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バナッハ空間とヒルベルト空間の違い

バナッハ空間とヒルベルト空間は関数解析の二大主役です。両者の違いと関係を整理します。

定義の違い

バナッハ空間

完備なノルム空間。ノルムは「長さ」を測るが、「角度」は測れない。

ヒルベルト空間

完備な内積空間。内積から でノルムが定まる。角度や直交も定義できる。

すべてのヒルベルト空間はバナッハ空間ですが、逆は成り立ちません。

判定方法:平行四辺形の法則

ノルムが内積から来ているかどうかは、平行四辺形の法則

で判定できます。これを満たせばヒルベルト空間、満たさなければ「バナッハ空間だがヒルベルト空間ではない」です。

空間ヒルベルト空間か
○
○
()×
(sup ノルム)×

構造の豊かさ

ヒルベルト空間には追加の構造があります。

直交性

で直交を定義。バナッハ空間では「直交」は意味をもちません。

正規直交基底

どんな元も正規直交基底で展開できます(フーリエ展開の一般化)。

射影定理

閉凸集合への最良近似が一意に存在します。バナッハ空間では存在も一意性も保証されません。

リースの表現定理

が成り立ちます。バナッハ空間では一般に です。

どちらを使うか

ヒルベルト空間で済む問題ならヒルベルト空間を使うべきです。構造が豊かなので、多くの定理が使えます。

しかし ()や など、自然にバナッハ空間になる状況も多いです。そのときはバナッハ空間の理論を使います。

量子力学やフーリエ解析ではヒルベルト空間(主に )が中心で、偏微分方程式の弱解理論ではソボレフ空間(ヒルベルト空間の場合とバナッハ空間の場合がある)を使います。