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数学 / cauchy-schwarz-inequality

柯西–施瓦茨不等式

柯西–施瓦茨不等式指出,两向量内积的绝对值不超过其范数之积,且当且仅当两向量线性相关时取等号。

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柯西–施瓦茨不等式是线性代数和数学分析中的一个基本不等式。它指出,两个向量的内积的绝对值不超过它们长度的乘积。其重要性在于,它用同一个原理统一描述了有限维向量、无穷序列、函数和随机变量所满足的关系。其一般形式为

∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥ ∥y∥.|\langle x,y\rangle|\leq \|x\|\,\|y\|.

这里的长度由内积诱导的范数来度量。(people.maths.ox.ac.uk)

表述与等号成立条件

设 VV 是一个定义在实数域或复数域上、配备了内积的向量空间。定义

∥x∥=⟨x,x⟩.\|x\|=\sqrt{\langle x,x\rangle}.

对任意 x,y∈Vx,y\in V,该不等式也可等价地写成

∣⟨x,y⟩∣2≤⟨x,x⟩⟨y,y⟩.|\langle x,y\rangle|^2 \leq \langle x,x\rangle\langle y,y\rangle.

等号成立当且仅当 xx 与 yy 线性相关:其中一个是另一个的标量倍数,或者至少有一个为零。因此,若两个非零向量线性无关,不等式就严格成立。这里不需要假设空间是有限维的或完备的;特别地,该结论在每个希尔伯特空间中都成立。(arxiv.org)

绝对值不可省略。实内积可能为负,而复内积不一定是实数。这个不等式约束的是内积的大小,而不是给复数规定大小次序。(people.maths.ox.ac.uk)

有限和与几何意义

对于欧几里得空间 Rn\mathbb R^n 中的向量 a,ba,b,由通常的点积可得

(∑i=1naibi)2≤(∑i=1nai2)(∑i=1nbi2).\left(\sum_{i=1}^{n}a_i b_i\right)^2 \leq \left(\sum_{i=1}^{n}a_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^{n}b_i^2\right).

对于复数坐标,对应的表达式为

∣∑i=1naibi‾∣2≤(∑i=1n∣ai∣2)(∑i=1n∣bi∣2),\left|\sum_{i=1}^{n}a_i\overline{b_i}\right|^2 \leq \left(\sum_{i=1}^{n}|a_i|^2\right) \left(\sum_{i=1}^{n}|b_i|^2\right),

其中横线表示复共轭。(linear.axler.net)

在实内积空间中,该不等式保证,对于非零向量,有

⟨x,y⟩∥x∥∥y∥∈[−1,1].\frac{\langle x,y\rangle}{\|x\|\|y\|}\in[-1,1].

因此,可以将这一比值作为夹角的余弦值,来定义两个向量之间的夹角。在通常的欧几里得几何学中,等号成立意味着两个向量沿同一直线,方向相同或相反。这个比值也是余弦相似度的基础。(ximera.osu.edu)

例如,取 a=(1,2)a=(1,2)、b=(3,4)b=(3,4),得到严格不等式 121≤125121\leq125。若将 bb 换成 (2,4)(2,4),则由于 b=2ab=2a,等号成立。

利用正交投影的证明

一种直接的数学证明利用了范数平方的非负性。约定内积对第一个变量是线性的。若 y=0y=0,结论显然成立。否则,令

c=⟨x,y⟩∥y∥2,z=x−cy.c=\frac{\langle x,y\rangle}{\|y\|^2}, \qquad z=x-cy.

则 ⟨z,y⟩=0\langle z,y\rangle=0。向量 cycy 是 xx 在由 yy 张成的直线上的正交投影。展开范数的平方可得

0≤∥z∥2=∥x∥2−∣⟨x,y⟩∣2∥y∥2.0\leq\|z\|^2 =\|x\|^2-\frac{|\langle x,y\rangle|^2}{\|y\|^2}.

两边乘以 ∥y∥2\|y\|^2,就证明了该不等式。等号成立当且仅当 z=0z=0,这也证明了等号成立的条件。这一论证对实数和复数标量都适用。(linear.axler.net)

实数情形下的另一种证明考虑如下非负的多项式:

∥x−ty∥2=∥x∥2−2t⟨x,y⟩+t2∥y∥2.\|x-ty\|^2 =\|x\|^2-2t\langle x,y\rangle+t^2\|y\|^2.

这个二次多项式的判别式不可能为正,由此可得同样的界。(people.maths.ox.ac.uk)

积分与无穷序列

在测度论中,平方可积函数构成L2L^2 空间,其内积为

⟨f,g⟩=∫Ωfg‾ dμ.\langle f,g\rangle=\int_\Omega f\overline g\,d\mu.

因此,

∣∫Ωfg‾ dμ∣≤(∫Ω∣f∣2 dμ)1/2(∫Ω∣g∣2 dμ)1/2.\left|\int_\Omega f\overline g\,d\mu\right| \leq \left(\int_\Omega|f|^2\,d\mu\right)^{1/2} \left(\int_\Omega|g|^2\,d\mu\right)^{1/2}.

由于 ∣fg∣|fg| 可积,乘积的积分是良定义的。等号成立意味着两个函数作为 L2L^2 中的元素线性相关;因此,只要求它们几乎处处成比例,而不必在每一点都成比例。平方可和的无穷序列满足类似的不等式,而且它们对应项乘积组成的级数绝对收敛。(tropp.caltech.edu)

概率与统计

对于同一概率空间上具有有限二阶矩的实值随机变量 X,YX,Y,取内积 ⟨X,Y⟩=E[XY]\langle X,Y\rangle=\mathbb E[XY],可得

∣E[XY]∣2≤E[X2]E[Y2],|\mathbb E[XY]|^2\leq\mathbb E[X^2]\mathbb E[Y^2],

其中 E\mathbb E 表示期望值。将这一结论应用于中心化后的变量,可得

∣Cov⁡(X,Y)∣≤Var⁡(X)Var⁡(Y).|\operatorname{Cov}(X,Y)| \leq \sqrt{\operatorname{Var}(X)\operatorname{Var}(Y)}.

因此,协方差的绝对值不超过两个标准差的乘积。当两个方差都为正时,衡量线性相关关系的皮尔逊相关系数介于 −1-1 与 11 之间。当且仅当中心化后的变量几乎必然成比例时,等号成立。(tropp.caltech.edu)

相关不等式

柯西–施瓦茨不等式可用于证明内积诱导的范数满足三角不等式:

∥x+y∥2≤∥x∥2+2∥x∥∥y∥+∥y∥2.\|x+y\|^2 \leq\|x\|^2+2\|x\|\|y\|+\|y\|^2.

两边开平方可得 ∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥\|x+y\|\leq\|x\|+\|y\|。这将内积空间的几何性质与赋范向量空间理论联系起来。(ximera.osu.edu)

它也是赫尔德不等式在 p=q=2p=q=2 时的特例;赫尔德不等式利用满足 1/p+1/q=11/p+1/q=1 的共轭指数来估计乘积的大小。与一般的赫尔德不等式不同,内积形式可以直接将等号成立的条件表述为线性相关。(math.ucla.edu)