عبر نقطة الأصل.

في الأبعاد المحدودة، يمكن تمثيل الدالة الخطية بصريًا بدلالة مجموعات مستوياتها ، وهي مجموعات المتجهات التي تُقابل قيمة معينة. في ثلاثة أبعاد، تُشكل مجموعات مستويات الدالة الخطية عائلة من المستويات المتوازية؛ أما في الأبعاد الأعلى، فتُشكل مستويات فائقة متوازية . تُستخدم هذه الطريقة لتمثيل الدوال الخطية بصريًا أحيانًا في كتب النسبية العامة ، مثل كتاب "الجاذبية" لميسنر ، ثورن ، وويلر (1973) . [ 6 ]

التطبيقات

تطبيق على التربيع

لوx0،...،xن{\displaystyle x_{0},\ldots ,x_{n}}نكونن+1{\displaystyle n+1}إذا كانت النقاط متميزة في [ أ ، ب ] ، فإن الدوال الخطيةإيفxأنا:وو(xأنا){\displaystyle \operatorname {ev} _{x_{i}}:f\mapsto f\left(x_{i}\right)}تشكل التعريفات المذكورة أعلاه أساسًا للفضاء الثنائي لـ P n ، وهو فضاء كثيرات الحدود من الدرجةن.{\displaystyle \leq n.} الدالة التكاملية I هي أيضًا دالة خطية على P n ، وبالتالي يمكن التعبير عنها كتركيبة خطية من عناصر الأساس هذه. بالرموز، توجد معاملات.أ0،...،أن{\displaystyle a_{0},\ldots ,a_{n}}والتي أنا(و)=أ0و(x0)+أ1و(x1)++أنو(xن){\displaystyle I(f)=a_{0}f(x_{0})+a_{1}f(x_{1})+\dots +a_{n}f(x_{n})} للجميعوPن.{\displaystyle f\in P_{n}.}يشكل هذا أساس نظرية التربيع العددي . [ 7 ]

في ميكانيكا الكم

تُعدّ الدوال الخطية ذات أهمية خاصة في ميكانيكا الكم . تُمثَّل أنظمة ميكانيكا الكم بفضاءات هيلبرت ، وهي فضاءات متماثلة عكسيًا مع فضاءاتها الثنائية. يمكن تحديد حالة نظام ميكانيكا الكم بدالة خطية. لمزيد من المعلومات، انظر إلى ترميز برا-كيت .

التوزيعات

في نظرية الدوال المعممة ، يمكن تحقيق أنواع معينة من الدوال المعممة التي تسمى التوزيعات كدوال خطية على فضاءات دوال الاختبار .

المتجهات المزدوجة والصيغ الثنائية الخطية

الدوال الخطية (الأشكال التفاضلية من الدرجة الأولى) α و β ومجموعهما σ والمتجهات u و v و w في الفضاء الإقليدي ثلاثي الأبعاد . عدد المستويات الفائقة (من الدرجة الأولى) التي يتقاطع معها متجه يساوي حاصل الضرب الداخلي . [ 8 ]

كل شكل ثنائي خطي غير منحل على فضاء متجهي محدود الأبعادV{\displaystyle V}يُحدث تماثلاًVV*:vv*{\displaystyle V\rightarrow V^{*}:v\mapsto v^{*}}بحيث v*(w):=v،wwV،{\displaystyle v^{*}(w):=\langle v,w\rangle \quad \forall w\in V,}

حيث الشكل الثنائي الخطيV{\displaystyle V}يُشار إليه بـ،{\displaystyle \langle \,\cdot \,,\,\cdot \,\rangle }(على سبيل المثال، في الفضاء الإقليدي ،v،w=vw{\displaystyle \langle v,w\rangle =v\cdot w}هو حاصل الضرب النقطي لـv{\displaystyle v}وw{\displaystyle w}).

التشاكل العكسي هوV*V:v*v{\displaystyle V^{*}\rightarrow V:v^{*}\mapsto v}، أينv{\displaystyle v}هو العنصر الفريد لـV{\displaystyle V}بحيث v،w=v*(w){\displaystyle \langle v,w\rangle =v^{*}(w)} للجميعwV{\displaystyle w\in V}.

المتجه المحدد أعلاهv*V*{\displaystyle v^{*}\in V^{*}}ويُقال إنه المتجه المزدوج لـvV{\displaystyle v\in V}.

في فضاء هيلبرت ذي الأبعاد اللانهائية ، تتحقق نتائج مماثلة بموجب نظرية تمثيل ريز . يوجد تطبيقVV*{\displaystyle V\mapsto V^{*}}منV{\displaystyle V}إلى فضاءها المزدوج المستمرV*{\displaystyle V^{*}}.

العلاقة بالقواعد

أساس الفضاء المزدوج

ليكن للفضاء المتجهي V أساسهـ1،هـ2،...،هـن{\displaystyle \mathbf {e} _{1},\mathbf {e} _{2},\dots ,\mathbf {e} _{n}}، ليس بالضرورة متعامدًا . ثم الفضاء الثنائيV*{\displaystyle V^{*}}له أساسω~1،ω~2،...،ω~ن{\displaystyle {\tilde {\omega }}^{1},{\tilde {\omega }}^{2},\dots ,{\tilde {\omega }}^{n}}يُطلق عليه الأساس الثنائي المحدد بالخاصية الخاصة التي ω~أنا(هـج)={1لو أنا=ج0لو أناج.{\displaystyle {\tilde {\omega }}^{i}(\mathbf {e} _{j})={\begin{cases}1&{\text{if}}\ i=j\\0&{\text{if}}\ i\neq j.\end{cases}}}

أو باختصار أكثر، ω~أنا(هـج)=دلتاأناج{\displaystyle {\tilde {\omega }}^{i}(\mathbf {e} _{j})=\delta _{ij}}

أيندلتاأناج{\displaystyle \delta _{ij}}هي دالة كرونكر دلتا . هنا، لا تمثل الأرقام العلوية للدوال الأساسية الأسس، بل هي مؤشرات متغايرة .

دالة خطيةu~{\displaystyle {\tilde {u}}}ينتمي إلى الفضاء المزدوجV~{\displaystyle {\tilde {V}}}يمكن التعبير عنها كمزيج خطي من الدوال الأساسية، بمعاملات (مكونات) u i ، u~=أنا=1نuأناω~أنا.{\displaystyle {\tilde {u}}=\sum _{i=1}^{n}u_{i}\,{\tilde {\omega }}^{i}.}

ثم تطبيق الوظيفةu~{\displaystyle {\tilde {u}}}إلى متجه أساسيهـج{\displaystyle \mathbf {e} _{j}}العائد u~(هـج)=أنا=1ن(uأناω~أنا)هـج=أناuأنا[ω~أنا(هـج)]{\displaystyle {\tilde {u}}(\mathbf {e} _{j})=\sum _{i=1}^{n}\left(u_{i}\,{\tilde {\omega }}^{i}\right)\mathbf {e} _{j}=\sum _{i}u_{i}\left[{\tilde {\omega }}^{i}\left(\mathbf {e} _{j}\right)\right]}

بسبب خطية المضاعفات العددية للدوال وخطية مجاميع الدوال عند نقاط محددة. u~(هـج)=أناuأنا[ω~أنا(هـج)]=أناuأنادلتاأناج=uج.{\displaystyle {\begin{aligned}{\tilde {u}}({\mathbf {e} }_{j})&=\sum _{i}u_{i}\left[{\tilde {\omega }}^{i}\left({\mathbf {e} }_{j}\right)\right]\\&=\sum _{i}u_{i}{\delta }_{ij}\\&=u_{j}.\end{aligned}}}

لذا يمكن استخراج كل مكون من مكونات الدالة الخطية عن طريق تطبيق الدالة على متجه الأساس المقابل.

الأساس المزدوج والمنتج الداخلي

عندما يحمل الفضاء V جداءً داخليًا ، فإنه من الممكن كتابة صيغة صريحة للأساس الثنائي لأساس معين. ليكن V أساسًا (ليس بالضرورة متعامدًا).هـ1،...،هـن.{\displaystyle \mathbf {e} _{1},\dots ,\mathbf {e} _{n}.}في ثلاثة أبعاد ( n = 3 )، يمكن كتابة الأساس الثنائي بشكل صريح. ω~أنا(v)=12ج=13ك=13εأناجك(هـج×هـك)هـ1هـ2×هـ3،v،{\displaystyle {\tilde {\omega }}^{i}(\mathbf {v} )={\frac {1}{2}}\left\langle {\frac {\sum _{j=1}^{3}\sum _{k=1}^{3}\varepsilon ^{ijk}\,(\mathbf {e} _{j}\times \mathbf {e} _{k})}{\mathbf {e} _{1}\cdot \mathbf {e} _{2}\times \mathbf {e} _{3}}},\mathbf {v} \right\rangle ,} لأنا=1،2،3،{\displaystyle i=1,2,3,}حيث ε هو رمز ليفي-تشيفيتا و،{\displaystyle \langle \cdot ,\cdot \rangle }الضرب الداخلي (أو الضرب النقطي ) على V.

في الأبعاد الأعلى، يُعمم هذا على النحو التالي: ω~أنا(v)=1أنا2<أنا3<<أناننεأناأنا2...أنان(هـأنا2هـأنان)(هـ1هـن)،v،{\displaystyle {\tilde {\omega }}^{i}(\mathbf {v} )=\left\langle {\frac {\sum _{1\leq i_{2}<i_{3}<\dots <i_{n}\leq n}\varepsilon ^{ii_{2}\dots i_{n}}(\star \mathbf {e} _{i_{2}}\wedge \cdots \wedge \mathbf {e} _{i_{n}})}{\star (\mathbf {e} _{1}\wedge \cdots \wedge \mathbf {e} _{n})}},\mathbf {v} \right\rangle ,} أين{\displaystyle \star }هو مشغل النجم هودج .

فوق خاتم

تُعدّ الوحدات النمطية على حلقة تعميمات للفضاءات المتجهة، مما يُزيل شرط انتماء المعاملات إلى حقل . إذا كانت لدينا وحدة نمطية M على حلقة R ، فإنّ الصيغة الخطية على M هي دالة خطية من M إلى R ، حيث تُعتبر الأخيرة وحدة نمطية على نفسها. يُرمز دائمًا إلى فضاء الصيغ الخطية بـ Hom k ( V , k ) ، سواءً كان k حقلًا أم لا. ويُسمى هذا الفضاء وحدة نمطية يمينية إذا كانت V وحدة نمطية يسارية.

إن وجود أشكال خطية "كافية" على وحدة نمطية يعادل خاصية الإسقاط . [ 9 ]

مبرهنة الأساس المزدوج - يكون النموذج R-النمطي M إسقاطيًا إذا وفقط إذا وُجدت مجموعة جزئيةأم{\displaystyle A\subset M}والأشكال الخطية{وأ|أأ}{\displaystyle \{f_{a}\mid a\in A\}}بحيث يكون لكلxم،{\displaystyle x\in M,}عدد محدود فقطوأ(x){\displaystyle f_{a}(x)}وهي غير صفرية، و x=أأوأ(x)أ{\displaystyle x=\sum _{a\in A}{f_{a}(x)a}}

تغيير المجال

لنفترض أنX{\displaystyle X}هو فضاء متجهي علىج.{\displaystyle \mathbb {C} .}تقييد عملية الضرب القياسي لـR{\displaystyle \mathbb {R} }يؤدي إلى فضاء متجهي حقيقي [ 10 ]XR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}يُطلق عليه تحقيقX.{\displaystyle X.} أي فضاء متجهيX{\displaystyle X}زيادةج{\displaystyle \mathbb {C} }وهو أيضًا فضاء متجهي علىR،{\displaystyle \mathbb {R} ,}مزود ببنية معقدة ؛ أي أنه يوجد فضاء متجهي حقيقي جزئيXR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}بحيث يمكننا (رسمياً) أن نكتبX=XRXRأنا{\displaystyle X=X_{\mathbb {R} }\oplus X_{\mathbb {R} }i}مثلR{\displaystyle \mathbb {R} }فضاءات المتجهات.

الدوال الخطية الحقيقية مقابل الدوال الخطية المعقدة

كل دالة خطية علىX{\displaystyle X}هي ذات قيم مركبة بينما كل دالة خطية علىXR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}ذات قيمة حقيقية. إذاخافتX0{\displaystyle \dim X\neq 0}ثم دالة خطية على أي منX{\displaystyle X}أوXR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}غير تافه (بمعنى ليس متطابقًا)0{\displaystyle 0}) إذا وفقط إذا كانت شاملة (لأن إذاφ(x)0{\displaystyle \varphi (x)\neq 0}ثم لأي كمية قياسيةs،{\displaystyle s,}φ((s/φ(x))x)=s{\displaystyle \varphi \left((s/\varphi (x))x\right)=s}حيث صورة دالة خطية علىX{\displaystyle X}يكونج{\displaystyle \mathbb {C} }بينما صورة الدالة الخطية علىXR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}يكونR.{\displaystyle \mathbb {R} .} وبالتالي، فإن الوظيفة الوحيدة علىX{\displaystyle X}هذا دالة خطية علىX{\displaystyle X}ودالة خطية علىXR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}هي الدالة التافهة؛ بعبارة أخرى،X8XR8={0}،{\displaystyle X^{\#}\cap X_{\mathbb {R} }^{\#}=\{0\},}أين8{\displaystyle \,{\cdot }^{\#}}يشير إلى الفضاء الثنائي الجبري للفضاء . ومع ذلك، كلج{\displaystyle \mathbb {C} }- دالة خطية علىX{\displaystyle X}هوR{\displaystyle \mathbb {R} }-مؤثر خطي (بمعنى أنه جمعي ومتجانس علىR{\displaystyle \mathbb {R} })، ولكن ما لم يكن متطابقًا تمامًا0،{\displaystyle 0,}ليس كذلكR{\displaystyle \mathbb {R} }- دالة خطية علىX{\displaystyle X}لأن مداها (وهوج{\displaystyle \mathbb {C} }) ثنائي الأبعاد علىR.{\displaystyle \mathbb {R} .}وعلى العكس من ذلك، فإن القيمة غير الصفريةR{\displaystyle \mathbb {R} }- الدالة الخطية لها مدى صغير جدًا بحيث لا يمكن اعتبارهاج{\displaystyle \mathbb {C} }-الدوال الخطية أيضًا.

الأجزاء الحقيقية والخيالية

لوφX8{\displaystyle \varphi \in X^{\#}}ثم نرمز إلى الجزء الحقيقي منه بـφR:=يكررφ{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }:=\operatorname {Re} \varphi }وجزئها الخيالي بواسطةφأنا:=أناφ.{\displaystyle \varphi _{i}:=\operatorname {Im} \varphi .} ثمφR:XR{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }:X\to \mathbb {R} }وφأنا:XR{\displaystyle \varphi _{i}:X\to \mathbb {R} }هي دوال خطية علىXR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}وφ=φR+أناφأنا.{\displaystyle \varphi =\varphi _{\mathbb {R} }+i\varphi _{i}.} حقيقة أنz=يكررz-أنايكرر(أناz)=أنا(أناz)+أناأناz{\displaystyle z=\operatorname {Re} z-i\operatorname {Re} (iz)=\operatorname {Im} (iz)+i\operatorname {Im} z}للجميعzج{\displaystyle z\in \mathbb {C} }وهذا يعني أنه بالنسبة للجميعxX،{\displaystyle x\in X,}[ 10 ]φ(x)=φR(x)-أناφR(أناx)=φأنا(أناx)+أناφأنا(x){\displaystyle {\begin{alignedat}{4}\varphi (x)&=\varphi _{\mathbb {R} }(x)-i\varphi _{\mathbb {R} }(ix)\\&=\varphi _{i}(ix)+i\varphi _{i}(x)\\\end{alignedat}}} وبالتالي، فإنφأنا(x)=-φR(أناx){\displaystyle \varphi _{i}(x)=-\varphi _{\mathbb {R} }(ix)}وφR(x)=φأنا(أناx).{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }(x)=\varphi _{i}(ix).}[ 11 ]

المهمةφφR{\displaystyle \varphi \mapsto \varphi _{\mathbb {R} }}يُعرّف الدالة التقابلية [ 11 ]R{\displaystyle \mathbb {R} }عامل خطيX8XR8{\displaystyle X^{\#}\to X_{\mathbb {R} }^{\#}}والتي معكوسها هو الخريطةل:XR8X8{\displaystyle L_{\bullet }:X_{\mathbb {R} }^{\#}\to X^{\#}}محدد من خلال التعيينزلز{\displaystyle g\mapsto L_{g}}هذا يرسلز:XRR{\displaystyle g:X_{\mathbb {R} }\to \mathbb {R} }إلى الدالة الخطيةلز:Xج{\displaystyle L_{g}:X\to \mathbb {C} }محدد بواسطة لز(x):=ز(x)-أناز(أناx) للجميع xX.{\displaystyle L_{g}(x):=g(x)-ig(ix)\quad {\text{ for all }}x\in X.} الجزء الحقيقي منلز{\displaystyle L_{g}}يكونز{\displaystyle g}والتقابلل:XR8X8{\displaystyle L_{\bullet }:X_{\mathbb {R} }^{\#}\to X^{\#}}هوR{\displaystyle \mathbb {R} }عامل خطي، بمعنى أنلز+ح=لز+لح{\displaystyle L_{g+h}=L_{g}+L_{h}}ولرز=رلز{\displaystyle L_{rg}=rL_{g}}للجميعرR{\displaystyle r\in \mathbb {R} }وز،حXR8.{\displaystyle g,h\in X_{\mathbb {R} }^{\#}.}[ 11 ] وبالمثل بالنسبة للجزء التخيلي، فإن التعيينφφأنا{\displaystyle \varphi \mapsto \varphi _{i}}يحفزR{\displaystyle \mathbb {R} }-التقابل الخطيX8XR8{\displaystyle X^{\#}\to X_{\mathbb {R} }^{\#}}والتي معكوسها هو الخريطةXR8X8{\displaystyle X_{\mathbb {R} }^{\#}\to X^{\#}}يتم تحديده عن طريق الإرسالأناXR8{\displaystyle I\in X_{\mathbb {R} }^{\#}}إلى الدالة الخطية علىX{\displaystyle X}محدد بواسطةxأنا(أناx)+أناأنا(x).{\displaystyle x\mapsto I(ix)+iI(x).}

اكتشف هنري لويغ هذه العلاقة عام 1934 (مع أنها تُنسب عادةً إلى ف. موراي)، [ 12 ] ويمكن تعميمها على أي امتدادات منتهية لحقل ما بطريقة طبيعية. ولها العديد من النتائج المهمة، سنشرح بعضها الآن.

الخصائص والعلاقات

يفترضφ:Xج{\displaystyle \varphi :X\to \mathbb {C} }دالة خطية علىX{\displaystyle X}مع جزء حقيقيφR:=يكررφ{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }:=\operatorname {Re} \varphi }وجزء خياليφأنا:=أناφ.{\displaystyle \varphi _{i}:=\operatorname {Im} \varphi .}

ثمφ=0{\displaystyle \varphi =0}إذا وفقط إذاφR=0{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }=0}إذا وفقط إذاφأنا=0.{\displaystyle \varphi _{i}=0.}

افترض أنX{\displaystyle X}هو فضاء متجهي طوبولوجي . إذنφ{\displaystyle \varphi }تكون متصلة إذا وفقط إذا كان الجزء الحقيقيφR{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }}تكون متصلة، إذا وفقط إذاφ{\displaystyle \varphi }الجزء الخياليφأنا{\displaystyle \varphi _{i}}متصلة. أي أن جميع الثلاثةφ،φR،{\displaystyle \varphi ,\varphi _{\mathbb {R} },}وφأنا{\displaystyle \varphi _{i}}إما أن تكون متصلة أو لا تكون أي منها متصلة. ويبقى هذا صحيحًا حتى لو استُبدلت كلمة "متصلة" بكلمة " محدودة ". على وجه الخصوص،φX{\displaystyle \varphi \in X^{\prime }}إذا وفقط إذاφRXR{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }\in X_{\mathbb {R} }^{\prime }}حيث تشير العلامة (') إلى الفضاء الثنائي المستمر للفضاء . [ 10 ]

يتركبX.{\displaystyle B\subseteq X.}لوuبب{\displaystyle uB\subseteq B}لجميع الكميات القياسيةuج{\displaystyle u\in \mathbb {C} }وحدة طول (بمعنى|u|=1{\displaystyle |u|=1}) ثم [ الإثبات 1 ] [ 13 ]رشفةبب|φ(ب)|=رشفةبب|φR(ب)|.{\displaystyle \sup _{b\in B}|\varphi (b)|=\sup _{b\in B}\left|\varphi _{\mathbb {R} }(b)\right|.} وبالمثل، إذاφأنا:=أناφ:XR{\displaystyle \varphi _{i}:=\operatorname {Im} \varphi :X\to \mathbb {R} }يشير إلى الجزء المعقد منφ{\displaystyle \varphi }ثمأنابب{\displaystyle iB\subseteq B}يشير إلىرشفةبب|φR(ب)|=رشفةبب|φأنا(ب)|.{\displaystyle \sup _{b\in B}\left|\varphi _{\mathbb {R} }(b)\right|=\sup _{b\in B}\left|\varphi _{i}(b)\right|.} لوX{\displaystyle X}هو فضاء معياري ذو معيار{\displaystyle \|\cdot \|}وإذاب={xX:x1}{\displaystyle B=\{x\in X:\|x\|\leq 1\}}إذا كانت الكرة المغلقة ذات الوحدة هي ، فإن القيم العليا المذكورة أعلاه هي معايير المؤثرات (المعرفة بالطريقة المعتادة) لـφ،φR،{\displaystyle \varphi ,\varphi _{\mathbb {R} },}وφأنا{\displaystyle \varphi _{i}}بحيث [ 13 ]φ=φR=φأنا.{\displaystyle \|\varphi \|=\left\|\varphi _{\mathbb {R} }\right\|=\left\|\varphi _{i}\right\|.} يمتد هذا الاستنتاج إلى البيان المماثل للأقطاب الخاصة بالمجموعات المتوازنة في فضاءات المتجهات الطوبولوجية العامة .

  • لوX{\displaystyle X}هو فضاء هيلبرت معقد ذو جداء داخلي (معقد)|{\displaystyle \langle \,\cdot \,|\,\cdot \,\rangle }أي أن الدالة مضادة للخطية في إحداثيتها الأولى (وخطية في الثانية)XR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}يصبح فضاء هيلبرت حقيقيًا عندما يُزوَّد بالجزء الحقيقي من|.{\displaystyle \langle \,\cdot \,|\,\cdot \,\rangle .}بشكل صريح، هذا المنتج الداخلي الحقيقي علىXR{\displaystyle X_{\mathbb {R} }}يتم تعريفها بواسطةx|yR:=يكررx|y{\displaystyle \langle x|y\rangle _{\mathbb {R} }:=\operatorname {Re} \langle x|y\rangle }للجميعx،yX{\displaystyle x,y\in X}ويفرض ذلك نفس المعيار علىX{\displaystyle X}مثل|{\displaystyle \langle \,\cdot \,|\,\cdot \,\rangle }لأنx|xR=x|x{\displaystyle {\sqrt {\langle x|x\rangle _{\mathbb {R} }}}={\sqrt {\langle x|x\rangle }}}لجميع المتجهاتx.{\displaystyle x.}تطبيق نظرية تمثيل ريز علىφX{\displaystyle \varphi \in X^{\prime }}(ردًا علىφRXR{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }\in X_{\mathbb {R} }^{\prime }}يضمن وجود متجه فريدوφX{\displaystyle f_{\varphi }\in X}(على التوالي)وφRXR{\displaystyle f_{\varphi _{\mathbb {R} }}\in X_{\mathbb {R} }}) بحيثφ(x)=وφ|x{\displaystyle \varphi (x)=\left\langle f_{\varphi }|\,x\right\rangle }(على التوالي)φR(x)=وφR|xR{\displaystyle \varphi _{\mathbb {R} }(x)=\left\langle f_{\varphi _{\mathbb {R} }}|\,x\right\rangle _{\mathbb {R} }}) لجميع المتجهاتx.{\displaystyle x.}تضمن النظرية أيضًا أنوφ=φX{\displaystyle \left\|f_{\varphi }\right\|=\|\varphi \|_{X^{\prime }}}ووφR=φRXR.{\displaystyle \left\|f_{\varphi _{\mathbb {R} }}\right\|=\left\|\varphi _{\mathbb {R} }\right\|_{X_{\mathbb {R} }^{\prime }}.}من السهل التحقق من ذلكوφ=وφR.{\displaystyle f_{\varphi }=f_{\varphi _{\mathbb {R} }}.}الآنوφ=وφR{\displaystyle \left\|f_{\varphi }\right\|=\left\|f_{\varphi _{\mathbb {R} }}\right\|}وتدل المساواة السابقة على أنφX=φRXR،{\displaystyle \|\varphi \|_{X^{\prime }}=\left\|\varphi _{\mathbb {R} }\right\|_{X_{\mathbb {R} }^{\prime }},}وهو نفس الاستنتاج الذي تم التوصل إليه أعلاه.

في أبعاد لا نهائية

فيما يلي، جميع الفضاءات المتجهة تقع إما على الأعداد الحقيقيةR{\displaystyle \mathbb {R} }أو الأعداد المركبةج.{\displaystyle \mathbb {C} .}

لوV{\displaystyle V}إذا كان فضاء متجهًا طوبولوجيًا ، فإن فضاء الدوال الخطية المتصلة - الفضاء الثنائي المتصل - يُطلق عليه غالبًا ببساطة اسم الفضاء الثنائي.V{\displaystyle V}إذا كان الفضاء فضاءً باناخياً ، فإن فضاءه الثنائي (المتصل) هو أيضاً فضاء باناخي. ولتمييز الفضاء الثنائي العادي عن الفضاء الثنائي المتصل، يُطلق على الأول أحياناً اسم الفضاء الثنائي الجبري . في الأبعاد المحدودة، تكون كل دالة خطية متصلة، لذا فإن الفضاء الثنائي المتصل هو نفسه الفضاء الثنائي الجبري، أما في الأبعاد غير المحدودة، فيُعدّ الفضاء الثنائي المتصل فضاءً جزئياً حقيقياً من الفضاء الثنائي الجبري.

تكون الدالة الخطية f على فضاء متجهي طوبولوجي X (ليس بالضرورة محدبًا محليًا ) متصلة إذا وفقط إذا وُجد شبه معيار متصل p على X بحيث|و|ص.{\displaystyle |f|\leq p.}[ 14 ]

توصيف الفضاءات الفرعية المغلقة

تتمتع الدوال الخطية المتصلة بخصائص جيدة للتحليل : فالدالة الخطية تكون متصلة إذا وفقط إذا كانت نواتها مغلقة، [ 15 ] والدالة الخطية المتصلة غير التافهة هي دالة مفتوحة ، حتى لو لم يكن الفضاء المتجهي (الطوبولوجي) كاملاً. [ 16 ]

المستويات الفائقة والفضاءات الفرعية القصوى

فضاء متجهي جزئيم{\displaystyle M}لX{\displaystyle X}يُطلق عليه اسم الحد الأقصى إذامX{\displaystyle M\subsetneq X}(معنىمX{\displaystyle M\subseteq X}ومX{\displaystyle M\neq X}) ولا يوجد فضاء جزئي متجهيشمال{\displaystyle N}لX{\displaystyle X}بحيثمشمالX.{\displaystyle M\subsetneq N\subsetneq X.}فضاء متجهي جزئيم{\displaystyle M}لX{\displaystyle X}تكون القيمة عظمى إذا وفقط إذا كانت نواة دالة خطية غير تافهة علىX{\displaystyle X}(إنه،م=كيرو{\displaystyle M=\ker f}لبعض الدوال الخطيةو{\displaystyle f}علىX{\displaystyle X}أي ليس صفرًا تمامًا ). مستوى فائق أفيني فيX{\displaystyle X}هي ترجمة لفضاء متجهي جزئي أقصى. وبحسب الخطية، فإن مجموعة جزئيةح{\displaystyle H}لX{\displaystyle X}يكون المستوى الفائق أفينيًا إذا وفقط إذا وُجدت دالة خطية غير تافهةو{\displaystyle f}علىX{\displaystyle X}بحيثح=و-1(1)={xX:و(x)=1}.{\displaystyle H=f^{-1}(1)=\{x\in X:f(x)=1\}.}[ 12 ] إذاو{\displaystyle f}هي دالة خطية وs0{\displaystyle s\neq 0}إذا كان كمية قياسيةو-1(s)=s(و-1(1))=(1sو)-1(1).{\displaystyle f^{-1}(s)=s\left(f^{-1}(1)\right)=\left({\frac {1}{s}}f\right)^{-1}(1).}يمكن استخدام هذه المساواة لربط مجموعات المستويات المختلفة منو.{\displaystyle f.}علاوة على ذلك، إذاو0{\displaystyle f\neq 0}ثم نواةو{\displaystyle f}يمكن إعادة بنائها من المستوى الفائق الأفينيح:=و-1(1){\displaystyle H:=f^{-1}(1)}بواسطةكيرو=ح-ح.{\displaystyle \ker f=H-H.}

العلاقات بين الدوال الخطية المتعددة

أي دالتين خطيتين لهما نفس النواة تكونان متناسبتين (أي مضاعفات قياسية لبعضهما البعض). ويمكن تعميم هذه الحقيقة إلى النظرية التالية.

النظرية [ 17 ] [ 18 ] إذاو،ز1،...،زن{\displaystyle f,g_{1},\ldots ,g_{n}}إذا كانت الدوال الخطية على X ، فإن ما يلي متكافئ:

  1. يمكن كتابة f كمزيج خطي منز1،...،زن{\displaystyle g_{1},\ldots ,g_{n}}أي أن هناك كميات قياسيةs1،...،sن{\displaystyle s_{1},\ldots ,s_{n}}بحيثsو=s1ز1++sنزن{\displaystyle sf=s_{1}g_{1}+\cdots +s_{n}g_{n}}؛
  2. أنا=1نكيرزأناكيرو{\displaystyle \bigcap _{i=1}^{n}\ker g_{i}\subseteq \ker f}؛
  3. يوجد عدد حقيقي r بحيث|و(x)|رالأعلىأنا|زأنا(x)|{\displaystyle |f(x)|\leq r\max _{i}|g_{i}(x)|}للجميعxX{\displaystyle x\in X}.

إذا كانت f دالة خطية غير تافهة على X ذات نواة N ،xX{\displaystyle x\in X}يرضيو(x)=1،{\displaystyle f(x)=1,}وإذا كانت U مجموعة جزئية متوازنة من X ، فإنشمال(x+يو)={\displaystyle N\cap (x+U)=\varnothing }إذا وفقط إذا|و(u)|<1{\displaystyle |f(u)|<1}للجميعuيو.{\displaystyle u\in U.}[ 16 ]

نظرية هان-باناخ

يمكن تمديد أي دالة خطية (جبرية) على فضاء جزئي متجهي إلى الفضاء بأكمله؛ على سبيل المثال، يمكن تمديد دوال التقييم الموصوفة أعلاه إلى فضاء المتجهات لكثيرات الحدود على جميعR.{\displaystyle \mathbb {R} .} مع ذلك، لا يمكن دائمًا إجراء هذا التوسيع مع الحفاظ على استمرارية الدالة الخطية. تُقدّم عائلة نظريات هان-باناخ الشروط التي يُمكن في ظلها إجراء هذا التوسيع. على سبيل المثال،

نظرية هان-باناخ للتمديد المسيطر [ 19 ] ( رودين 1991 ، النظرية 3.2) إذاص:XR{\displaystyle p:X\to \mathbb {R} }هي دالة شبه خطية ، وو:مR{\displaystyle f:M\to \mathbb {R} }دالة خطية على فضاء جزئي خطيمX{\displaystyle M\subseteq X}إذا كانت المجموعة التي يهيمن عليها p على M ، فإنه يوجد امتداد خطيF:XR{\displaystyle F:X\to \mathbb {R} }من f إلى الفضاء X بأكمله الذي يهيمن عليه p ، أي أنه يوجد دالة خطية F بحيث F(م)=و(م){\displaystyle F(m)=f(m)} للجميعمم،{\displaystyle m\in M,}و |F(x)|ص(x){\displaystyle |F(x)|\leq p(x)} للجميعxX.{\displaystyle x\in X.}

استمرارية متساوية لعائلات الدوال الخطية

ليكن X فضاءً متجهيًا طوبولوجيًا (TVS) ذو فضاء ثنائي متصلX.{\displaystyle X'.}

لأي مجموعة جزئية H منX،{\displaystyle X',}ما يلي متكافئ: [ 20 ]

  1. H متصلة بشكل متساوٍ ؛
  2. يقع H في المنطقة القطبية لبعض الجوار من0{\displaystyle 0}في X ؛
  3. المنطقة (ما قبل) القطبية لـ H هي جوار لـ0{\displaystyle 0}في X ؛

إذا كانت H مجموعة جزئية متساوية الاستمرارية منX{\displaystyle X'}إذن، فإن المجموعات التالية تكون أيضًا متساوية الاستمرارية: الإغلاق الضعيف* ، والغطاء المتوازن ، والغطاء المحدب ، والغطاء المحدب المتوازن . [ 20 ] علاوة على ذلك، تنص نظرية ألا أوغلو على أن الإغلاق الضعيف* لمجموعة فرعية متساوية الاستمرارية من X{\displaystyle X'}هي مجموعة ضعيفة-* متراصة (وبالتالي فإن كل مجموعة جزئية متساوية الاستمرارية تكون ضعيفة-* متراصة نسبيًا). [ 21 ] [ 20 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

الحواشي

  1. في بعض النصوص، تنعكس الأدوار وتُعرَّف المتجهات على أنها تحويلات خطية من المتجهات المرافقة إلى الكميات القياسية
  2. على سبيل المثال،و(1+1)=أ+2ر2أ+2ر=و(1)+و(1).{\displaystyle f(1+1)=a+2r\neq 2a+2r=f(1)+f(1).}

البراهين

  1. صحيح إذاب={\displaystyle B=\varnothing }لذا افترض خلاف ذلك. بما أن|يكررz||z|{\displaystyle \left|\operatorname {Re} z\right|\leq |z|}لجميع الكميات القياسيةzج،{\displaystyle z\in \mathbb {C} ,}ويترتب على ذلك أنرشفةxب|φR(x)|رشفةxب|φ(x)|.{\textstyle \sup _{x\in B}\left|\varphi _{\mathbb {R} }(x)\right|\leq \sup _{x\in B}|\varphi (x)|.}لوبب{\displaystyle b\in B}ثم دعرب0{\displaystyle r_{b}\geq 0}وuبج{\displaystyle u_{b}\in \mathbb {C} }أن يكون على هذا النحو|uب|=1{\displaystyle \left|u_{b}\right|=1}وφ(ب)=ربuب،{\displaystyle \varphi (b)=r_{b}u_{b},}أين إذارب=0{\displaystyle r_{b}=0}ثم خذuب:=1.{\displaystyle u_{b}:=1.}ثم|φ(ب)|=رب{\displaystyle |\varphi (b)|=r_{b}}ولأنφ(1uبب)=رب{\textstyle \varphi \left({\frac {1}{u_{b}}}b\right)=r_{b}}هو عدد حقيقي،φR(1uبب)=φ(1uبب)=رب.{\textstyle \varphi _{\mathbb {R} }\left({\frac {1}{u_{b}}}b\right)=\varphi \left({\frac {1}{u_{b}}}b\right)=r_{b}.}بافتراض1uببب{\textstyle {\frac {1}{u_{b}}}b\in B}لذا|φ(ب)|=ربرشفةxب|φR(x)|.{\textstyle |\varphi (b)|=r_{b}\leq \sup _{x\in B}\left|\varphi _{\mathbb {R} }(x)\right|.}منذبب{\displaystyle b\in B}إذا كان الأمر تعسفياً، فإن ذلك يترتب عليه أنرشفةxب|φ(x)|رشفةxب|φR(x)|.{\textstyle \sup _{x\in B}|\varphi (x)|\leq \sup _{x\in B}\left|\varphi _{\mathbb {R} }(x)\right|.}{\displaystyle \blacksquare }

مراجع

  1. أكسلر (2015) ص 101، §3.92
  2. 1 2 Tu (2011) ص. 19، §3.1
  3. ^ كاتسنلسون وكاتسنلسون (2008) ص. 37، §2.1.3
  4. أكسلر (2015) ص 101، §3.94
  5. هالموس (1974) ص 20، §13
  6. ميسنر، تشارلز و.؛ ثورن، كيب س.؛ ويلر، جون أرشيبالد؛ كايزر، ديفيد آي. (2017). الجاذبية (  الطبعة الأولى). برينستون أكسفورد: مطبعة جامعة برينستون. ص  53. ISBN 978-0-691-17779-3.
  7. لاكس 1996
  8. ميسنر، ثورن وويلر (1973) ص 57
  9. كلارك، بيت ل. الجبر التبادلي (ملف PDF) . غير منشور. اللمة 3.12.
  10. 1 2 3 رودين 1991 ، ص 57.
  11. 1 2 3 ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص 9-11.
  12. 1 2 ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص 10-11.
  13. 1 2 ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص 126-128.
  14. ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص 126.
  15. رودين 1991 ، النظرية 1.18
  16. 1 2 ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص. 128.
  17. رودين 1991 ، ص 63-64.
  18. ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص 1-18.
  19. ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص 177-220.
  20. 1 2 3 ناريسي وبيكنشتاين 2011 ، ص 225-273.
  21. Schaefer & Wolff 1999 ، النتيجة 4.3.

فهرس