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  • 数学:完全独立于实际场景的情况下定义的概念,可以正确的描述世界

         知乎上有一段回答[1]

    什么是赋范线性空间、内积空间,度量空间,希尔伯特空间 ? 现代数学的一个特点就是以集合为研究对象,这样的好处就是可以将很多不同问题的本质抽象出来,变成同一个问题,当然这样的坏处就是描述起来比较抽象,很多人就难以理解了。
    既然是研究集合,每个人感兴趣的角度不同,研究的方向也就不同。为了能有效地研究集合,必须给集合赋予一些“结构”(从一些具体问题抽象出来的结构)。
    从数学的本质来看,最基本的集合有两类:线性空间(有线性结构的集合)、度量空间(有度量结构的集合)。
    对线性空间而言,主要研究集合的描述,直观地说就是如何清楚地告诉地别人这个集合是什么样子。为了描述清楚,就引入了基(相当于三维空间中的坐标系)的概念,所以对于一个线性空间来说,只要知道其基即可,集合中的元素只要知道其在给定基下的坐标即可。
    但线性空间中的元素没有“长度”(相当于三维空间中线段的长度),为了量化线性空间中的元素,所以又在线性空间引入特殊的“长度”,即范数。赋予了范数的线性空间即称为赋犯线性空间。
    但赋范线性空间中两个元素之间没有角度的概念,为了解决该问题,所以在线性空间中又引入了内积的概念。
    因为有度量,所以可以在度量空间、赋范线性空间以及内积空间中引入极限,但抽象空间中的极限与实数上的极限有一个很大的不同就是,极限点可能不在原来给定的集合中,所以又引入了完备的概念,完备的内积空间就称为Hilbert空间。
    这几个空间之间的关系是:
    线性空间与度量空间是两个不同的概念,没有交集。
    赋范线性空间就是赋予了范数的线性空间,也是度量空间(具有线性结构的度量空间)
    内积空间是赋范线性空间
    希尔伯特空间就是完备的内积空间。

         在初等数学中,我们定义了四则运算法则;在现代数学中,我们引入了集合和元素的概念,定义了空间,向量,内积,范数等等概念 ---- 我们可能会感到疑惑,这些完全脱离实际应用场景的概念,为什么可以被应用到实际的分析中?

         其实这些数学概念和实际应用场景并没有任何关联,数字与现实世界中的对象的关联是人为建立的。一个数字或矩阵可以引用一个或者多个实体,数字引用哪一个实体取决于人的解释,数学上定义的关于数字的种种概念和操作:空间,向量,内积,范数等,它们能否正确描述实际应用场景取决于实践的检验。

         例如,数字、向量、矩阵、集合都是数学对象,它们常常被人们用来引用几何对象,如点、线段 ----- 注意同一个数字也可以引用不同实体。在对向量与线段进行简单的关联后,我们居然神奇的发现,可以用数学上定义的内积来正确判断两个线段是否垂直,也就是,事件 “两个向量内积等于0” 和事件 “两条关联的线段垂直” 总是同时发生或同时不发生。根据这个结论,我们就建立了向量内积和线段垂直关系的逻辑关系,我们的数学公式就正确的描述了现实场景。

    [1] 知乎:如何理解希尔伯特空间?

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