柯西-施瓦茨不等式 ∣⟨u,v⟩∣≤∥u∥∥v∥ 限定内积不会超出范数乘积,是夹角定义良定、三角不等式成立的总开关。
陈述
任意内积空间中:
∣⟨u,v⟩∣≤∥u∥∥v∥
等号成立当且仅当 u,v 线性相关。坐标形式即中学熟知的 (∑aibi)2≤(∑ai2)(∑bi2);积分形式 (∫fg)2≤∫f2∫g2;概率形式 ∣E[XY]∣2≤E[X2]E[Y2]——同一不等式的三种皮肤。
证明一行
对任意 t,0≤∥u+tv∥2=∥u∥2+2t⟨u,v⟩+t2∥v∥2;右端关于 t 的二次函数非负,判别式 ≤0 即得。
三个直接后果
| 后果 | 内容 |
|---|
| 夹角良定义 | cosθ=∥u∥∥v∥⟨u,v⟩∈[−1,1]——比值被压在区间内,正交与正交基的「垂直」才有意义 |
| 三角不等式 | ∥u+v∥≤∥u∥+∥v∥,即范数公理中的次可加性 |
| Bessel 不等式 | 投影系数平方和不超过 ∥x∥2,标准正交基展开的收敛性基石 |
应用
- Heisenberg 不确定性原理:位置-动量标准差乘积下界正是本不等式在量子态空间(酉几何)中的推论
- 机器学习:协方差不等式、相关系数 ∣ρ∣≤1、注意力打分上限皆是其变体
相关笔记
- 内积 — 不等式的母结构
- 正交与正交基 — 等号条件(线性相关)的另一端是正交(内积为零)
- 范数 — 由内积诱导,三角不等式由此保障