Đối với khái niệm tích vô hướng của các vectơ tọa độ, xem Tích vô hướng.
Trong toán học, một không gian tích trong hay không gian Hausdorff tiền Hilbert[1][2] là một không gian vectơ được trang bị một phép toán hai ngôi gọi là tích trong. Phép toán này liên kết mỗi cặp vectơ trong không gian với một đại lượng vô hướng gọi là tích trong của các vectơ, thường được ký hiệu bởi dấu bra-ket (ví dụ .)[3] Tích trong cho phép định nghĩa các khái niệm trực quan hình học như độ dài của một vectơ hay góc giữa hai vectơ. Chúng cũng cung cấp các cách định nghĩa tính trực giao giữa hai vectơ (tích trong bằng 0). Không gian tích trong tổng quát hóa không gian Euclid (trong đó tích trong chính là tích vô hướng[4]) cho các không gian vectơ với số chiều bất kỳ (có thể vô hạn), và được nghiên cứu trong giải tích hàm. Không gian tích trong trên trườngsố phức đôi khi được gọi là không gian unita. Khái niệm không gian vectơ với một tích trong lần đầu tiên được sử dụng bởi Giuseppe Peano, vào năm 1898.[5]
Một không gian tích trong thường tạo ra một chuẩn liên hệ với nó, (trong ảnh, |x| và |y| là các chuẩn của x và y), một cách chính tắc nó làm cho mọi không gian tích trong là không gian vectơ định chuẩn. Nếu không gian định chuẩn này cũng là một không gian Banach thì không gian tích trong được gọi là không gian Hilbert.[1] Nếu một không gian tích trong (H, ⟨·, ·⟩) không là không gian Hilbert thì nó có thể được "bổ sung" để trở thành không gian Hilbert (H, ⟨·, ·⟩H), gọi là làm đầy đủ hóa. Nói một cách rõ ràng, điều này nghĩa là H được nhúngtuyến tính và đẳng cự vào một không gian con trù mật của H và sao cho tích trong ⟨·, ·⟩H trên H là sự bổ sung liên tục của không gian tích trong ban đầu ⟨·, ·⟩.[1][6]
Nếu điều kiện (1) được thỏa mãn và nếu tích cũng là phản tuyến tính (còn gọi là tuyến tính liên hợp) đối với đối số thứ hai[note 2] thì được gọi là dạng nửa tuyến tính (sesquilinear form).[1]
Điều kiện (1) và (2) là các tính chất định nghĩa một dạng Hermite, là một loại đặc biệt của dạng nửa tuyến tính.[1] Một dạng nửa tuyến tính là Hermite khi và chỉ khi là thực với mọi x.[1] Cụ thể, từ điều kiện (2) suy ra rằng[note 4] là một số thực với mọi x.
Ba điều kiện trên là các tính chất định nghĩa một tích trong, đó là lý do tại sao tích trong đôi khi được định nghĩa (một cách tương đương) là một dạng Hermite xác định dương. Một tích trong có thể được định nghĩa một cách tương đương là một dạng nửa tuyến tính xác định dương.[1][note 5]
Giả thiết rằng (1) được thỏa mãn, điều kiện (3) cũng sẽ được thỏa mãn khi và chỉ khi hai điều kiện thêm (4) và (5) dưới đây được thỏa mãn:[6][1]
Các điều kiện (1), (2), và (4) là các tính chất định nghĩa một dạng Hermite nửa xác định dương, cho phép ta định nghĩa một nửa chuẩn trên V được cho bởi v ↦ √⟨v, v⟩. Nửa chuẩn này là một chuẩn khi và chỉ khi điều kiện (5) được thỏa mãn.
Với trường hợp tính đối xứng liên hợp được đơn giản về tính đối xứng, còn tính nửa tuyến tính trở thành tính song tuyến. Vì thế một tích trong trên một không gian vectơ thực là một dạng song tuyến tính đối xứng xác định dương. Tức là,
Một trường hợp đặc biệt thường gặp của tích trong là tích vô hướng của hai vectơ, thường được ký hiệu bởi dấu chấm ở giữa
Một số tác giả, đặc biệt trong lĩnh vực vật lý và đại số ma trận thường định nghĩa tích trong và dạng nửa tuyến tính nhưng với tính tuyến tính của nó là ở đối số thứ hai thay vì thứ nhất. Vậy đối số thứ nhất có tính tuyến tính liên hợp thay vì thứ hai. Trong các ngành này chúng ta thường viết tích trong là (ký hiệu bra-ket của cơ học lượng tử), tương ứng là y†x (tích vô hướng với quy ước lập tích ma trận AB, lấy hàng của A nhân cột của B).
Một số ví dụ
Số thực
Ví dụ đơn giản nhất là các số thực với tích thông thường giữa các số là tích trong[4]
Tích trong phức thường gặp nhất là tích vô hướng chính tắc phức, trong đó ma trận M được chọn là ma trận đơn vị.
Không gian Hilbert
Bài viết về không gian Hilbert có một số ví dụ về không gian tích trong, trong đó metric được tạo bởi tích trong tạo ra không gian metric đầy đủ. Một ví dụ của không gian tích trong tạo ra một metric không đầy đủ là không gian của các hàm giá trị phức liên tục và trên đoạn Tích trong của chúng là
Không gian này là không đầy đủ; lấy ví dụ, trên đoạn [−1; 1] với dãy hàm "bước" liên tục{ fk}k được xác định bởi:
Dãy này là một dãy Cauchy với chuẩn tạo bởi tích trong trước không hội tụ thành hàm liên tục.
Trong trường hợp này, ⟨X, X⟩ = 0 khi và chỉ khi Pr(X = 0) = 1 (tức là gần như chắc chắnX = 0). Định nghĩa tích trong dưới dạng giá trị kỳ vọng này còn có thể được mở rộng đối với các vectơ tự do.
Ma trận thực
Với hai ma trận thực vuông cùng cỡ, ⟨A, B⟩ ≝ tr(ABT) với chuyển vị chính là phép liên hợp, tức là
với đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi x và yphụ thuộc tuyến tính. Trong các tài liệu toán tiếng Nga, bất đẳng thức này còn được gọi là bất đẳng thức Cauchy–Bunyakovsky hay bất đẳng thức Cauchy–Bunyakovsky–Schwarz.
Hai vectơ là trực giao khi tích trong của chúng bằng 0.
Trong trường hợp không gian vectơ Euclid, là các không gian tích trong hữu hạn chiều trên trường số thực, tích vô hướng cho phép định nghĩa góc (không có chiều) của hai vectơ khác vectơ không bởi
Chứng minh đẳng thức này yêu cầu chỉ cần biểu diễn định nghĩa chuẩn theo tích trong và thực hiện nhân, sử dụng tính cộng cho từng thành phần.
Tên gọi Định lý Pythagoras bắt nguồn từ cách diễn giải trong hình học Euclid.
Đẳng thức Parseval
Sử dụng quy nạp với định lý Pythagoras ta có: nếu x1, …, xn là các vectơ trực giao, tức là ⟨xj, xk⟩ = 0 với các chỉ số phân biệt j, k, thì
Bất đẳng thức Ptolemy thực chất cũng là một điều kiện cần và đủ cho sự tồn tại một tích trong tương ứng với một chuẩn cho trước. Cụ thể, Isaac Jacob Schoenberg đã chứng minh vào năm 1952 rằng, cho một không gian thực xác định nửa chuẩn bất kỳ, nếu nửa chuẩn của nó thỏa mãn bất đẳng thức Plotemy thì nửa chuẩn đó chính là chuẩn liên kết với một tích trong.[13]
^By combining the linear in the first argument property with the conjugate symmetry property you get conjugate-linear in the second argument: This is how the inner product was originally defined and is still used in some old-school math communities. However, all of engineering and computer science, and most of physics and modern mathematics now define the inner product to be linear in the second argument and conjugate-linear in the first argument because this is more compatible with several other conventions in mathematics. Notably, for any inner product, there is some hermitian, positive-definite matrix such that (Here, is the conjugate transpose of )
^This means that and for all vectors x, y, and z and all scalars a.
^A bar over an expression denotes complex conjugation; e.g., is the complex conjugation of For real values, and conjugate symmetry is just symmetry.
^Recall that for any complex number c, c is a real number if and only if c = c. Using y = x in condition (2) gives which implies that is a real number.
^This is because condition (1) and positive-definiteness implies that is always a real number. And as mentioned before, a sesquilinear form is Hermitian if and only if is real for all x.
^Bigoni, Daniele (2015). “Appendix B: Probability theory and functional spaces”(PDF). Uncertainty Quantification with Applications to Engineering Problems (PhD). Technical University of Denmark. Truy cập ngày 5 tháng 9 năm 2017.
^Ouwehand, Peter (tháng 11 năm 2010). “Spaces of Random Variables”(PDF). AIMS. Bản gốc(PDF) lưu trữ ngày 5 tháng 9 năm 2017. Truy cập ngày 5 tháng 9 năm 2017.
^Siegrist, Kyle (1997). “không gian vectơ of Random Variables”. Random: Probability, Mathematical Statistics, Stochastic Processes. Truy cập ngày 5 tháng 9 năm 2017.