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泛函分析若干基本概念的理解
126
高等数学研究
STTjDIESINC0LLEGEMATHEMATICS
Vo1.13.No.1
Jan.,2010
泛函分析若干基本概念的理解
傅中志
(河海大学水利水电工程学院,南京,210098)
摘要本文结合工程问题对线性算子,算子的三种收敛性等泛函分析中若干基本概念进行了直观化的理
解,分别阐述了共轭算子在经济学中的含义及相伴算子在力学中的含义,通过将泛函分析中的基本概念还原到具
体学科中加深了对概念的理解.
关键词泛函分析;线性算子;收敛性;共轭算子;相伴算子.中图分类号0177
泛函分析是一门高度抽象,高度概括的数学
基础课,是现代数学分析的重要基础,因其在微分方
程,积分方程,变分法,量子力学等领域有广泛的应
用,国内大多数理工科院校将其作为非数学专业博士
课程开设.但是,由于这门课程的高度抽象性,往往使
不少初学者在诸多抽象概念和缺乏直观意义的定理
面前望而却步.笔者认为将泛函分析的基本概念和工
程或生活实际结合起来,对于这门课程的学习有很多
益处,不但能够加深对概念本身的理解,同时还能激
发学习兴趣,开拓研究思路.基于上述认识,笔者在学
习泛函分析过程中,对若干概念进行了探讨,形成
本文内容,详述于下.
1空间与算子
这部分内容将结合工程问题而讨论,首先给出工
程问题的一般模型[1],如图1所示.根据模型中的已
知项和待求项,可以将工程问题分为3种基本类型:
(1)已知输入和模型,求解输出,这就是所谓工
程正问题;
(2)已知输出和模型,反求输入,这就是所谓工
程反问题;
(3)已知输入和输出,求解模型,即所谓模型辨
识问题,试验资料基础上的建模过程也应划人此类.
圈圜圈图1工程问题的一般模型
从空间中定义距离的必要性开始,以空间y为
例,假设根据某一输入值(如试验得到的一组材料参
数)∈X,根据特定模型(算子丁)得到输出的预测
值为Y=Tx,而通过实测得到的真实输出为Y,一
收稿日期:2008一O2~23.
作者简介:傅中志(1984一),男,江苏南京人,在读博士研究生,研究方
向为水工结构工程.E—mail:fu—zhongzhi@hhu.cdu.cn
个重要的问题就是,如何定量计算模型预测的误差,
用以评价模型的优劣.
这个问题自然要求在空间y中定义描述两个元
素差异的距离概念.不同的问题定义的距离往往是不
同的.如金属加热后达到的温度分布p(x,Y,z)符合
预期分布P(z,Y,z)是指每一点的温度分布与预期
分布的差异都小于某足够小的正数e,即
maxlp(x,Y,)一P(,,z)I≤£.
再如,在自动控制理论中,考察一段信号z(t)与另一
段信号X.()之间的差别,常常转化为考虑两段信号
的能量差,即
rz
IEx(r)一z(r)].d
JO
定义距离最简单和最重要的途径就是引进范数,而引
进范数的线性空间就是赋范线性空间.
在一个空间上定义了距离后,接下来就产生了空间
关于所定义的距离是否完备的问题,为了说明完备空间
的基本哲学思想,这里以实数空间为例来讨论.以量测
一
根杆的长度为例,尽管每一次读数都只能精确到小数
点后的若干位(某个有理数),但是为了表达人类认识能
力的至上性,也就是说量测精度的提高是无限的这一基
本事实,我们必须引入无理数来表示一串有理数的极
限,假如没有无理数的概念,我们的测量精确程度就受
到了限制.有理数空间是不完备的,这意味着该空间中
存在一种可望而不可及的状态.一方面,我们承认对杆
的量测可以无限接近它的真实长度;另一方面,我们又
承认可能永远不能测量出杆的真实长度.从认识论角度
来讲,这是不彻底的可知论,甚至是一种不可知论的科
学态度.而在完备的实数空间中,其中元素不但可望而
且可及,这是一种彻底的可知论的科学态度,正因为此,
对于不完备的空间需要将其完备化.
在工程问题中,往往所考虑的影响因素非常多,
以混凝土大坝的位移和应力为例,其影响因素包括水
第13卷第1期傅中志:泛函分析若干基本概念的理解127
压力,温度,时效等.这些因素同时作用时大坝的位移
分布和应力分布难以直接计算,在这种情况下,解决
问题的思路是分别计算水压力,温度和时效对大坝位
移分布和应力分布的贡献,然后将其叠加起来.这里
我们自觉地利用了线性空间和线性算子的概念.线性
算子的概念无非就是说将某个复杂因素分解成若干
因素分别考虑,然后叠加起来的效果等同于直接考虑
这个复杂因素.这里给出线性算子丁的定义如下[2]:
Vz1,X2∈X,Vk1,k2∈K,
T五十kzxD—k1T(x1)+岛了).(1)
引入线性算子后,遇到的泛函分析中的第一个抽
象概念就是算子范数.在阐述其直观意义前,首先给
出算子范数的严密的数学定义
fI,r一【I
IITll—sup一
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