Euklidische Norm

Die euklidische Norm, Standardnorm oder 2-Norm ist eine in der Mathematik häufig verwendete Vektornorm. Im zwei- und dreidimensionalen euklidischen Raum entspricht die euklidische Norm der anschaulichen Länge oder dem Betrag eines Vektors und kann mit dem Satz des Pythagoras berechnet werden. Allgemeiner wird die euklidische Norm auch für reelle und komplexe Vektorräume beliebiger endlicher Dimension definiert und ist dann die vom Standardskalarprodukt abgeleitete Norm.

Sie besitzt als eine von einem Skalarprodukt induzierte Norm neben den drei Normaxiomen eine Reihe weiterer Eigenschaften, wie die Gültigkeit der Cauchy-Schwarz-Ungleichung und der Parallelogrammgleichung, sowie eine Invarianz unter unitären Transformationen. Für orthogonale Vektoren erfüllt die euklidische Norm selbst eine allgemeinere Form des Satzes des Pythagoras.

Von der euklidischen Norm werden Begriffe wie der euklidische Abstand und die euklidische Topologie abgeleitet. Sie kann auf unendlichdimensionale Vektorräume verallgemeinert werden, beispielsweise auf Folgenräume durch die ℓ²-Norm und auf Funktionenräume durch die L²-Norm.

Definitionen

Reelle Vektoren in zwei und drei Raumdimensionen

Ein Vektor $\vec{v}$ in der euklidischen Ebene lässt sich über seine Komponenten $x$ und $y$ im kartesischen Koordinatensystem durch $\vec{v} = (x, y)$ darstellen. Die Länge oder der Betrag des Vektors wird durch Betragsstriche $| \cdot |$ um den Vektor gekennzeichnet und kann mit Hilfe des Satzes des Pythagoras durch

| \vec{v} | = \sqrt{x^{2} + y^{2}}

berechnet werden. Im dreidimensionalen euklidischen Raum wird die Länge eines Vektors $\vec{v} = (x, y, z)$ analog zum zweidimensionalen Fall über

| \vec{v} | = \sqrt{x^{2} + y^{2} + z^{2}}

ermittelt. In der Physik wird der Betrag eines Vektors manchmal dadurch gekennzeichnet, dass man die Betragsstriche und den Vektorpfeil weglässt: $v = | \vec{v} |$ . Werden Vektoren im Text fett geschrieben, wird manchmal auch nur der Fettdruck weggelassen: $v = | 𝐯 |$ . Die natürliche Länge eines Vektors wird auch euklidische Norm oder 2-Norm des Vektors genannt und, um sie von anderen Vektornormen zu unterscheiden, mit $| \vec{v} |_{2}$ oder $‖ \vec{v} ‖_{2}$ bezeichnet.

Reelle Vektoren endlicher Dimension

Ist $ℝ^{n}$ der Vektorraum der reellen $n$ -dimensionalen Vektoren $v = (v_{1}, v_{2}, \dots, v_{n})$ , dann ist die euklidische Norm eines Vektors als die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Vektorkomponenten definiert:^[1]

‖ v ‖_{2} := \sqrt{v_{1}^{2} + v_{2}^{2} + \dots + v_{n}^{2}} = {(\sum_{i = 1}^{n} v_{i}^{2})}^{1 / 2}

.

Für einen eindimensionalen Vektor ergibt sich als Spezialfall der Betrag einer reellen Zahl und für einen zwei- oder dreidimensionalen Vektor erhält man dessen Länge in der Ebene oder im Raum wie im vorangegangenen Abschnitt. Die euklidische Norm ist dabei vom Standardskalarprodukt zweier reeller Vektoren $v, w \in ℝ^{n}$

⟨ v, w ⟩ = v_{1} w_{1} + v_{2} w_{2} + \dots + v_{n} w_{n}

abgeleitet, denn es gilt

‖ v ‖_{2} = \sqrt{⟨ v, v ⟩}

.

Komplexe Vektoren endlicher Dimension

Ist nun $ℂ^{n}$ der Vektorraum der komplexen $n$ -dimensionalen Vektoren $v = (v_{1}, v_{2}, \dots, v_{n})$ , dann ist die euklidische Norm eines Vektors als die Wurzel aus der Summe der Betragsquadrate der Vektorkomponenten definiert:^[2]

‖ v ‖_{2} := \sqrt{| v_{1} |^{2} + | v_{2} |^{2} + \dots + | v_{n} |^{2}} = {(\sum_{i = 1}^{n} | v_{i} |^{2})}^{1 / 2}

.

Dabei dürfen die Betragsstriche in der Definition nicht weggelassen werden. Für einen eindimensionalen Vektor ergibt sich als Spezialfall der Betrag einer komplexen Zahl entsprechend der Länge ihres Vektors in der Gaußschen Zahlenebene. Die euklidische Norm ist vom Standardskalarprodukt zweier komplexer Vektoren $v, w \in ℂ^{n}$

⟨ v, w ⟩ = {\bar{v}}_{1} w_{1} + {\bar{v}}_{2} w_{2} + \dots + {\bar{v}}_{n} w_{n}

induziert, wobei $\bar{z}$ die Konjugierte der komplexen Zahl $z$ ist. Es gilt wiederum

‖ v ‖_{2} = \sqrt{⟨ v, v ⟩}

.

Beispiele

Die euklidische Norm des reellen Vektors $v = (3, - 2, 6) \in ℝ^{3}$ ist

‖ v ‖_{2} = \sqrt{3^{2} + (- 2)^{2} + 6^{2}} = \sqrt{9 + 4 + 36} = \sqrt{49} = 7

.

Die euklidische Norm des komplexen Vektors $v = (3, i, 5 - i) \in ℂ^{3}$ ist

‖ v ‖_{2} = \sqrt{| 3 |^{2} + | i |^{2} + | 5 - i |^{2}} = \sqrt{9 + 1 + 26} = \sqrt{36} = 6

.

Eigenschaften

Im Weiteren wird vom Allgemeinfall reeller oder komplexer Vektoren endlicher Dimension $v \in 𝕂^{n}$ mit $𝕂 = ℝ$ oder $𝕂 = ℂ$ ausgegangen. Die nun folgenden Eigenschaften sind dabei lediglich Spezialfälle der entsprechenden Eigenschaften allgemeiner von einem Skalarprodukt induzierten Normen.

Normaxiome

Die euklidische Norm erfüllt die drei Normaxiome. Die Definitheit

‖ v ‖_{2} = 0 \Rightarrow v = 0

bedeutet, dass, wenn die Länge eines Vektors $v \in 𝕂^{n}$ Null ist, er der Nullvektor sein muss. Die absolute Homogenität

‖ α \cdot v ‖_{2} = | α | \cdot ‖ v ‖_{2}

besagt, dass, wenn die Komponenten eines Vektors mit einer Zahl $α \in 𝕂$ multipliziert werden, sich die Länge des Vektors mit dem Betrag dieser Zahl ändert. Die Dreiecksungleichung (Subadditivität)

‖ v + w ‖_{2} \leq ‖ v ‖_{2} + ‖ w ‖_{2}

sagt schließlich aus, dass die Länge der Summe zweier Vektoren $v, w \in 𝕂^{n}$ höchstens so groß wie die Summe der beiden Längen ist. Gleichheit gilt dabei genau dann, wenn die beiden Vektoren in die gleiche Richtung zeigen. Der Beweis der Dreiecksungleichung basiert dabei auf der Cauchy-Schwarz-Ungleichung

| ⟨ v, w ⟩ | \leq ‖ v ‖_{2} \cdot ‖ w ‖_{2}

.

Einheitssphäre und Einheitskugel

Die euklidische Norm ist eine spezielle p-Norm für die Wahl von $p = 2$ und heißt deswegen auch 2-Norm. Die Einheitssphäre der euklidischen Norm, also die Menge

{v \in 𝕂^{n} : ‖ v ‖_{2} = 1}

der Vektoren mit Norm Eins hat in zwei reellen Dimensionen die Form eines Kreises, in drei reellen Dimensionen die Form einer Kugeloberfläche und in allgemeinen Dimensionen die Form einer Sphäre. Analog dazu nennt man die Menge

{v \in 𝕂^{n} : ‖ v ‖_{2} \leq 1}

bzw.

{v \in 𝕂^{n} : ‖ v ‖_{2} < 1}

die abgeschlossene bzw. die offene Einheitskugel der euklidischen Norm. Sie hat in zwei reellen Dimensionen die Form einer Kreisscheibe und in drei und höheren Dimensionen die Form einer Kugel. Die euklidische Norm kann auch über ihre Einheitskugel als Minkowski-Funktional definiert werden.

Parallelogrammgleichung

Die euklidische Norm genügt für alle Vektoren $v, w \in 𝕂^{n}$ der Parallelogrammgleichung

‖ v + w ‖_{2}^{2} + ‖ v - w ‖_{2}^{2} = 2 (‖ v ‖_{2}^{2} + ‖ w ‖_{2}^{2})

und ist die einzige p-Norm mit dieser Eigenschaft, siehe dazu auch den Satz von Jordan-von Neumann.

Unitäre Invarianz

Die euklidische Norm ist – ebenfalls als einzige p-Norm – invariant unter unitären Transformationen. Ist demnach $U \in 𝕂^{n \times n}$ eine unitäre Matrix (im komplexen Fall) oder orthogonale Matrix (im reellen Fall), dann gilt

‖ U v ‖_{2} = ‖ v ‖_{2}

,

was aus der Verschiebungseigenschaft des Standardskalarprodukts über

‖ U v ‖_{2}^{2} = ⟨ U v, U v ⟩ = ⟨ v, U^{H} U v ⟩ = ⟨ v, U^{- 1} U v ⟩ = ⟨ v, v ⟩ = ‖ v ‖_{2}^{2}

folgt. Die euklidische Norm ändert sich also unter unitären Transformationen nicht. Für reelle Vektoren sind solche Transformationen beispielsweise Drehungen des Vektors um den Nullpunkt. Diese Eigenschaft wird zum Beispiel bei der numerischen Lösung linearer Ausgleichsprobleme über die Methode der kleinsten Quadrate mittels

[1]

[2]