ノルムと距離


1  ノルム


$関数空間(ベクトル空間)の要素 \ x,\ y\ に対して、正または0(非負といいます)の実数 \ ||x||\ が定まり$

$\quad (1)\ \ ||x|| \geqq 0,\qquad ||x||=0 \Longleftrightarrow x=0$

$\quad (2)\ \ ||\alpha x||=|\alpha|||x|| \quad (\alpha は実数)$

$\quad (3)\ \ ||x+y|| \leqq ||x||+||y|| $

$をみたすとき、||x||をxのノルムといいます。$


$例1$

$区間 \ [0,\ 1]\ で連続な関数x(t)に対して$

\[||x||=\sup_{0 \leqq t \leqq 1} |x(t)|\]
$と定めると||x||はノルムとなる。$

$(証明)$

$(1),(2)は明らかなので、(3)を示します。$

$z=x+y \ \ とおくと$

$\quad |z(t)|=|x(t)+y(t)| \leqq |x(t)|+|y(t)| \leqq ||x||+||y||$

$これは \ [0,\ 1]\ のすべての実数tについて成りたつから、|z(t)|の上限(sup)についても成りたつ。$

$\quad \therefore ||z|| \leqq ||x||+||y||$

$よって  ||x+y|| \leqq ||x||+||y||$


$例2\ \ 2乗平均ノルム$

$関数f(x),g(x)は区間 [a,b]で積分可能とすると$
\[( f,\ g)=\int_a^bf(x)g(x)dx\] $は内積の公理をみたすから(内積については($内積$)をご覧ください。)$
$内積をもとに、\quad ||f||=\sqrt{( f,\ f)} \quad よりノルムをつくることができます。$

\[||f||= \sqrt{( f,f )}= \left\{\int_a^b|f(x)|^2dx\right\}^{\small{\cfrac{1}{2}}}\] $を2乗平均ノルムといいます。$

$とくに、( f,\ g)=0 \ \ のとき \ f(x)とg(x)は区間 \ [a,\ b]\ で直交するといいます。$

$関数の集合 \ \{\varphi_i(x)\}\ の任意の2つの関数が直交するとき、直交系をなすといいます。$

$また、||f||=1 \ \ のとき、f\ は正規化されているといいます。$

$直交系\{\varphi_i\}の各関数 \ \varphi_i \ が正規化されているとき、正規直交系といいます。$


2  距離


$2つのベクトルx,yに対して、非負の実数d(x,y)が定まり$

$(1)\ \ d(x,y) \geqq 0,\qquad d(x,y) =0 \Longleftrightarrow x=y$

$(2)\ \ d(x,y)=d(y,x)$

$(3)\ \ d(x,y)+d(y,z) \geqq d(x,z) $

$をみたすとき、d(x,y)をxとyの距離といいます。$

$とくに、(3)は三角不等式とよばれています。$


3  ノルムと距離


$d(x,y)=||x-y||\ \ で定めると$

$(2)について$

$\quad ||-z||=|-1|||z||=||z|| \quad だから \quad z=x-y \quad とおくと$

$\quad d(x,y)=||x-y||=||-(y-x)||=||y-x||=d(y,x)$

$(3)について$

$\quad d(x,z)=||x-z||=||x-y+y-z|| \leqq ||x-y||+||y-z||=d(x,y)+d(y,z)$

$したがって、ノルム空間は距離空間になります。$

$こうして、代数的なベクトルがノルムづけることによって数列の収束、極限を考える位相空間に発展していきます。$



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