对偶空间

摘自知乎两个比较能够理解的回答

一、

作者:Hua Xiao
链接:https://www.zhihu.com/question/38464481/answer/132756971
来源:知乎
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“对偶空间”是“线性空间”,它里面的元素是“线性映射”。

仅仅是这句话就足以让许多人一头雾水了。为了理解它,我们先说说“集合”:所有的“线性空间”都是“集合”,然而“集合”未必都是“线性空间”。比如{帽子,足球,鱼香肉丝}这样的集合就很可能不是线性空间。那么问题来了——

什么样的集合,才可以被称作是线性空间呢?

答:如果某集合对加法和数乘封闭,也就是说
(1) 任意一个元素 加上 任意一个元素 结果仍然在集合里;
(2) 任意一个数 乘以 任意一个元素 结果仍然在集合里。
那这个集合就是一个线性空间。

比如,{0}这个集合只有一个元素,而且——
(1) 0 加上0,结果是0,在集合内;
(2) 任何数 乘以 0,结果是0,也在集合内。
所以{0}是一个线性空间。

而{0,1,2}这个集合,就很可能不是一个线性空间。因为1加上2,结果是3, 而3却不在集合内。

如果你能够在{0,1,2}这个集合上,自己定义一种特殊的“加法”和“数乘”,在——满足交换律、结合律、乘法分配律,具备加法恒等元、加法逆、乘法恒等元——的前提下,还能使得{0,1,2}中所有的元素满足对加法和数乘封闭的条件,那么{0,1,2}就可以被看做是线性空间。当然,你也看出来了,这并不容易想到怎么做。事实上,我们习以为常的线性空间是很特殊的集合。

我们已经搭好了“线性空间”的概念,它就像游戏的场景,有了它我们才可以尽情的玩耍。下面来看一个更有意思的东西——线性映射。

我们继续用{0}这个最简单的线性空间,
然后给出一个线性映射——把{0}中的所有元素(也就是0啦)乘以1
0\rightarrow 0
然后又给出一个线性映射——把{0}中的所有元素乘以2
0\rightarrow 0
然后又双叒叕给出一个线性映射——把{0}中的所有元素乘以3
0\rightarrow 0
……

我们很快就发现,{0}这个线性空间上的线性映射竟然有无穷多个!如果我们这无穷多个映射放在一个集合里:{线性映射一,线性映射二,线性映射三…… },那么,这个由“线性映射”构成的集合,是否也是一个线性空间?

答案竟然是yes!而且它就是{0}的对偶空间

等一下——
如果这个集合是个线性空间,那么根据上文,它必须对加法和数乘封闭。可是数字之间相加,比如1+2,很好理解,线性映射也能相加吗?怎么加,结果是什么?

注意,上文中提到:

……你能自己定义一种特别的“加法”和“数乘”,在——满足交换律、结合律、乘法分配律,具备加法恒等元、加法逆、乘法恒等元——的前提下……

也就是说,我们可以在线性映射的集合上定义“线性映射的加法”!只要能满足那些要求就可以了!
下面用个例子来描述一下“线性映射之间的加法”:

线性映射二:x \rightarrow2x , 线性映射三:x \rightarrow 3x,那么:
线性映射二 加上 线性映射三等于 一个新的线性映射:x \rightarrow2x+3x

不难发现,这个定义是满足加法的那一票要求的。有了加法的定义,我们乘胜追击,再用个例子来描述一个数和线性映射相乘,

线性映射一:x \rightarrowx , 那么:
3 乘以 线性映射一等于 一个新的线性映射:x \rightarrow3x

然后就可以发现,{0}上的所有线性映射的集合:{线性映射一,线性映射二,线性映射三…… }
对加法和数乘封闭,也就是说,它也是一个线性空间,于是我们把它叫做{0}的对偶空间。

再回头看看本回答的第一句话:“对偶空间”是“线性空间”,它里面的元素是“线性映射”,这句话里其实还隐含了一个信息:我们在对偶空间里,定义了线性映射的加法以及数乘。

最后,更准确的说,对偶空间里的元素是“线性泛函”(linear functional),这是一种特殊的线性映射。

二、

怎么形象地理解对偶空间(Dual Vector Space)? - 马同学的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/38464481/answer/235672121

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