Гильбертово пространство
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Гильбертово пространство

Гильбертово пространство, математическое понятие, обобщающее понятие евклидова пространства на бесконечномерный случай. Возникло на рубеже 19 и 20 вв.(века) в виде естественного логического вывода из работ нем.(немецкий) математика Гильберта в результате обобщения фактов и методов, относящихся к разложениям функций в ортогональные ряды и к исследованию интегральных уравнений. Постепенно развиваясь, понятие «Г. п.» находило все более широкие приложения в различных разделах математики и теоретической физики; оно принадлежит к числу важнейших понятии математики.

загрузка...

  Первоначально Г. п. понималось как пространство последовательностей со сходящимся рядом квадратов (т. н. пространство l2). Элементами (векторами) такого пространства являются бесконечные числовые последовательности

  x = (x1, x2,..., xn,...)

  такие, что ряд x21 + x22 +... + х2n + ... сходится. Сумму двух векторов х + y и вектор lx, где l — действительное число, определяют естественным образом:

  x + y = (x1 + y1,..., xn + yn,...),

  lx = (lx1, lx2, ..., lxn,...)/

  Для любых векторов х, y Î l2 формула

  (x, y) = x1y1 + x2y2 + ... +xnyn + ...

  определяет их скалярное произведение, а под длиной (нормой) вектора х понимается неотрицательное число

 

  Скалярное произведение всегда конечно и удовлетворяет неравенству |(х, у)| £ ||x|| ||y||. Последовательность векторов хn называется сходящейся к вектору х, если ||хn—х|| ® 0 при n ® ¥. Многие определения и факты теории конечномерных евклидовых пространств переносятся и на Г. п. Например, формула

 

  где 0 £ j £ p определяет угол j между векторами х и у. Два вектора х и у называются ортогональными, если (х, у) = 0. Пространство l2 полно: всякая фундаментальная последовательность Коши элементов этого пространства (т. е. последовательность хn, удовлетворяющая условию ||хп—хm||® 0 при n, m ® ¥) имеет предел. В отличие от евклидовых пространств, Г. п. l2 бесконечномерно, т. е. в нём существуют бесконечные системы линейно независимых векторов; например, такую систему образуют единичные векторы

  e1 = (1, 0, 0,...), e2 = (0, 1, 0,...),...

  При этом для любого вектора x из l2 имеет место разложение

  x = x1e1 + x2e2 +...     (1)

  по системе .

  Другим важным примером Г. п. служит пространство l2 всех измеримых функций, заданных на некотором отрезке [a, b], для которых конечен интеграл

 

  понимаемый как интеграл в смысле Лебега. При этом функции, отличающиеся друг от друга лишь на множество меры нуль, считаются тождественными. Сложение функций и умножение их на число определяется обычным способом, а под скалярным произведением понимается интеграл

 

  Норма в этом случае равна

 

  Роль единичных векторов предыдущего примера здесь могут играть любые функции ji(x) из L2, обладающие свойствами ортогональности

 

  и нормированности

 

  а также следующим свойством замкнутости: если f(x) принадлежит L2 и

 

  то f(x) = 0 всюду, кроме множества меры нуль. На отрезке [0,2p] в качестве такой системы функций можно взять тригонометрическую систему

 

  Разложению (1) соответствует разложение функции f(x) из L2 в ряд Фурье

 

  сходящийся к f(x) по норме пространства L2. При этом для всякой функции f(x) выполняется равенство Парсеваля

 

  Соответствие между функциями f(x) из L2 и последовательностями их коэффициентов Фурье a0, a1, b1, a2, b2,... является взаимно однозначным отображением L2 на l2, сохраняющим операции сложения, умножения на числа, а также сохраняющим длины и скалярные произведения. Т. о., эти пространства изоморфны и изометричны, значит имеют одинаковое строение.

  В более широком смысле под Г. п. понимают произвольное линейное пространство, в котором задано скалярное произведение и которое является полным относительно нормы, порождаемой этим скалярным произведением. В зависимости от того, определено ли для элементов Г. п. Н умножение только на действительные числа или же элементы из Н можно умножать на произвольные комплексные числа, различают действительное и комплексное Г. п. В последнем случае под скалярным произведением понимают комплексную функцию (х, у), определённую для любой пары х, у элементов из Н и обладающую следующими свойствами:

  1) (х, х) = 0 в том и только том случае, если х = 0,

  2) (х, х) ³ 0 для любого x из Н,

  3) (х + у, z) = (x, z) + (у, z),

  4) (lx, у) = l(x, у) для любого комплексного числа l,

  5)

  где черта означает комплексно сопряжённую величину. Норма элемента х определяется равенством

 

  Комплексные Г. п. играют в математике и в её приложениях значительно большую роль, чем действительные Г. п. Одним из важнейших направлений теории Г. п. является изучение линейных операторов в Г. п. (см. Операторов теория). Именно с этим кругом вопросов связаны многочисленные применения Г. п. в теории дифференциальных и интегральных уравнений, теории вероятностей, квантовой механике и т. д.

  Лит.: Колмогоров А. Н., Фомин С. В., Элементы теории функций и функционального анализа, 2 изд., М., 1968; Люстерник Л. А., Соболев В. И., Элементы функционального анализа, 2 изд., М., 1965; Данфорд Н., Шварц Дж., Линейные операторы, т. 1 — Общая теория, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1962; Дэй М. М., Нормированные линейные пространства, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1961.

  Ю. В. Прохоров.