向量范数的几何直观理解和等价定义——如何从几何上定义向量范数?

本文从几何角度深入探讨向量范数的直观理解,通过介绍单位球的性质阐述范数的正定性、齐次性和三角不等式。进一步,文章提出一个满足特定条件的凸集可以定义一个向量范数,反之亦然,并通过证明证明了这个映射确实符合范数的三条性质,从而提供了一种新的定义向量范数的方法。

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【一.向量范数的几何直观理解】
\quad我们知道,一个函数:f:Rn↦Rf:R^n\mapsto Rf:RnR 被称为RnR^nRn空间的一个范数,如果它满足以下三条性质:(以下以∥⋅∥\left\|\cdot\right\|来代表这个函数)
\quad(1)正定性:∥x∥≥0,∀x∈Rn\left\|x\right\|\geq0,\forall x\in R^nx0,xRn,且:∥x∥=0⟺x=0;\left\|x\right\|=0\Longleftrightarrow x=0;x=0x=0;
\quad(2)齐次性:∥cx∥=∣c∣⋅∥x∥,∀x∈Rn,c∈R;\left\|cx\right\|=|c|\cdot\left\|x\right\|,\forall x\in R^n,c\in R;cx=cx,xRn,cR;
\quad(3)三角不等式:∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥,∀x,y∈Rn;\left\|x+y\right\|\leq\left\|x\right\|+\left\|y\right\|,\forall x,y\in R^n;x+yx+y,x,yRn;

\quad接下来,我们将从几何角度理解范数:首先,在有一个范数的情况下,我们可以在RnR^nRn空间中画出一个单位球S≜{ x∣x∈Rn,∥x∥≤1}S\triangleq \{x|x\in R^n,\left\|x\right\|\leq1\}S{ xxRn,x1}.为了有一个简单的直观理解,我们给出二维情形下,几个常见范数的单位球图像:
二维下几个常见范数对应的单位凸球

\quad这个单位球显然有以下几个性质:
\quad(1)关于原点对称,即∀x∈S,\forall x\in S,xS,均有−x∈S;-x\in S;xS;
\quad

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