物理空间与信息空间的对偶关系
逻辑空间和物理空间的概念(一)
逻辑空间和物理空间的概念(一)逻辑空间和物理空间1. 概念•逻辑空间指的是思维或者概念层面的空间，是人们用来思考和理解问题的一种抽象概念。
•物理空间则是指我们所生活的实际存在的真实空间，包括地球上的各个地方以及宇宙中的各个星体等。
2. 逻辑空间的特点•逻辑空间的存在是基于人的思维和认知能力。
它不受实际物理条件的限制，可以随意创造和改变。
•在逻辑空间中，人们可以通过逻辑推理来构建和解决问题，将抽象的概念和事物进行组织和分类。
•逻辑空间具有普遍性和通用性，可以被不同个体共享和理解。
3. 逻辑空间的应用•逻辑空间在科学研究中起着重要作用。
科学家通过运用逻辑思维，从已知事实出发，推断和探索未知的问题，推动科学的发展。
•在日常生活中，逻辑空间也被广泛应用。
人们常常通过逻辑推理来解决问题、做决策，以及进行谈判和辩论等。
•在艺术创作中，逻辑空间也占据重要地位。
艺术家通过逻辑思维来构思和表达作品的意义和内涵，展现他们的创造力和想象力。
4. 物理空间的特点•物理空间存在于人类所居住的实际环境中，具有一定的地理位置和空间尺度。
•物理空间是由实际的物质构成的，具有实体和形状，可以通过感官直接感知和观察。
•物理空间是人们生活和活动的场所，同时也是人类社会和自然世界相互作用的舞台。
5. 物理空间的应用•物理空间为我们提供了生活和工作的环境，为人们的生存和发展提供了基础条件。
•在城市规划和建设中，对物理空间的合理利用和布局能够提高人们的生活质量和社会效益。
•物理空间的研究也涉及到地理学、天文学等学科，通过对空间分布和空间关系的研究，揭示了许多自然规律和人类活动的规律。
总结逻辑空间和物理空间是人们思维和生活中的两个重要维度。
逻辑空间存在于人的思维和认知之中，可以用来理解和解决问题；而物理空间则是实际存在的、我们所处的真实环境，为我们的生活和发展提供了基础条件。
两者相辅相成，共同构成了人类的认知和行为的基础。
普适计算与人机交互
LiveCam_基于增强现实的汽车的导航系统 基于增强现实的汽车的导航系统
汽车的挡风玻璃就 是导航计算机的显 示和接口 驾驶员可同时看到
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现实世界中的道 路 计算机产生的导 航信息
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从IBM的”到处显示”到 的 到处显示” Sony的自校正投影仪 的自校正投影仪
11
12
三维空间中的人机交互 人机交互：
计算，通信，传感集成的信息设备
7
手机上可显示各种信息： •语言翻译 •小孩找玩伴
手腕显示器 • 电子邮件 •天气预报
家具是计算机，桌面是接口
First generation Second Generation
8
9
Mitsubishi Electric Research Labs Cambridge Research
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Three type of interactions
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服务层次上的对偶
用户在物理空间中的各种活动和事件
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具有时间－空间特性的动态过程 对偶关系可建立在时－空流各个抽象层次的对应点上 可在物理空间中进行检索 体育视频的分析 白板获取系统
信息空间中的多模态时－空流的档案
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基于内容和事件的视频索引和检索
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“物理－信息”对偶空间
物理空间－ 物理空间－>信息空间的对偶是建立对应关 系
–从现实物理空间中获取各种数据和信息 –
“对应”的层次：特征，表面，物体（包括物体 对应” 对应 之间的关系），动作，事件，场景，描述，上下 文等各个层次。
信息空间－ 信息空间－>物理空间对偶关系的建立
–向现实物理空间中的任何地方提供数据
数学概念及其表征
数学概念及其表征吴增生(浙江省仙居县教育局教研室 317300) 知识的表征指的是知识在人们头脑中的存在方式.任何外在的知识必须经过个体自身在大脑中的信息加工后以特定的结构建立大脑细胞之间有序的激活扩散,才可以说形成了个体对知识的理解,形成工作记忆.当这种激活扩散持续一段时间(大约40分钟)后产生大脑细胞核内的基因表达,形成新的蛋白质,个体就对知识产生了长期记忆[1].知识的表征是进行信息加工的基础,研究知识的表征方式和认知神经机制是现代心理学研究的焦点,形成了许多富有成效的研究成果,如Paivio的双重编码理论[2];Anderson和Bower的命题理论[3];Philip Johnson2Laird的多重编码理论[4];Treisman的特征捆绑理论[5,6,7,8],特征捆绑理论的神经学依据是神经同步激活理论[9].Bow2 er等人认为,知识通过结构表征的方式而获得最好的掌握,结构表征是某一类知识以某些概念为核心,由不同程度的相关概念形成结构化的关系而表现出来的.由此产生了诸如概念图、概念域、概念系等知识表征技术.数学知识既具有一般知识的特征又具有区别与其它知识的特殊特征,数学具有高度抽象与结构化、逻辑性与系统化、语言符号的准确性和简约化等特征;数学的这些特征使数学知识的表征体现出自己的特殊性.1 数学概念的表征数学概念是所有陈述性知识的基础,也是思维的基本单位.从数学概念的获得过程分析,数学概念具有过程特征和对象特征的二重性,活动过程的概念表征与活动结果的概念表征有不同的心理机制;从概念之间的关系角度分析,概念之间具有横向的映射与对应关系和纵向的层次关系,这两种结构是构成概念网络的基本结构模型.111 数学概念的结构及其表征数学概念包括类别(对象集合S)、特征(对S 中元素的共同特征的描述)和模型(S中的元素)三个要素,如初中“函数”概念中,类别指的是两个变量之间的各种依存关系:象匀速运动物体中的运动时间与位移之间的关系、某地气温与时间之间的关系,在销售价格确定的情况下销售收入与商品销售量之间的关系等;特征指的是两个变量之间的本质联系:当自变量确定时,函数值唯一确定;而模型指的是个体把类别中的某一个对象作为“函数”的代表经过加工保存在自己的记忆中———形成概念的意象表征.(1)数学概念的过程特征的表征.它指的是学生形成概念的思维操作过程中对概念的表征.这种表征是伴随着数学概念的形成而体现出从模糊到清晰的认识过程.数学概念的形成过程从概念类别分析有两种形式:①概念同化是通过特征添加来研究概念类别集合的子集;②概念顺应是对一类对象的类别特征进行再抽象后形成新的概念;这两种形成方式都是在概念联系中表征新的概念.初中数学中矩形和菱形的概念是通过在平行四边形对象类别中添加“有一个角为直角”和“有一组邻边相等”特征形成的;在形成初中“函数”概念的过程中,学生大脑中首先具有各种不同的变量之间对应关系的辨别、分类过程,从中形成对函数概念的过程特征的理解,而且初中“函数”定义也是结合过程特征进行的:“在某一变化过程中有两个变量x和y,如果对于一个变量x在某一范围内的每一个确定的值,另一个变量y都有唯一确定的值与它对应,那么y就叫做x的函数,x叫自变量”,而在体验这种过程特征时,图形、图式与意象具有重要的作用.学生在形成数学概念的过程阶段对概念表征的心理模式是“模型+特征+概念联系”.模型是对象集合中的元素,是个体聚焦而且在大脑中留下鲜明知觉的一种意象,特征是个体对模型意象的一种意义注释(用语言文字或数学符号),例如,尽管数学上有圆的各种等价的定义,但学生头脑中对圆的意象表征“⊙”是占据核心地位的表征方式,学生对圆的线段运动定义、点集定义、轨迹定义、坐标定义(方程)的理解和记忆都需要建立在对圆的意象进行特征分析的基础上,意象是个体大脑中建立的数学概念的内在知觉对应物,数学概念的意象表征往往具有直观的视觉表象,具有形象性.(2)对数学概念的“对象”特征的表征,是在对“过程”特征表征的基础上进行缩略———以语言符号或图标的形式进行表征,这种缩略的神经机制是神经激活扩散的模块化.(3)由于学生的个体差异,他们的概念“过程”特征与“对象”特征的表征阶段的边界并不清晰,有时是以共存的形式出现的,这就导致了数学概念表征的差异性:不同的个体对同一数学概念可能用不同的表征方式.如关于“函数”的概念,有的用形式记号f (x )表征,有的是用函数图像,甚至更为具体的函数图像(如一元二次函数图像)进行表征.意象表征具有片面性,意象的片面性指的是个体的概念意象不一定能反映概念的本质属性,例如,学生关于“函数”的概念意象就有以下错误:函数只对应一个法则,所以分段函数不是函数;函数图像应该是连续的,所以取整函数不是函数;函数自变量的变化必定会引起因变量的变化,所以f (x )=8,x ∈[1,2]不是函数;函数一定包含代数表达式,所以y =±x 2-3是一个函数;而下列对应关系则不是函数:在若干次数学测试中,小明的成绩分别为67分、84分、95分、80分,因为根本就找不到一个代数表达式与之对应.意象表征的缺点主要靠特征注释和概念联系表征来弥补,如对于圆,我们可以用下面的综合表征模式:图1 概念表征的意象性来源于个体接受到的大量的具有相同特征的视觉刺激所引起的空间表征加工,这种空间加工在大脑中能进行定位,如颜色与形状等客体特征是从枕页到颞页的腹侧视觉通路上的层级连接区域得到表征的,而运动等空间特征是在从枕页到顶页的背侧通路上得到表征的[10].由于这些加工具有同时激活的自动加工特征,因此具有使用注意资源的最小性,导致使用图形和空间表征的喜好,即使在代数概念和抽象概念的表征中,也往往借助于意象图形(图式)来表征,如在学习函数时,用图形作为意象进行表征,在学习有理数(向量)的加减运算时,用数轴上点(平面上的点)的运动来理解运算的意义,即使在学习群、环、域等抽象概念时,学生还是需要寻找到先前学习过的数、式、变换等运算结构模型意象来帮助理解这些抽象概念.另一方面,数学概念的表征需要在意象的基础上添加数学特征注释,如果没有数学特征的捆绑,就只能形成概念的表象而不能形成数学概念的本质,如果不对“圆”的意象进行特征注释,对“圆”的理解就只能停留在模型识别水平(那不是数学)而不能形成对“圆”的概念的本质表征,也就是说,不能建立起表达视觉意象“⊙”与表达“圆”的数学特征之间神经局部网络的同步激活机制.图2112 概念之间联系的结构与表征数学概念之间具有联系的广泛性和良好的系统性,概念之间联系的方式有横向的同级联系(等价、对偶、对应)和纵向的层级联系(抽象),因此数层级的概念或用同层级结构映射方法用一个概念表征另一个概念.数学中的相互关系有很多种,但基本的关系是序关系、运算关系和映射关系.(1)数学中的关系的定义:对于集合A 、B ,则A ×B 的任意一个子集R 就叫集合A 、B 之间的一个关系(如图2),如果对于a ∈A ,b ∈B ,有(a ,b )∈R ,叫a 、b 之间具有关系R ,记做aRb.(2)序关系与概念抽象:对于集合X ,如果R 是X ×X 上的二元关系(也叫X 上的二元关系),R 满足下面条件,则叫R 是X 上的序关系:Πa ∈X ,aR a;(自反性)若aRb,bRc ,则有aRc;(传递性)若aRb,bR a ,则a =b.(反对称性)在数学概念体系中,强抽象(从一般到特殊)和弱抽象(从特殊到一般)都符合这种序关系的要求,因此数学概念的强抽象和弱抽象是一种序关系,另外,任何其他符合序关系的抽象叫广义抽象.如果一组概念满足C 1R 1C 2R 2C 3R 3…R n C n ,表达式中的R i (i =1,2,…,n -1)表示弱抽象、强抽象或广义抽象三种数学抽象关系中的一种,则称C 1R 1C 2R 2C 3R 3…R n C n 为一条概念链;如果两条概念链的交集非空,则称这两条链相交;如果m 条概念链中的每一条都至少与一条链相交,则称m 条链所组成的概念网络的图式为概念系.数学概念强抽象和弱抽象的概念类别之间的关系是:图3对应着心理上的强抽象和弱抽象的是概念类别之间的包含(被包含)关系.人们可以用概念的抽象关系(概念链、概念系)对数学概念进行分类表征,如对有理数与有理式概念关系可以用下面的概念系进行表征:图4一方面,从整数到有理数和从整式到有理式是一种通过运算产生的弱抽象,另一方面,从数到式通过把数的一般化而进行弱抽象,但抽象过程的相似性为在学生的心理中产生类比的思维活动奠定了同态结构相似表征的基础.(3)等价关系与概念域如果集合X 上的关系～满足下面条件,则叫关系～为等价关系:Πa ∈X ,a ～a;若a ～b,b ～c ,则有a ～c;若a ～b,则b ～a.与数学概念a 的表征等价的不同表征模型的集合叫a 的概念域.如果两个数学对象具有等价关系,则在大脑中用概念域的方式来表征它们之间的相互关系,像具有相似、全等、同解、相等、平行、同构、同态等映射关系的数学概念(对象),用概念域的方式对这些对象进行表征.人们可以用等价关对对象进行分类,其内在的表征方式是以概念域为基准进行的分类表征,而概念域表征方式的认知神经学证据是人脑信息加工具有局部特异性.(4)概念之间的对偶关系及其表征.对偶空间的定义:对于线性空间V ,V 上的一切线性泛函的集合L (V )叫线性空间V 的对偶空间.L (V )可以理解为从V 到实数(或复数)域的线性映射的集合.例如:实数域或复数域上的线性空间X 到Y的线性变换式y 1y 2⁝y n=a 11a 12…a 1n a 21a 22…a 2n ⁝⁝⁝⁝a n 1a n 2…a nnx 1x 2⁝x n中,如果矩阵是一个满秩矩阵,那么线性空间Y 与线性空间X 就是对偶的空间,系数空间也叫变量空间的对偶空间.如果令n =2,a 11=a ,a 12=bi ,a 21=c ,a 22=di ,当X 为实数空间时,Y 就是复数空间,因此实空间与复空间具有对偶关系,虚数空间与实数空间是对偶空间.还有,实系数多项式空间Y ={a 0+a 1x +a 2x 2+…+a n x n}=[a 0 a 1 … a n ]1x⁝xn是系数空间{a 0,a 1,…,a n }的对偶空间,也是变量空间{1,x ,…,x n }的对偶空间,这导致了实系数多项式的运算与实数运算具有相似性.平面与起点在原点的向量空间是同构的线性空间,如果把平面上点(a ,b )所对应的向量m 旋转一个固定的角度得到向量m ′,则向量m 的集合与向量m ′的集合就具有对偶关系,特别地,把一个向量空间中的每一个向量旋转90°得到自己的一个对偶的向量空间.例如,圆上的所有点对于旋转变换运算和数乘运算构成一个以圆心为起点的向量空间,那么过圆上的点作切线,这些代表切线方向的向量也构成一个向量空间,这两个向量空间是对偶空间,这就是圆的“接”性质与圆的“切”性质具有对偶关系的内在原因:图5学生对概念的对偶关系的表征是最薄弱的,因为教师在教学过程中往往忽视这种概念之间的关系,但对偶思想是现代数学的基本思想之一,我们有必要在教学过程中引导学生用合适的方法表征概念之间的对偶关系.学生对对偶关系的表征是用类比的方法通过图式相似改造来进行的,如用实数的分类图式改造后变成复数的分类图式,实数运算表征图式改造成复数的运算表征图式,甚至有的学生直接把实数的序关系表征图式直接用到复数的表征,造成对复数的错误表征.因此,概念对偶关系表征中要注意概念之间的本质联系与区别,把原来的表征图式进行相似改变时应特别注意概念之间的区别,防止出现表征的扭曲.2 数学概念表征的特点211 数学概念表征的意象性在数学概念的表征中,意象具有核心地位.首先,数学概念的表征起源于意象,学生首先要通过对数学概念的类别对象进行分类,明确对象的集合边界,然后选取具有典型性的对象作为概念的代表进行加工,建立概念的模型.其次,学生大脑中保持的往往是一种概念的意象而不是语言符号,学生对数学概念的表征图式是意象为主体的附加意象各种注释的带有过程体验的综合体. 212 数学概念表征的综合性由于意象是对数学概念直观表象,它具有片面性,因此需要对概念进行命题和语言符号的注释,进行概念之间联系的概念域和概念系的表征,如图1是综合运用意象、语言符号和命题对圆的概念进行表征的例子.213 数学概念表征的多样性由于学生的学习经验、认知水平和认知加工方式的不同,对同一个概念可能有不同的表征方式,表征没有对错,只有好差,学生可能有不同的概念意象和不同的意象注释,数学教学中可以通过讨论和交流,改善学生的概念表征方式,建立概念之间的广泛联系.214 数学概念表征的二重性有些数学概念(尤其是代数概念)具有二重性:既表现为一种过程操作,又表现为对象、结构.例如a+b,既代表两个不相交集合中的元素合并或添加起来的过程,又代表合并或添加后的结果.正是数学概念的二重性,导致了它在表征时的二重性,作为过程操作以程序性知识产生式系统的方式表征,作为对象、关系与结构则是以陈述性知识中的概念表征方式进行表征.形成一个数学概念,往往要经历由过程开始,然后转变为对象的认知过程,而且最终结果往往是两者在认知结构中共存,在适当的时机分别发挥作用.如学习函数概念,总是先按表达式找若干个自变量的值,去计算对应的因变量的值,再把它变为一个以定义域、值域、对应关系三要素构成的对象.一般来讲,数学概念表征与这个顺序相吻合,但有时会根据具体的问题情境作过程表征,或作对象表征,甚至过程与对象共存的表征.215 数学概念表征的发展性随着学生学习经验的积累和知识的增长,对数学概念的表征也在不断完善.学生概念表征是沿着过程+意象→意象→意象+注释(图式)→语言符号→概念网络的模式进行不断完善的.如“三角函数”的概念,先从直角三角形的边、角关系建立角度变量(度数)与比值变量(正实数)的对应关系,把原来的函数概念(实数之间的对应关系)扩展到角与实数之间的对应关系———三角函数(泛函),这时,学生以角度与实数之间的对应关系来表征三角函数;到高中后,利用单位圆定义三角函数,同时通过单位圆上的弧把角度转化为实数值,形成实数之间对应关系,同时建立起三角函数的第一个意象;单位圆上点的有向线段的度量;再利用单位圆画三角函数图象(通过拓扑变换把单位圆上的实数———有向弧的度量表征成实数轴上的实数,建立两实轴上实数之间的对应关系,使原先的“三角函数”的泛函关系转化成通常意义下的函数关系.)建立起三角函数的另一个意象———通常意义下的函数图象.这样,对三角函数的表征便有了单位圆和函数图象这两个形象的意象工具.然后研究三角函数的周期性、单调性、对称性,对三角函数图象进行注释,形成概念图式,在此基础上,把三角函数作为对象进行各种运算(符号化),并建立三角函数与现实生活中联系,与其它概念之间的联系,建立概念网络.参考文献1 央视国际2003年11月05日15:51,百家讲坛主讲人:北京大学信息科学技术学院视觉与听觉信息处理国家重点实验室学术委员会委员 沈政 来源:CCTV1com)2 Robert J.Sterberg著 杨炳钧等译.认知心理学.中国轻工业出版社3 同上4 同上5 Damasio,A.R.The bran binds entities and event s by multire2 gional activation from convergence zones.neural computation.1989,1:123-1326 Livingstone.M.,Hubel,D.Segregation of form,color,move2 ment and dept h;anatomy,physiology,and perception.Sci2 ence,1988,240:740-7497 Treisman:A.M.&Gelade,G.Afeature2integration t heory of attention.Cognitive psychology,1980,12:97-1368 Treisman.A.Feature binding.attention and object percep2 tion.Philosophical Treansanctions of t he Roval Society,SeriesB.,1998,353:1295-13069 陈彩琦等:《认知过程中的捆绑问题》心理科学2004,3,P590 -59310 Friedman2Hill,S.,Robert son,L.C.,&Treisman,A.pari2 etal contributions to visual feat ure binding:evidence from a patient wit h bilateral lesions.science,1995,269:853-855。
巴拿赫空间理论
巴拿赫空间理论（Banach space）是192O年由波兰数学家巴拿赫（S.Banach)一手创立的，数学分析中常巴拿赫空间用的许多空间都是巴拿赫空间及其推广，它们有许多重要的应用。
大多数巴拿赫空间是无穷维空间，可看成通常向量空间的无穷维推广。
编辑本段线性空间巴拿赫空间（Banach space）是一种赋有“长度”的线性空间﹐泛函分析研究的基本对象之一。
数学分析各个分支的发展为巴拿赫空间理论的诞生提供了许多丰富而生动的素材。
从外尔斯特拉斯﹐K.(T.W.)以来﹐人们久已十分关心闭区间[a﹐b ]上的连续函数以及它们的一致收敛性。
甚至在19世纪末﹐G.阿斯科利就得到[a﹐b ]上一族连续函数之列紧性的判断准则﹐后来十分成功地用于常微分方程和复变函数论中。
巴拿赫空间1909年里斯﹐F.(F.)给出[0﹐1]上连续线性泛函的表达式﹐这是分析学历史上的重大事件。
还有一个极重要的空间﹐那就是由所有在[0﹐1]上次可勒贝格求和的函数构成的空间(1<p <∞)。
在1910～1917年﹐人们研究它的种种初等性质﹔其上连续线性泛函的表示﹐则照亮了通往对偶理论的道路。
人们还把弗雷德霍姆积分方程理论推广到这种空间﹐并且引进全连巴拿赫空间续算子的概念。
当然还该想到希尔伯特空间。
正是基于这些具体的﹑生动的素材﹐巴拿赫﹐S.与维纳﹐N.相互独立地在1922年提出当今所谓巴拿赫空间的概念﹐并且在不到10年的时间内便发展成一部本身相当完美而又有着多方面应用的理论。
编辑本段Banach空间完备的线性赋范空间称为巴拿赫空间。
是用波兰数学家巴拿赫(Stefan Banach ）的名字命名的。
巴拿赫空间巴拿赫的主要贡献是引进了线性赋范空间概念，建立了其上的线性算子理论，证明了作为泛函分析基础的三个定理，哈恩--巴拿赫延拓定理，巴拿赫--斯坦豪斯定理即共鸣之定理、闭图像定理。
这些定理概括了许多经典的分析结果，在理论上和应用上都有重要价值。
关于空间h10(ω)和w1,p0(ω)的对偶空间表示的注记
关于空间h10(ω)和w1,p0(ω)的对偶空间表示的注记1. 引言1.1 概述本文旨在探讨关于空间h10(ω)和w1,p0(ω)的对偶空间表示，并通过注记的方式进行详细阐述。
空间h10(ω)和w1,p0(ω)是在数学分析和函数空间理论中广泛应用的概念，它们在各个领域中都具有重要意义。
1.2 文章结构文章主要分为五个部分进行组织和阐述。
首先是引言部分，介绍了本文的研究背景和目的。
接着是第二部分，详细介绍了空间h10(ω)和w1,p0(ω)的定义与特性。
第三部分则着重讨论对偶空间的概念及其在h10(ω)和w1,p0(ω)中的表示方法。
在第四部分，我们将对这两个函数空间进行注记与讨论，提出一些观点与看法。
最后，在结论部分总结了全文的要点，并展望了未来研究的方向。
1.3 目的本文旨在深入理解空间h10(ω)和w1,p0(ω)以及它们的对偶空间表示，并通过注记方式对这两个函数空间进行进一步探索和讨论。
通过本文的研究，可以帮助读者更好地理解和应用这两个函数空间，在相关领域中取得更好的研究成果和应用效果。
同时，本文也希望为未来对空间h10(ω)和w1,p0(ω)及其对偶空间表示的研究提供一定的基础和参考。
2. 空间h10(ω)和w1,p0(ω)2.1 空间h10(ω):空间h10(ω)是一个特殊的函数空间，通常被用于描述具有高阶可微性质的函数集合。
在数学和物理学中，h10(ω)表示在开集ω上具有连续导数的所有函数f(x)，其中x是欧几里得空间R^n中的点。
具体而言，对于任意给定的开集ω⊆R^n和整数k≥0，我们可以定义一个范数∥•∥k,ω来度量函数f(x)在ω上的平滑程度。
函数f(x)属于h10(ω)空间，意味着它满足以下条件：- 在开集ω上，f(x)具有连续导数直到k阶；- f(x)及其所有的k阶偏导数都在ω上可积。
这个空间是一个伴随着Sobolev空间W^k,p(ω)的子空间，在某些特殊情况下也可以视作后者的闭包。
向量空间与对偶空间函子不自然
向量空间和对偶空间是线性代数中重要的概念，它们是向量和函数之间的对应关系，相互之间通过线性映射建立通联。
在数学理论中，这两个概念的关系十分紧密，很多定理和推论都是基于它们之间的关系展开的。
然而，在某些情况下，我们会发现向量空间和对偶空间之间存在一些不自然的现象，这就需要引入函子来进行理论描述。
1. 向量空间和对偶空间向量空间是线性代数中研究向量及其线性组合性质的重要概念。
它具有加法和数量乘法两种运算，满足一系列线性运算的性质。
对偶空间是与向量空间对应的一个线性空间，它包含了向量空间中所有线性泛函的集合。
对偶空间的元素是线性泛函，它把向量空间的元素映射到标量域上。
2. 向量空间和对偶空间的对偶关系向量空间和对偶空间之间存在一种对偶关系，这种关系可以通过内积来描述。
对于向量空间V和它的对偶空间V*，可以通过内积来建立它们之间的通联。
内积是向量空间中的一种运算，它可以用来定义向量的长度和角度，也可以用来描述向量之间的正交关系。
通过内积，我们可以将向量空间和对偶空间通联起来，使它们之间的关系更加清晰。
3. 函子的引入然而，有时候我们会发现向量空间和对偶空间之间存在一些不自然的现象。
在某些情况下，我们希望将一个向量空间和它的对偶空间通联起来，但是却无法找到一个合适的内积使它们之间建立起正交关系。
为了描述这种现象，我们需要引入函子的概念。
4. 函子在向量空间和对偶空间中的应用函子是范畴论中的重要概念，它描述了范畴之间的映射关系。
在向量空间和对偶空间中，我们可以将它们看作是两个范畴，向量空间范畴和对偶空间范畴。
通过函子，我们可以建立起这两个范畴之间的通联，从而揭示它们之间的一些不自然现象。
5. 函子对向量空间和对偶空间之间关系的解释函子的引入为我们提供了一种新的视角，可以更加深入地理解向量空间和对偶空间之间的关系。
通过函子，我们可以将它们之间的关系描述为一种更加抽象的映射关系，从而揭示它们之间的一些隐藏的结构。
证明对偶空间与原空间同构的方法
证明对偶空间与原空间同构的方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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李代数对偶空间
李代数对偶空间
李代数是一种具有代数结构的数学对象，它在许多物理学和数学领域中都有广泛的应用。
而李代数的对偶空间则是指与李代数相对应的向量空间，它同样在物理学和数学中扮演着重要的角色。
对于一个给定的李代数，它的对偶空间可以通过对李代数中的元素进行线性组合而得到。
这些线性组合可以看作是对李代数中元素的“函数”，而对偶空间中的向量则可以看作是对李代数中元素的“值”。
因此，李代数的对偶空间与函数空间非常相似，这也使得李代数的对偶空间具有许多重要的性质，例如它是可积的、可微分的等。
另外，李代数的对偶空间还可以用于描述李群的性质。
李群与李代数是密切相关的，而李群的对偶空间则可以用于描述李群上的函数。
这些函数可以看作是对李群中的元素的“函数”，而对偶空间中的向量则可以看作是对李群中的元素的“值”。
因此，李代数的对偶空间可以用于描述李群上的函数的性质，例如它们是否可积、可微分等。
总之，李代数的对偶空间在数学和物理学中都具有重要的地位，它们可以用于描述许多代数结构和几何结构的性质，同时也可以用于研究李群和李代数之间的关系。
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有关对偶的知识点总结
有关对偶的知识点总结一、对偶的概念1. 对偶的概念起源于古希腊哲学，最早由柏拉图提出。
柏拉图通过对立的概念，强调了现实世界与理念世界之间的关系，认为二者是相互依存、相互对立的。
2. 在逻辑学中，对偶是指针对命题形式P↔Q，当P为真时Q也为真，当P为假时Q也为假。
P与Q的真值相同，称为对偶。
对偶是逻辑推理中的重要概念，有助于推理过程的简化和逻辑等价的判断。
3. 在数学中，对偶的概念也具有重要意义。
在代数学中，对偶空间是指给定向量空间V上的对偶空间V*，表示了V中的线性函数构成的空间。
在几何学中，对偶性可以表示为对偶几何，即在平面几何中，对偶可以对应于点与线的对偶关系。
在范畴论中，对偶由自然变换定义，在范畴理论中具有重要的作用。
4. 在物理学中，对偶的概念也具有重要的意义。
例如，在粒子物理学中，粒子-波对偶原理指出了粒子和波具有双重性质，在不同条件下会呈现出不同的行为。
在相对论和量子力学中，对偶的原理也有着深远的意义。
二、对偶的类型对偶的类型可以从不同的角度进行分类，包括逻辑对偶、数学对偶、物理对偶、文学对偶等等。
下面将针对不同类型的对偶进行详细介绍。
1. 逻辑对偶在逻辑学中，对偶是指一个蕴涵式的两部分，一般都是以“如果……那么……”的形式出现。
逻辑对偶是一个很重要的逻辑等价关系，在命题逻辑和谓词逻辑中都有广泛的应用。
在命题逻辑中，对偶是指P↔Q的真值表达式为真。
换言之，当P为真时Q也为真，当P为假时Q也为假。
例如，“如果今天下雨，那么地面会潮湿”与“如果地面不潮湿，那么今天没有下雨”就是一个对偶关系。
在谓词逻辑中，对偶是指量词的对偶，即∀xP(x)与∃x~P(x)的对偶关系。
其中∀表示全称量词，∃表示存在量词，P(x)表示一个关于x的命题函数。
2. 数学对偶数学中的对偶概念涉及到多个领域，例如代数学、几何学、范畴论等。
在代数学中，对偶空间是一个重要概念。
对于一个向量空间V，它的对偶空间V*是由所有从V到其定义域中的标量域的线性函数组成的。
l∞的对偶空间不是l1证明
l∞的对偶空间不是l1证明要证明l∞的对偶空间不是l1，我们需要先了解一下对偶空间的定义和性质。
对于一个赋范线性空间X，其对偶空间X定义为所有连续线性泛函的集合，其中线性泛函是从X到实数域R的线性映射。
对偶空间X的元素可以看作是对X中元素的泛函或函数，用来对X中的向量进行评估。
现在我们来看l∞和l1空间。
l∞是由所有以自然数为下标的实数序列组成的空间，其范数定义为序列中的最大绝对值。
l1是由所有以自然数为下标的实数序列组成的空间，其范数定义为序列中所有绝对值之和。
我们需要证明的是l∞的对偶空间不是l1。
假设l∞的对偶空间是l1，即X = l1。
那么我们可以得到一个结论，对于任意的f∈X，存在一个x∈l∞，使得f(x) = ∑|x_n|，其中n为自然数。
这意味着对于任意的线性泛函f，都可以通过一个l∞中的序列x来表示。
然而，我们可以构造一个反例来证明这个结论是错误的。
考虑一个特殊的线性泛函f∈X，它的定义如下，对于任意的x∈l∞，f(x) = lim sup |x_n|，其中n为自然数。
这个线性泛函表示了序列x中的最大聚集点。
现在我们来考虑这个线性泛函f在l∞中的表示。
假设存在一个序列y∈l∞，使得对于任意的x∈l∞，有f(x) = ∑|y_n|。
根据定义，我们知道f(x) = lim sup |x_n|，而∑|y_n|是一个有限的值。
然而，我们可以构造一个序列x∈l∞，使得lim sup |x_n| > ∑|y_n|，这与f(x) = lim sup |x_n|矛盾。
因此，不存在一个序列y∈l∞，使得对于任意的x∈l∞，有f(x) = ∑|y_n|。
由此可见，我们无法找到一个序列y∈l∞，使得对于任意的x∈l∞，有f(x) = ∑|y_n|。
因此，l∞的对偶空间不是l1。
综上所述，我们证明了l∞的对偶空间不是l1。
这个证明从对偶空间的定义出发，通过构造一个反例来推导出结论。
对偶空间中对偶基的基变换公式
对偶空间中对偶基的基变换公式1. 对偶空间的概念说到对偶空间，咱们就像在讲一个数学的“神秘花园”。
在这个花园里，每一朵花都有它的对应关系。
对偶空间，简单来说，就是把我们熟悉的向量空间换个角度看待。
就像是把一张照片反转过来，所有的细节还是在，但我们看到的却是另一种美。
每一个向量都有一个“影子”，这个影子就是它在对偶空间里的对应。
你可能会问，什么是对偶基呢？好比是给这些影子穿上漂亮的衣服。
对偶基是由一些线性函数构成的，它们能在对偶空间里完美地搭配那些向量，让整个空间看起来更加和谐。
就像是一场精心策划的舞会，大家都是来展现自己最好的那一面。
2. 基变换公式的魅力2.1 什么是基变换？现在咱们聊聊基变换，听上去有点复杂，但其实这就是换衣服的过程。
就像你今天穿的是T恤，明天换上西装，风格一下子就变了。
基变换的目的，就是把一个基换成另一个基，虽然外表不同，但核心的东西没变。
咱们在数学上叫这种转换“线性变换”，它把一个向量在不同基下的表示联系了起来。
举个例子，想象一下你在不同的地方用不同的语言交流。
在一个地方，你用英语说“hello”，在另一个地方你可能要说“你好”。
同样的向量，在不同的基下，它的“语言”会变，但它表达的意思依然是一样的。
这就是基变换的魅力。
2.2 对偶基的基变换说完基变换，再看看对偶基的基变换。
这里就有点像换另一层衣服了，咱们不仅要考虑向量本身的变化，还要考虑它对应的线性函数。
设想一下，假如你在家里有一套衣服，一出门又换了一套，完全不同的风格。
对偶基的变化同样是如此，它们需要保持一种对应关系。
如果你有两个基 ( { e_1, e_2, ldots, e_n ) 和 ( { f_1, f_2, ldots, f_n )，那么它们的对偶基也会有相应的变化。
这个时候，基变换公式就像是个魔法咒语，让一切变得简单。
通过这个公式，我们可以轻松地把一个对偶基转换成另一个对偶基。
就像是把一盘菜的调料换了，虽然材料是一样的，但味道却截然不同。
空间对偶原理在初等几何教学中的应用举例
由三个通常点所确定由两个通常点和一个无穷远点所确定由一个通常点和二个无穷远点所确定空间对偶原理在初等几何教学中的应用举例相关高等几何的教科书里都收集了射影空间相关点、面的对偶原理，然而却没有象在提出射影平面中的点、直线的对偶原理后，举出一些初等几何中的例子来说明其在初等几何教学中的应用，以使读者在学习了高等几何知识后能居高临下地把握初等几何教学中的相对应内容，本文通过对两个初等几何中常用命题在射影空间中的拓广讨论，来说明空间对偶原理在初等几何教学中的应用。
为了阅读上的方便，我们把射影空间中的对偶原理叙述如下:在射影空间相关点与平面位置关系的定理中，只要把其中的名词“点”和“平面”互换一下，再相对应改变它们之间的连接词，则立即可得另一个定理——这样的一个定理称为原定理的对偶原理，原定理的准确性能够肯定其对偶原理的准确性，反之也真，这就是射影空间中的对偶原理。
显然这里的点、直线和平面既包括初等几何中的点、直线和平面（也称为通常点、通常直线和通常平面），又包括了射影空间中的无穷远点、无穷远直线和无穷远平面。
有兴趣的读者能够参阅本文后的附录《关于“拓广空间”的概念及其对偶原理》一文。
一、初等几何中的两个命题及其在射影空间中的推广在现行的中学立体几何教材中，大都收入了初等几何内的两个命题，一个通常被称为“公理3”，表述为:“经过不在同一直线上的三点，有且仅有一个平面”；另一个被作为习题:“如果三个平面两两相交，有三条交线，那么这三条交线互相平行或相交于一点”如果我们去掉两个命题中对点、直线和平面都必须是通常点、通常直线和通常平面的限制，那么它们在射影空间里就是一对对偶命题，我们在这里不妨将“公理3”在射影空间的拓广记为命题一，“习题”在射影空间中的拓广为命题二。
并对它们在射影空间中的准确性加以证明证明:在已知的三点A 、B 、C 中任取二点，不妨取A 、B 二点，能够由本文附录中的约定（1）得A 、B 决定且只决定一条直线AB 。
磁流元和电流元的场成对偶关系
磁流元和电流元的场成对偶关系
磁场和电场是我们日常生活中常见的物理现象，它们对我们的生活和科学研究都有着重要的影响。
磁场和电场之间存在着一种神秘的对偶关系，即磁流元和电流元的场成对偶关系。
这种对偶关系在物理学中有着深远的意义，对我们理解电磁现象有着重要的启发作用。
磁流元和电流元是描述磁场和电场的基本要素。
磁流元是指通过一个曲面的磁通量，而电流元则是指通过一个曲面的电荷。
根据麦克斯韦方程组，磁场的环路积分等于通过该环路的电流元，而电场的环路积分等于通过该环路的磁流元。
这就是磁流元和电流元的场成对偶关系。
这种对偶关系的意义在于，它揭示了磁场和电场之间的密切联系。
在某种意义上，磁场和电场可以相互转化，因为它们的基本要素磁流元和电流元之间存在着对偶关系。
这种对偶关系不仅仅是数学上的对称性，更是物理现象的本质特征。
磁流元和电流元的场成对偶关系还可以帮助我们更好地理解电磁波的传播。
通过对磁场和电场的对偶关系的研究，我们可以揭示
电磁波在空间中传播的规律，从而为通信技术和无线电技术的发展
提供理论基础。
总之，磁流元和电流元的场成对偶关系是电磁学中的重要概念，它揭示了磁场和电场之间的密切联系，为我们理解电磁现象提供了
重要的启发。
通过深入研究这种对偶关系，我们可以更好地探索电
磁现象的本质，推动电磁学理论的发展，为人类社会的发展和进步
做出更大的贡献。
量子力学对偶的作用举例
量子力学对偶的作用举例
我们常说量子物理是比经典物理高一维的理论，这是由于时间。
维克转动将量子理论的实时转为虚时，时间获得与空间相同的性质，从而多出了一个欧氏空间轴。
我们可以很快地从对偶空间来看这件事。
如前，经典力学与热力学中，对偶量之积得能量；量子理论要多出一个时间维，因此，对偶量之积得作用量。
在对偶量算符化后，就建立了由作用量为单位的不确定性关系。
更加具体一点看：经典力学里的对偶量是速度与动量，其积为能量；量子力学要多乘一个时间轴，因此量子力学里的对偶量是位置与动量，其积为作用量。
量子力学有一个公理说：可观测量由厄米算符表示。
可是，显然有一个例外：时间。
时间在非相对论和相对论量子力学里都作为参数出现，不是厄米算符。
然而空间位置是由经典力学的自由度升格而成的算符。
量子力学对于时空的这种不对等的处理，导致了如负能量等等问题。
一种出路是将时间与空间一样升级成算符，另一种是将空间降级成和时间一样的参数，这两种方案分别是弦论和量子场论的做法。
一个著名的对偶就是粒子和宇宙的关系了。
为了研究宇宙的性质和演化，我们必须知道基本粒子的性质。
这也是那幅著名的衔尾蛇图所表现的。
望远镜和波束，宇宙和粒子都是靠物理比较近的例子。
比较有天文气息的例子应该就是内流（吸积）和外流了。
吸积和外流广泛存在于各种天体系统中，现在普遍认为，很多情况下，正是吸积释放的能量驱动了外流。
类似地，在超新星爆发中，有一类超新星的爆发正是由塌缩导致的。
物理空间与信息空间的对偶关系
第51卷第5期 2006年3月论坛物理空间与信息空间的对偶关系徐光祐①陶霖密①*张大鹏②史元春①(①普适计算教育部重点实验室, 清华大学计算机系, 北京100084; ②香港理工大学, 香港.*联系人, E-mail: linmi@, xgy-dcs@, csdzhang@.hk)摘要随着计算、通信和传感技术的迅速发展, 人类的生活环境已经由单纯的物理空间转变为物理-信息的共存空间. 基于这一事实, 本文在分析物理空间和信息空间的各自性质的基础上, 指出两者之间的关系为对偶关系. 建立对偶关系包括以下两个过程: 利用各种传感和信息处理、理解技术, 从物理空间到信息空间的信息获取、分析和结构化过程, 以及通过对用户意图、状态和命令的推理, 从信息空间到物理空间的信息服务过程. 对偶空间中的人机交互就是建立对偶关系, 这种对偶关系体现了以人为中心的人机交互, 即以人们所习惯的并且不需要用户分心的方式与信息空间的交互.关键词物理空间信息空间对偶关系人机交互嵌入式计算和无线通信技术的迅速发展, 促进了计算、通信和传感技术的融合. 以嵌入式处理器为核心的各种信息设备可方便地与其他的各种设备, 包括日常用品结合在一起, 并且它们可通过无线通信与互联网连接成为一个分布式系统. 这使得人们生活的物理空间中前所未有地充满了数据和信息, 从而使信息空间(cyberspace)逐渐融入人们生活的物理空间, 成为一个物理-信息并存的空间. 这样的空间有可能为人们提供前所未有的信息服务: 人们能随时、随地使用各种信息设备来获取信息和进行信息交互, 这也就是普适计算(ubiquitous/pervasive computing)要实现的目标. 对这样的物理空间的性质, 人们已从多个角度进行了探讨和描述. 其中有物理空间与信息空间的集成(integration of physical and informational spaces)[1,2], 增强空间(augmented space)1), 共享空间(shared space)2), 数字与物理的混合环境(mixed digital and physical environments)3)等. 与此同时人们也已提出了多种在物理空间中提供信息服务的新技术, 其中包括增强现实(augment reality, AR)[3] 4)、可触摸的接口(tangible bits)5)、可穿戴的计算机(wearable computers)6)和智能房间(intelligent room)7)等. 在传统的计算模式下, 用户与信息空间的交互需要到计算机面前才有可能实现, 这些技术有可能使得用户摆脱这样的约束, 在生活的物理空间中就能与信息空间交互. 这将给人机交互理论和技术带来重大的革新. 但目前研究的主要局限在于人机交互的接口技术, 缺乏对与信息空间集成、融合的物理空间(或称为共存空间)的性质以及在这样的物理空间中人机交互本质的研究. 这是目前阻碍普适计算以及相关领域研究健康发展的重要原因. 为此, 我们提出了“物理-信息对偶空间”的理论. 我们认为在共存空间中, 物理与信息空间之间存在着对偶的关系, 因此这个共存空间可称为“物理-信息对偶空间”(physical-cyber dual space)或简称为对偶空间. 这个对偶关系包括两个方向的关系: 从物理空间到信息空间的关系是通过各种传感器从物理空间获得原始数据, 并经过处理和分析产生与物理空间在各个层次上的对应关系; 从信息空间到物理空间的关系是通过建立不同层次的对应关系, 把信息空间中的相关数据和信息按照用户的需求发送到物理空间的物体上, 使用户在这些对应点就可得到所需的数据和信息. 因此, 物理空间与信息空间融合的本质就是发现和建立对偶关系.1物理-信息对偶空间1.1三维物理空间已成为与信息空间共存的“物理-信息对偶空间”当前信息技术的发展, 使得人们生活在一个由1) /sections/ideas/ideas_articles/pdf/manovich_augmented_space.pdf2) /projects/shared_space/3) /papers/pdfs/2.pdf4) /augmented-reality.htm5) /projects/Tangible_Bits/projects.htm6) /icwckeynote.html.7) /projects/iroom/projects.shtml论 坛第51卷 第5期 2006年3月计算与通信技术构成的信息空间与物理空间共存的空间中, 这两个空间不是简单地并列, 而是密切关联的. 我们把这种关联称为对偶, 把这个共存空间称为对偶空间(图1). 对偶空间中存在以下两个方向的数据和信息流动:图1 物理-信息对偶空间的对偶关系(1) 从现实物理空间中获取各种数据和信息. 现在各种用于监测的传感器已无所不在, 例如摄像机, 并且它们正朝着兼有计算、通信和传感功能的方向发展. 通过传感器采集得到的原始数据经过各个层次的处理成为结构化的数据, 供用户访问和检索, 成为用户可用的信息.(2) 向现实物理空间中的任何地方提供数据. 例如, 移动电话网(cell space)和互联网可随时、随地向用户提供数据和信息, 它代表了数据和信息从信息空间向物理空间的反馈流动. 物理空间中将充满数据, 而且这些数据可由用户通过个人的信息设备来检索.也就是说, 在物理空间与信息空间之间存在双向的数据和信息流动, 既有从物理空间中获取信息形成信息空间的组成过程, 即物理空间→信息空间; 也有从信息空间向物理空间提供信息的反馈过程, 即信息空间→物理空间. 这样的数据和信息流动不但是双向的, 而且如果要使它为用户提供有效的服务, 还需要利用这二者之间存在的对偶关系.1.2 什么是对偶关系?物理空间中的实体(物体)与信息空间中的实体(对象)各有不同的性质. 物理空间中的物体是物理的存在, 它的性质是: 物体具有空间的属性, 例如体积、重量、空间位置等; 用户可触摸物体, 即可利用人类的各种感觉进行交互; 物体之间的关系是蕴含的. 例如, 放在我办公室中的桌子归我使用, 即属于我, “桌子”与“我”是从属的关系. 但这种关系是蕴含的, 要根据其他相关信息和知识推理得到; 物理空间中发生的各种活动或事件只能保存它们的结果, 而对其过程则无法保存, 即时间不可逆. 与此相对, 信息空间是人工建立的虚拟空间, 其中的实体, 即对象的性质是: 对象本身没有物理属性, 用户无法直接通过感觉来与它们进行交互; 对象之间可方便地建立和表示各种关系; 信息空间中可方便地把动作和事件的过程记录为档案, 以备以后的检索.(1) 物理空间→信息空间的对偶是建立对应关系. 信息空间中所有数据和信息都来自物理空间, 是通过传感器或者人工(人机交互)输入完成. 信息空间中的对象与物理空间中的物体(或对象)存在各个层次的对应关系, 例如特征、表面、物体(包括物体之间的关系)、动作、事件、场景、描述、上下文等各个层次. 在这些对应的对象之间建立“对应”, 就是建立对偶关系. 通过建立对偶关系, 使得信息空间中的数据和信息结构化并建立相关的索引. 需要说明的是, 在实际的应用中并不一定能够或需要建立上述所有层次的对应, 但必须建立某种层次的对应, 以便达到数据和信息某种程度的结构化. 建立了这样的对应关系, 用户才能从物理空间直接向信息空间中的指定索引点发出信息服务的请求.(2) 信息空间→物理空间的对偶是提供信息. 人们建立这种对偶关系的目的是为了从信息空间得到信息服务, 或者通过信息空间的帮助, 得到物理空间中的一些智能设备, 例如智能家电的服务. 为了简化, 我们把这些都称为得到信息服务. 用户得到信息服务的必要条件包括: 信息空间知道用户的意图; 信息空间中信息的存储能支持用户所需要的信息服务, 信息空间中的数据(和信息)是有组织的、结构化的; 信息空间能在理解用户的命令、意图和用户当时所处计算环境的基础上, 按用户的要求对信息进行重新组织, 并以合适的方式返回到物理空间. 对信息的重新组织是因为用户的意图与实际存储的数据之间可第51卷 第5期 2006年3月论 坛能存在差别, 例如用户并不需要全部数据, 而只需要其中的一部分, 这时就需要对数据进行挑选. 在桌面计算的模式下, 这些信息都反馈到计算机的屏幕上, 由用户理解后操作或通过设备接口直接控制某种固定的设备. 而在对偶空间的情况下, 信息将直接反馈到物理空间中的物体上, 例如图1中右面的各种信息设备上.增强现实技术可用来说明上述对偶关系. 首先, 物理空间中的物体通过各种传感器的检测和数据的处理, 在信息空间中建立该物体的几何模型及其他相关信息. 该几何模型是信息空间中的实体, 它与物理空间中的物体是对应关系. 这是物理空间→信息空间的对偶. 在使用增强现实技术来帮助用户在物理空间中操作时, 系统利用位置检测和跟踪设备, 确定用户头盔的方位, 据此产生相应方位下的物体图形并叠加到用户看到的物体上, 从而向用户提供导引信息. 这就建立了信息空间→物理空间的对应关系, 从而实现了完整的物理-信息空间的对偶关系.2 物理-信息空间对偶关系的分类如上所述, 对偶空间中人机交互的本质是要发现和建立对偶空间中的对偶关系. 对偶空间的对偶关系可以有不同的分类方法. 在抽象层次上由低到高的分层, 即从底层的传感器数据到从传感器数据抽取的特征、表面、对象、动作、事件、场景和高层语义描述及上下文的不同层次; 从功能上来说, 可发生在接口、服务和系统三个不同的层次; 从对偶关系的动态特性看, 可分成静态和动态. 为了方便, 以下的分析我们以功能作为分类的主线, 同时结合其他的两种分类方法. 2.1 接口层次上的对偶通过建立接口层次上的对偶, 把传统的计算机的输入/输出接口从计算机的键盘、鼠标和显示器扩展到日常用品, 如家具、房间或用具, 使手机和PDA 等成为可能. 在接口层次上的融合又可进一步分成以下情况:(1) 物体的表面作为访问信息空间的接口. 计算机触摸屏使物体表面成为信息交互的接口. 显然, 这是一种简单和直观地把信息空间与物理空间建立对偶的方法. 利用计算机视觉等感知技术可识别和跟踪纸质的内容, 这样纸质文档及其内容就可作为检索的接口[4,5]. 从而把印刷文档上的区域与信息空间存储的文档内容建立对偶关系, 使得纸质的文档就可成为交互的接口.(2) 利用物体上的各种标记或传感器在信息空间中检索相应的信息. 这些标记可被用户的手持设备检测和读取, 从而用于检索存储在互联网上的相应信息. 例如, 在基于位置信息的导游系统中, 用户的手持设备可检测附加在展品上的标记, 从而获得对展品的介绍. 这样就在展品与互联网上存储的解说信息之间建立了对偶关系.(3) 物体及其部件都是交互的接口, 即都可建立对偶关系. 在增强现实技术中, 信息空间的三维模型来自于物理空间中的真实物体, 在实际应用中与物理空间中的相应物体保持动态的对准, 建立物体层次上的对偶关系. 对偶关系的结果, 可以为用户提供更多的关于物体的信息, 如其内部结构. 这样的对偶关系也可建立在物体的部件上.(4) 在物理空间中的物体之间建立超链(hyperlink). 超链是信息空间中对象之间的非线性链接关系, 可为用户提供方便的信息检索方式. 在对偶空间中, 通过建立对偶关系可使物理空间中的物体之间也建立类似性质的超链. 在文献[6]中提出了在多个显示器之间建立超链. 2.2 服务层次上的对偶从本质上讲, 用户在物理空间中的各种活动和事件是一个具有时间-空间特性的动态过程. 由于时间的单向性, 这个过程发生以后只留下了它的结果, 其过程及其事件发生前的状态, 在物理空间中难以保存. 如果在信息空间中建立这个过程的对偶关系, 就能把这个过程保存为信息空间中的多模态时-空流档案, 并且可在物理空间中进行检索. 这将为用户提供非常方便的服务. 对偶关系可建立在时-空流各个抽象层次的对应点上, 这取决于所使用的时空流信息处理方法所能达到的抽象层次. 信息空间中时-空流的原始数据通常是视/音频数据流. 对视频数据的低层处理是镜头检测(shot detection), 得到的结果是与每个镜头相关的关键帧. 这些关键帧可作为检索的接口, 也就是建立对偶关系的连接点. 由于通常的镜头检测只是根据视频特性的结构性变化, 而不是语义变化, 检测的关键帧不一定反映语义内容. 如果关键帧的检测是依据语义内容, 那么得到的关键帧就可作为高层语义的检索接口. 例如, 在数字会议记录中, 作为会议内容载体的共享白板与会议内容密论 坛第51卷 第5期 2006年3月切相关. 因此, 基于白板内容变化检测得到的关键帧, 就与高层语义相关, 这样就可建立高层的对偶关系. 更高层的对偶关系可以事件检测为基础. 例如, 足球体育视频分析中的射门、得分、犯规等事件的检测和检索[7,8]. 总之这类服务是把物理空间中的活动和事件自动生成信息空间中的电子档案, 并建立物理空间中的检索界面. 下面以足球视频分析为例, 说明数据的结构化及基于各个抽象层次的对偶关系.从足球比赛现场得到的是足球视频流, 这是典型的从物理空间向信息空间提供信息的过程. 这个原始数据经过视频分析后, 形成结构化的视频信息, 然后返回到物理空间里, 为人们提供信息服务. 这里的信息服务是多层次的, 我们研究的足球事件分析系统中的服务层次包括以下三个方面. (ⅰ) 基于对象: 这一级可以向用户提供基于对象的信息. 对象是指视频序列中的物体, 如球员、球门、球网、标题条、人脸等以及表征这些物体的特征, 如球员的球衣颜色, 球队的进攻方向等. 这些对象也可作为事件推论中所需的线索; (ⅱ) 基于镜头: 镜头是摄像机在做一次记录操作时得到的图像序列组成, 通常它记录了同一场景下的图像序列. 足球视频中, 在这一级可以向用户提供镜头尺度(远、中、近镜头)、是否是慢镜头等信息; (ⅲ) 基于事件: 将分析帧和镜头所得到的信息作为线索, 经过推理得到相应的事件, 如射门事件、换人事件等.线索是沟通底层特征与高层语义之间语义间隔的中间层信息. 线索本身是多层次的, 它可以是底层特征(如镜头频度、模糊度), 也可以具有一定的语义(如球门球网、人脸), 甚至是检测到的子事件. 从结构化的角度来看, 可以从每帧图像抽取线索, 也可以以镜头为单位抽取线索. 事件的检测是靠融合各线索进行推理来实现的, 为了选择合适的线索, 更好地进行事件推理需要通过因果分析, 与某一事件有较强因果关系的线索对该事件推理的帮助较大. 例如, 若检测到比分改变的标题条, 则必定有进球事件发生; 但有些线索与特定事件基本无关, 如球门球网对换人事件是否发生没有影响. 基于帧的线索包括: 球门球网的检测、标题条的检测和分类、人脸检测、服装颜色(区分双方球员和裁判)和进攻方向等等. 基于镜头的线索包括: 慢镜头检测、镜头尺度(远/中/近)、镜头频度(与镜头长度成反比)和镜头模糊度(是否有快速运动). 为了适应从线索到事件分析中的多层次的情况, 在我们的系统中提出了基于分层隐马尔可夫模型(hierarchical hidden Markov model, HHMM)的线索融合和事件推理的方法. 在文献[8~10]中介绍了对视频事件的分析方法, 这为在事件基础上的语义交互提供了可能. 2.3 系统级的对偶信息空间与物理空间在系统层次上的对偶关系,是建立在环境的上下文(context)信息基础上的对偶关系. 上下文中包含了关于用户、计算环境、物理环境以及历史等全面的信息. 信息空间在存储和管理上下文信息的基础上, 提供觉察上下文计算的服务, 也就是根据上下文信息对用户的意图做出判断并自适应地调整系统的性能, 以提供适合当前状态的服务. 这本质上就是建立系统级的对偶.智能空间是信息空间与物理空间在系统的各个层次上建立对偶关系的例子. 在智能空间中, 不但在环境中充满了各种信息设备, 而且在信息空间与物理空间之间, 从低层的传感器数据层次一直到高层语义以及在环境的上下文层次建立了对偶的关系, 也就是说信息空间能理解用户的需求或意图, 并根据当时的状态提供合适的服务, 因此有可能使用户得到透明计算(invisible computing)的信息服务. 以我们实验室研究和开发的Smart Classroom 系统为例说 明[11]. 在Smart Classroom 系统的教室前方是电子触摸式白板, 它是供本地交互的界面; 右方墙上由计算机控制的投影仪产生与远端学生交互的界面. 其中包括与远端部分学生交互的桌面会议的接口以及一个基于虚拟人像(avatar)技术的“虚拟助理”, 由它代表智能空间来协助用户与智能空间交互. 教师身份的识别是通过对人脸图像和讲话声音的识别来实现的. 在这个智能教室中, 教师就像在普通教室中那样, 通过语音和手势就可进行教学, 并且与远端的学生进行交互, 而无需坐在计算机面前. 教师的操作包括调用课件、在电子黑板上作注释、与远方的学生交流等.此系统建立了各个层次的对偶关系. 接口层次上的对偶关系是建立在以下接口上: 多媒体课件调用以及讲课用的电子白板; 供与远端学生交互的桌面会议和虚拟助理交互的墙面; 与登录系统交互的身份识别接口等. 功能层次上的对偶关系是系统把教室中发生的所有事件, 包括白板上的注释、教师讲解和动作、学生的提问等都记录为有结构的多媒体流, 并可供学生作为课件使用. 可根据所检测的各种事第51卷 第5期 2006年3月论 坛件在这个多媒体流上建立检索所需要的索引. 在目前的系统中只建立了基于镜头分割的索引, 对基于内容检索的支持有待下一步的工作. 系统层次上的对偶关系, 就是根据环境信息对用户的意图做出判断并自适应地调整系统的性能, 以提供适合当前状态的服务. 这本质上就是建立信息空间与物理空间在系统层次上的对偶关系. 如智能教室系统, “智能摄影师”模块可不需要用户的直接操作就可完成镜头的切换任务. 教师可以像是在普通教室中那样讲课, 系统中的计算机视觉系统能检测和跟踪他的运动并完成识别和理解. 这样系统就能推论和理解教师(即用户)的意图, 从而启动相应的镜头切换操作. 这个操作是用户进行某种动作的结果, 并且符合用户的需要. 这就是觉察上下文的计算服务, 它建立在系统级对偶的基础上.3 对偶关系的建立: 对偶空间中的人机交 互3.1 对偶空间中的人机交互对偶空间中的人机交互是对人机交互技术的全面革新. 从信息处理和交互技术的角度看, 对偶空间中的人机交互具有以下特点:(1) 用户是与信息空间进行交互. 对偶空间中的人机交互意味着, 所谓的“机”已不是单台计算机, 而是信息空间, 交互也不是发生在固定的桌面计算机面前, 而是在人们生活的三维物理空间中. 整个物理空间都可能是人机交互的接口, 同时, 用户可在三维空间中自由地移动. 在移动中使用计算机与得到计算和信息服务, 是现场工作用户对计算系统基本能力的要求. 因此, 对偶空间中的人机交互是动态的, 这与在桌面计算相对静止情况下的人机交互有很大不同. 移动环境下用户交互的特点包括动态的用户配置、有限的注意能力、高速的交互以及与上下文相 关[12].(2) 人机交互已不是桌面计算情况下的仅涉及接口数据/信息的输入/输出, 而是在各个层次上建立信息空间与物理空间的对偶关系. 建立了对偶关系, 才能完成从提出“信息服务请求”到提供“信息反馈”这样的全过程. 因为人们就生活在三维的物理空间中, 同时就在物理空间中获得计算和信息服务. 因此, 这种情况下建立人机交互环境的本质, 就是通过使信息空间与物理空间以各种方式建立对偶关系, 从而为用户提供更方便和多样的信息服务.信息空间与物理空间的对偶关系, 使得为用户提供个性化和适合当时情况的针对性服务成为可能. 人们是生活在物理空间中, 因此, 他所需要的服务是与物理环境密切相关的, 例如位置. 如果系统能检测到用户的位置, 就可能提供最适合当时地点的服务. 例如, 当用户在一个陌生的地方需要寻找餐厅吃饭时, 信息空间就可提供附近餐厅的分布信息. 同时通过建立对偶关系还可使物理空间中的物体具有信息空间中对象的特性. 例如, 超链是信息空间中对象之间的非线性链接关系, 而在对偶空间中就有可能在物理空间的物体之间建立超链.(3) 人与信息空间的交互需要觉察上下文计算(context aware computing)的支持. 当信息空间与物理空间在系统层次上建立了对偶关系, 也就是具有充分的关于用户以及计算环境的上下文信息, 在上下文信息的指导下, 信息空间有可能通过对用户动作的检测和分析来理解他的意图, 从而无需直接请求就可向用户提供适合的信息服务. 如果用户没有直接对信息空间发出信息服务请求, 他只是按物理空间中的规则行事或操作, 这时的人机交互看起来是蕴含在用户的其他行为之中, 因此这就被称为蕴含人机交互(implicit HCI)1). 与此相应, 这时的计算机或信息空间只是提供了服务, 并不需要用户直接的操作, 对用户来说它们可以隐藏起来不被看见. 所以, 也有人把计算机的这种工作模式称为不可见的或透明的计算.与桌面计算模式下上下文是固定的或人为设定的情况不同, 当交互发生在三维的物理空间中时, 上下文将随任务而变化, 而且由于工作环境是现场, 其中的背景情况不但复杂而且是动态变化的, 使上下文的动态性问题更加突出. 上下文在交互中的重要性表现为同样的输入, 不同的上下文可能具有不同的语义; 鉴于在人与人的交谈中应用蕴含的状态信息(即上下文)可提高交互的效率, 充分觉察环境中的上下文是实现普适计算系统尽可能少分散用户注意力这一目标的重要途径; 物理空间中的某个接口不是个人专有的, 而可能是由多人共享的. 因此在交互1) /~albrecht/pubs/pdf/schmidt_pete_3-2000-implicit-interaction.pdf。
向量 泛函 对偶
向量泛函对偶向量是线性代数中的重要概念，它可以用来表示具有大小和方向的物理量。
而向量的泛函是对向量空间中的向量进行映射的函数，它可以将一个向量映射到一个实数。
而这个实数则可以用来描述向量的某种性质或特征。
而对偶则是指在向量空间中，存在一个对应关系使得每个向量都可以与一个对偶向量相对应。
本文将从向量、向量空间、向量的泛函和对偶等方面进行详细介绍。
我们来了解一下向量的概念。
向量是具有大小和方向的量，它可以用有序数组表示。
在二维空间中，向量可以表示为(x, y)，其中x 和y分别表示向量在x轴和y轴上的分量。
在三维空间中，向量可以表示为(x, y, z)，其中x、y和z分别表示向量在x轴、y轴和z 轴上的分量。
向量可以进行加法和数乘运算，可以表示位移、速度、力等物理量。
接下来，我们来了解一下向量空间的概念。
向量空间是由若干个向量组成的集合，并满足一定的运算规则。
向量空间具有加法和数乘两种运算，满足加法和数乘的封闭性、结合律、交换律、零元素和负元素的存在性等性质。
向量空间可以是有限维的，也可以是无限维的，例如函数空间。
向量空间是线性代数的基础概念，它可以用来描述向量之间的关系和性质。
然后，我们来了解一下向量的泛函。
向量的泛函是对向量空间中的向量进行映射的函数，它可以将一个向量映射到一个实数。
泛函可以用来描述向量的某种性质或特征，例如长度、角度、投影等。
常见的向量泛函包括范数、内积、夹角等。
范数是一种衡量向量长度的泛函，它可以用来计算向量的模。
内积是一种衡量向量之间夹角的泛函，它可以用来计算向量之间的相似度或正交性。
夹角是一种衡量向量之间夹角大小的泛函，它可以用来描述向量之间的方向关系。
我们来了解一下对偶的概念。
在向量空间中，存在一个对应关系使得每个向量都可以与一个对偶向量相对应。
对偶向量是一个线性函数，它可以将一个向量映射到一个实数。
对偶向量可以用来描述向量的某种性质或特征，例如长度、角度、投影等。
对偶向量在计算机科学和优化理论中有广泛的应用，例如支持向量机、线性规划等。
对偶范数的定义
对偶范数的定义
对偶范数又称共轭范数，是针对某个向量空间中的元素，以及该
向量空间的对偶空间中的元素对之间的关系而定义的范数。
具体来说，对于一个向量空间V中的元素x，如果存在一个线性函数f:V→R，使
得对于任意y∈V都有f(y)≤1且f(x)=1，那么对于这样的线性函数f，其对偶范数就定义为∥f∥_∞=sup{f(y):y∈V且∥y∥≤1}。
其中sup
表示上确界。
对偶范数的实际意义在于，它可以用来度量某种“最坏
情况下”的试错次数，即如果我们想要求解一个最优化问题，但是缺
乏先验信息，而又不能采用一些高效的算法，则尝试计算对偶问题的
解可能更为有效。
对偶空间的一些性质及其应用
对偶空间的一些性质及其应用看到问题怎么形象地理解对偶空间（Dual Vector Space）？现将答案迁移到专栏之中。
写个简明扼要的分析吧。
在定义来看对偶空间只是线性泛函的全体，这是个十分抽象且不好操作的对象。
所以需要一种办法让大家形象的理解对偶空间。
那就是找同构，用同构的空间去表示对偶空间。
令 V 与 V∗是一组空间与其上的对偶空间，显然维数均为 n 。
后令 {ei} 为 V 上的一组基，因为有限维线性空间可以被基唯一确定，且确定线性空间的基彼此同构，故可以把空间的变化问题转化为基变化的问题，可见这样更好操作。
1，找 V∗上的基,令ei对 v∈V 的作用为提前元素关于基的第 i 个坐标，易知{ei} 为 V∗上的一组基。
且 ej(ei)=1(i=j) or 0(i≠j) ,因为基底关于自身的坐标为1，关于其他的为0,。
2，研究 v对 V∗的作用∀v∈V,f∈V∗ ,令 v(f)=f(v) ，故 v(f+g)=f(v)+g(v)=v(f)+v(g),可见作用 v 是well-defined，即v:V∗→R f ↦f(v)故 v∈(V∗)∗，很好的结果，但这还不够。
3，研究 (V∗)∗上的性质令 v~∈(V∗)∗ , v~:V∗→R ，令 v=∑i=1nv~(ei)ei∈V ,此时有 v(ej)=ej(v)=ej∑i=1nv~(ei)ei=∑i=1nv~(ei)ej(ei)=v~(ei) 。
可见 v 对 V∗的作用线性泛函与给定的 v~ 相同。
4，水到渠成做一个简单的同构映射，双射的性质可以在前面看出，ϕ:V→(V ∗)∗v ↦v~故在同构意义下 V=(V∗)∗。
对偶空间也叫做共轭空间，像这种二次共轭等于自身的空间，数学上称作自反空间。
既然看到标签里有泛函分析，那再从泛函分析的角度说一下对偶空间，像我们熟知的例子 (lq)∗=lp ,其中 1p+1q=1 或 (C0)∗=l1 ，思路与之前一样，还是找到同构的空间，这样就把抽象的对象便具体了，下附(C0)∗=l1的证明，从中可以看出证明里在做的就是构造同构映射去表示对偶空间：。
道-弦-场对偶性研究
道-弦-场对偶性研究道-弦-场对偶性是当今粒子物理和量子重力领域中最重要的研究方向之一。
它涵盖了广泛的领域，包括拓扑场论、量子反常、超对称理论、黑洞物理学等。
本文将重点介绍道-弦-场对偶性的基础理论，及其在粒子物理和量子重力领域中的应用。
一、道对偶性道对偶性最早是由蒂博·卢布肯斯和艾德文·威廉·威廉森在70年代提出的。
道对偶性指的是一个场论和其对偶理论具有完全相同的物理内容。
换言之，场论和其对偶理论可以描述同样的物理现象，并且在这两个理论之间可以进行完全相同的计算。
这一概念源于电磁场理论中的电荷对偶，即将电磁场中的电荷替换为磁荷。
道对偶性的重要性在于，它可以提供对理论中非常重要的物理量的深入理解。
例如，在四维规范场论中，著名的随机行走问题能够通过与其对偶理论的互相转化得到解决。
另外，在弦论中，道对偶性也被广泛应用于研究弦的相互作用和不稳定性。
弦对偶性指的是两个弦理论之间的等价性。
与道对偶性类似，弦对偶性可以使我们更好地理解弦的基本性质和相互作用。
根据弦对偶性，同一类型的弦理论可以以多种不同的方式描述，而这些描述是完全等价的。
弦对偶性是弦理论的基本原则之一，使得我们能够从不同的角度来研究弦理论，并得到相同的结果。
弦对偶性的一个重要应用是D-膜的对偶描述。
D-膜是一种特殊的弦理论，描述了一维弦的运动。
在D-膜理论中，一维弦的末端被限制在一个固定的平面上，从而形成了一条D-膜。
D-膜也可以被看作是n维空间中的一个超曲面，其中$n$表示弦理论的维数。
由于D-膜的运动通常很难描述，因此很重要的一类问题是如何将D-膜对偶到一个更易于描述的理论中。
这一问题的解决需要用到弦对偶性的概念，从而可以将D-膜对偶到更简单的弦理论中。
场对偶性指的是两个场论之间的等价性。
例如，在三维场论中，标量场会与一个湍流的矢量场相关联。
在不同的情况下，这些场关系可以通过对偶转换成另一个等效的场关系。
场对偶还可以被看做是一种更广泛的对偶性类别，在统计力学和凝聚态物理中也有广泛应用。
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第51卷第5期 2006年3月论坛物理空间与信息空间的对偶关系徐光祐①陶霖密①*张大鹏②史元春①(①普适计算教育部重点实验室, 清华大学计算机系, 北京100084; ②香港理工大学, 香港.*联系人, E-mail: linmi@, xgy-dcs@, csdzhang@.hk)摘要随着计算、通信和传感技术的迅速发展, 人类的生活环境已经由单纯的物理空间转变为物理-信息的共存空间. 基于这一事实, 本文在分析物理空间和信息空间的各自性质的基础上, 指出两者之间的关系为对偶关系. 建立对偶关系包括以下两个过程: 利用各种传感和信息处理、理解技术, 从物理空间到信息空间的信息获取、分析和结构化过程, 以及通过对用户意图、状态和命令的推理, 从信息空间到物理空间的信息服务过程. 对偶空间中的人机交互就是建立对偶关系, 这种对偶关系体现了以人为中心的人机交互, 即以人们所习惯的并且不需要用户分心的方式与信息空间的交互.关键词物理空间信息空间对偶关系人机交互嵌入式计算和无线通信技术的迅速发展, 促进了计算、通信和传感技术的融合. 以嵌入式处理器为核心的各种信息设备可方便地与其他的各种设备, 包括日常用品结合在一起, 并且它们可通过无线通信与互联网连接成为一个分布式系统. 这使得人们生活的物理空间中前所未有地充满了数据和信息, 从而使信息空间(cyberspace)逐渐融入人们生活的物理空间, 成为一个物理-信息并存的空间. 这样的空间有可能为人们提供前所未有的信息服务: 人们能随时、随地使用各种信息设备来获取信息和进行信息交互, 这也就是普适计算(ubiquitous/pervasive computing)要实现的目标. 对这样的物理空间的性质, 人们已从多个角度进行了探讨和描述. 其中有物理空间与信息空间的集成(integration of physical and informational spaces)[1,2], 增强空间(augmented space)1), 共享空间(shared space)2), 数字与物理的混合环境(mixed digital and physical environments)3)等. 与此同时人们也已提出了多种在物理空间中提供信息服务的新技术, 其中包括增强现实(augment reality, AR)[3] 4)、可触摸的接口(tangible bits)5)、可穿戴的计算机(wearable computers)6)和智能房间(intelligent room)7)等. 在传统的计算模式下, 用户与信息空间的交互需要到计算机面前才有可能实现, 这些技术有可能使得用户摆脱这样的约束, 在生活的物理空间中就能与信息空间交互. 这将给人机交互理论和技术带来重大的革新. 但目前研究的主要局限在于人机交互的接口技术, 缺乏对与信息空间集成、融合的物理空间(或称为共存空间)的性质以及在这样的物理空间中人机交互本质的研究. 这是目前阻碍普适计算以及相关领域研究健康发展的重要原因. 为此, 我们提出了“物理-信息对偶空间”的理论. 我们认为在共存空间中, 物理与信息空间之间存在着对偶的关系, 因此这个共存空间可称为“物理-信息对偶空间”(physical-cyber dual space)或简称为对偶空间. 这个对偶关系包括两个方向的关系: 从物理空间到信息空间的关系是通过各种传感器从物理空间获得原始数据, 并经过处理和分析产生与物理空间在各个层次上的对应关系; 从信息空间到物理空间的关系是通过建立不同层次的对应关系, 把信息空间中的相关数据和信息按照用户的需求发送到物理空间的物体上, 使用户在这些对应点就可得到所需的数据和信息. 因此, 物理空间与信息空间融合的本质就是发现和建立对偶关系.1物理-信息对偶空间1.1三维物理空间已成为与信息空间共存的“物理-信息对偶空间”当前信息技术的发展, 使得人们生活在一个由1) /sections/ideas/ideas_articles/pdf/manovich_augmented_space.pdf2) /projects/shared_space/3) /papers/pdfs/2.pdf4) /augmented-reality.htm5) /projects/Tangible_Bits/projects.htm6) /icwckeynote.html.7) /projects/iroom/projects.shtml论 坛第51卷 第5期 2006年3月计算与通信技术构成的信息空间与物理空间共存的空间中, 这两个空间不是简单地并列, 而是密切关联的. 我们把这种关联称为对偶, 把这个共存空间称为对偶空间(图1). 对偶空间中存在以下两个方向的数据和信息流动:图1 物理-信息对偶空间的对偶关系(1) 从现实物理空间中获取各种数据和信息. 现在各种用于监测的传感器已无所不在, 例如摄像机, 并且它们正朝着兼有计算、通信和传感功能的方向发展. 通过传感器采集得到的原始数据经过各个层次的处理成为结构化的数据, 供用户访问和检索, 成为用户可用的信息.(2) 向现实物理空间中的任何地方提供数据. 例如, 移动电话网(cell space)和互联网可随时、随地向用户提供数据和信息, 它代表了数据和信息从信息空间向物理空间的反馈流动. 物理空间中将充满数据, 而且这些数据可由用户通过个人的信息设备来检索.也就是说, 在物理空间与信息空间之间存在双向的数据和信息流动, 既有从物理空间中获取信息形成信息空间的组成过程, 即物理空间→信息空间; 也有从信息空间向物理空间提供信息的反馈过程, 即信息空间→物理空间. 这样的数据和信息流动不但是双向的, 而且如果要使它为用户提供有效的服务, 还需要利用这二者之间存在的对偶关系.1.2 什么是对偶关系?物理空间中的实体(物体)与信息空间中的实体(对象)各有不同的性质. 物理空间中的物体是物理的存在, 它的性质是: 物体具有空间的属性, 例如体积、重量、空间位置等; 用户可触摸物体, 即可利用人类的各种感觉进行交互; 物体之间的关系是蕴含的. 例如, 放在我办公室中的桌子归我使用, 即属于我, “桌子”与“我”是从属的关系. 但这种关系是蕴含的, 要根据其他相关信息和知识推理得到; 物理空间中发生的各种活动或事件只能保存它们的结果, 而对其过程则无法保存, 即时间不可逆. 与此相对, 信息空间是人工建立的虚拟空间, 其中的实体, 即对象的性质是: 对象本身没有物理属性, 用户无法直接通过感觉来与它们进行交互; 对象之间可方便地建立和表示各种关系; 信息空间中可方便地把动作和事件的过程记录为档案, 以备以后的检索.(1) 物理空间→信息空间的对偶是建立对应关系. 信息空间中所有数据和信息都来自物理空间, 是通过传感器或者人工(人机交互)输入完成. 信息空间中的对象与物理空间中的物体(或对象)存在各个层次的对应关系, 例如特征、表面、物体(包括物体之间的关系)、动作、事件、场景、描述、上下文等各个层次. 在这些对应的对象之间建立“对应”, 就是建立对偶关系. 通过建立对偶关系, 使得信息空间中的数据和信息结构化并建立相关的索引. 需要说明的是, 在实际的应用中并不一定能够或需要建立上述所有层次的对应, 但必须建立某种层次的对应, 以便达到数据和信息某种程度的结构化. 建立了这样的对应关系, 用户才能从物理空间直接向信息空间中的指定索引点发出信息服务的请求.(2) 信息空间→物理空间的对偶是提供信息. 人们建立这种对偶关系的目的是为了从信息空间得到信息服务, 或者通过信息空间的帮助, 得到物理空间中的一些智能设备, 例如智能家电的服务. 为了简化, 我们把这些都称为得到信息服务. 用户得到信息服务的必要条件包括: 信息空间知道用户的意图; 信息空间中信息的存储能支持用户所需要的信息服务, 信息空间中的数据(和信息)是有组织的、结构化的; 信息空间能在理解用户的命令、意图和用户当时所处计算环境的基础上, 按用户的要求对信息进行重新组织, 并以合适的方式返回到物理空间. 对信息的重新组织是因为用户的意图与实际存储的数据之间可第51卷 第5期 2006年3月论 坛能存在差别, 例如用户并不需要全部数据, 而只需要其中的一部分, 这时就需要对数据进行挑选. 在桌面计算的模式下, 这些信息都反馈到计算机的屏幕上, 由用户理解后操作或通过设备接口直接控制某种固定的设备. 而在对偶空间的情况下, 信息将直接反馈到物理空间中的物体上, 例如图1中右面的各种信息设备上.增强现实技术可用来说明上述对偶关系. 首先, 物理空间中的物体通过各种传感器的检测和数据的处理, 在信息空间中建立该物体的几何模型及其他相关信息. 该几何模型是信息空间中的实体, 它与物理空间中的物体是对应关系. 这是物理空间→信息空间的对偶. 在使用增强现实技术来帮助用户在物理空间中操作时, 系统利用位置检测和跟踪设备, 确定用户头盔的方位, 据此产生相应方位下的物体图形并叠加到用户看到的物体上, 从而向用户提供导引信息. 这就建立了信息空间→物理空间的对应关系, 从而实现了完整的物理-信息空间的对偶关系.2 物理-信息空间对偶关系的分类如上所述, 对偶空间中人机交互的本质是要发现和建立对偶空间中的对偶关系. 对偶空间的对偶关系可以有不同的分类方法. 在抽象层次上由低到高的分层, 即从底层的传感器数据到从传感器数据抽取的特征、表面、对象、动作、事件、场景和高层语义描述及上下文的不同层次; 从功能上来说, 可发生在接口、服务和系统三个不同的层次; 从对偶关系的动态特性看, 可分成静态和动态. 为了方便, 以下的分析我们以功能作为分类的主线, 同时结合其他的两种分类方法. 2.1 接口层次上的对偶通过建立接口层次上的对偶, 把传统的计算机的输入/输出接口从计算机的键盘、鼠标和显示器扩展到日常用品, 如家具、房间或用具, 使手机和PDA 等成为可能. 在接口层次上的融合又可进一步分成以下情况:(1) 物体的表面作为访问信息空间的接口. 计算机触摸屏使物体表面成为信息交互的接口. 显然, 这是一种简单和直观地把信息空间与物理空间建立对偶的方法. 利用计算机视觉等感知技术可识别和跟踪纸质的内容, 这样纸质文档及其内容就可作为检索的接口[4,5]. 从而把印刷文档上的区域与信息空间存储的文档内容建立对偶关系, 使得纸质的文档就可成为交互的接口.(2) 利用物体上的各种标记或传感器在信息空间中检索相应的信息. 这些标记可被用户的手持设备检测和读取, 从而用于检索存储在互联网上的相应信息. 例如, 在基于位置信息的导游系统中, 用户的手持设备可检测附加在展品上的标记, 从而获得对展品的介绍. 这样就在展品与互联网上存储的解说信息之间建立了对偶关系.(3) 物体及其部件都是交互的接口, 即都可建立对偶关系. 在增强现实技术中, 信息空间的三维模型来自于物理空间中的真实物体, 在实际应用中与物理空间中的相应物体保持动态的对准, 建立物体层次上的对偶关系. 对偶关系的结果, 可以为用户提供更多的关于物体的信息, 如其内部结构. 这样的对偶关系也可建立在物体的部件上.(4) 在物理空间中的物体之间建立超链(hyperlink). 超链是信息空间中对象之间的非线性链接关系, 可为用户提供方便的信息检索方式. 在对偶空间中, 通过建立对偶关系可使物理空间中的物体之间也建立类似性质的超链. 在文献[6]中提出了在多个显示器之间建立超链. 2.2 服务层次上的对偶从本质上讲, 用户在物理空间中的各种活动和事件是一个具有时间-空间特性的动态过程. 由于时间的单向性, 这个过程发生以后只留下了它的结果, 其过程及其事件发生前的状态, 在物理空间中难以保存. 如果在信息空间中建立这个过程的对偶关系, 就能把这个过程保存为信息空间中的多模态时-空流档案, 并且可在物理空间中进行检索. 这将为用户提供非常方便的服务. 对偶关系可建立在时-空流各个抽象层次的对应点上, 这取决于所使用的时空流信息处理方法所能达到的抽象层次. 信息空间中时-空流的原始数据通常是视/音频数据流. 对视频数据的低层处理是镜头检测(shot detection), 得到的结果是与每个镜头相关的关键帧. 这些关键帧可作为检索的接口, 也就是建立对偶关系的连接点. 由于通常的镜头检测只是根据视频特性的结构性变化, 而不是语义变化, 检测的关键帧不一定反映语义内容. 如果关键帧的检测是依据语义内容, 那么得到的关键帧就可作为高层语义的检索接口. 例如, 在数字会议记录中, 作为会议内容载体的共享白板与会议内容密论 坛第51卷 第5期 2006年3月切相关. 因此, 基于白板内容变化检测得到的关键帧, 就与高层语义相关, 这样就可建立高层的对偶关系. 更高层的对偶关系可以事件检测为基础. 例如, 足球体育视频分析中的射门、得分、犯规等事件的检测和检索[7,8]. 总之这类服务是把物理空间中的活动和事件自动生成信息空间中的电子档案, 并建立物理空间中的检索界面. 下面以足球视频分析为例, 说明数据的结构化及基于各个抽象层次的对偶关系.从足球比赛现场得到的是足球视频流, 这是典型的从物理空间向信息空间提供信息的过程. 这个原始数据经过视频分析后, 形成结构化的视频信息, 然后返回到物理空间里, 为人们提供信息服务. 这里的信息服务是多层次的, 我们研究的足球事件分析系统中的服务层次包括以下三个方面. (ⅰ) 基于对象: 这一级可以向用户提供基于对象的信息. 对象是指视频序列中的物体, 如球员、球门、球网、标题条、人脸等以及表征这些物体的特征, 如球员的球衣颜色, 球队的进攻方向等. 这些对象也可作为事件推论中所需的线索; (ⅱ) 基于镜头: 镜头是摄像机在做一次记录操作时得到的图像序列组成, 通常它记录了同一场景下的图像序列. 足球视频中, 在这一级可以向用户提供镜头尺度(远、中、近镜头)、是否是慢镜头等信息; (ⅲ) 基于事件: 将分析帧和镜头所得到的信息作为线索, 经过推理得到相应的事件, 如射门事件、换人事件等.线索是沟通底层特征与高层语义之间语义间隔的中间层信息. 线索本身是多层次的, 它可以是底层特征(如镜头频度、模糊度), 也可以具有一定的语义(如球门球网、人脸), 甚至是检测到的子事件. 从结构化的角度来看, 可以从每帧图像抽取线索, 也可以以镜头为单位抽取线索. 事件的检测是靠融合各线索进行推理来实现的, 为了选择合适的线索, 更好地进行事件推理需要通过因果分析, 与某一事件有较强因果关系的线索对该事件推理的帮助较大. 例如, 若检测到比分改变的标题条, 则必定有进球事件发生; 但有些线索与特定事件基本无关, 如球门球网对换人事件是否发生没有影响. 基于帧的线索包括: 球门球网的检测、标题条的检测和分类、人脸检测、服装颜色(区分双方球员和裁判)和进攻方向等等. 基于镜头的线索包括: 慢镜头检测、镜头尺度(远/中/近)、镜头频度(与镜头长度成反比)和镜头模糊度(是否有快速运动). 为了适应从线索到事件分析中的多层次的情况, 在我们的系统中提出了基于分层隐马尔可夫模型(hierarchical hidden Markov model, HHMM)的线索融合和事件推理的方法. 在文献[8~10]中介绍了对视频事件的分析方法, 这为在事件基础上的语义交互提供了可能. 2.3 系统级的对偶信息空间与物理空间在系统层次上的对偶关系,是建立在环境的上下文(context)信息基础上的对偶关系. 上下文中包含了关于用户、计算环境、物理环境以及历史等全面的信息. 信息空间在存储和管理上下文信息的基础上, 提供觉察上下文计算的服务, 也就是根据上下文信息对用户的意图做出判断并自适应地调整系统的性能, 以提供适合当前状态的服务. 这本质上就是建立系统级的对偶.智能空间是信息空间与物理空间在系统的各个层次上建立对偶关系的例子. 在智能空间中, 不但在环境中充满了各种信息设备, 而且在信息空间与物理空间之间, 从低层的传感器数据层次一直到高层语义以及在环境的上下文层次建立了对偶的关系, 也就是说信息空间能理解用户的需求或意图, 并根据当时的状态提供合适的服务, 因此有可能使用户得到透明计算(invisible computing)的信息服务. 以我们实验室研究和开发的Smart Classroom 系统为例说 明[11]. 在Smart Classroom 系统的教室前方是电子触摸式白板, 它是供本地交互的界面; 右方墙上由计算机控制的投影仪产生与远端学生交互的界面. 其中包括与远端部分学生交互的桌面会议的接口以及一个基于虚拟人像(avatar)技术的“虚拟助理”, 由它代表智能空间来协助用户与智能空间交互. 教师身份的识别是通过对人脸图像和讲话声音的识别来实现的. 在这个智能教室中, 教师就像在普通教室中那样, 通过语音和手势就可进行教学, 并且与远端的学生进行交互, 而无需坐在计算机面前. 教师的操作包括调用课件、在电子黑板上作注释、与远方的学生交流等.此系统建立了各个层次的对偶关系. 接口层次上的对偶关系是建立在以下接口上: 多媒体课件调用以及讲课用的电子白板; 供与远端学生交互的桌面会议和虚拟助理交互的墙面; 与登录系统交互的身份识别接口等. 功能层次上的对偶关系是系统把教室中发生的所有事件, 包括白板上的注释、教师讲解和动作、学生的提问等都记录为有结构的多媒体流, 并可供学生作为课件使用. 可根据所检测的各种事第51卷 第5期 2006年3月论 坛件在这个多媒体流上建立检索所需要的索引. 在目前的系统中只建立了基于镜头分割的索引, 对基于内容检索的支持有待下一步的工作. 系统层次上的对偶关系, 就是根据环境信息对用户的意图做出判断并自适应地调整系统的性能, 以提供适合当前状态的服务. 这本质上就是建立信息空间与物理空间在系统层次上的对偶关系. 如智能教室系统, “智能摄影师”模块可不需要用户的直接操作就可完成镜头的切换任务. 教师可以像是在普通教室中那样讲课, 系统中的计算机视觉系统能检测和跟踪他的运动并完成识别和理解. 这样系统就能推论和理解教师(即用户)的意图, 从而启动相应的镜头切换操作. 这个操作是用户进行某种动作的结果, 并且符合用户的需要. 这就是觉察上下文的计算服务, 它建立在系统级对偶的基础上.3 对偶关系的建立: 对偶空间中的人机交 互3.1 对偶空间中的人机交互对偶空间中的人机交互是对人机交互技术的全面革新. 从信息处理和交互技术的角度看, 对偶空间中的人机交互具有以下特点:(1) 用户是与信息空间进行交互. 对偶空间中的人机交互意味着, 所谓的“机”已不是单台计算机, 而是信息空间, 交互也不是发生在固定的桌面计算机面前, 而是在人们生活的三维物理空间中. 整个物理空间都可能是人机交互的接口, 同时, 用户可在三维空间中自由地移动. 在移动中使用计算机与得到计算和信息服务, 是现场工作用户对计算系统基本能力的要求. 因此, 对偶空间中的人机交互是动态的, 这与在桌面计算相对静止情况下的人机交互有很大不同. 移动环境下用户交互的特点包括动态的用户配置、有限的注意能力、高速的交互以及与上下文相 关[12].(2) 人机交互已不是桌面计算情况下的仅涉及接口数据/信息的输入/输出, 而是在各个层次上建立信息空间与物理空间的对偶关系. 建立了对偶关系, 才能完成从提出“信息服务请求”到提供“信息反馈”这样的全过程. 因为人们就生活在三维的物理空间中, 同时就在物理空间中获得计算和信息服务. 因此, 这种情况下建立人机交互环境的本质, 就是通过使信息空间与物理空间以各种方式建立对偶关系, 从而为用户提供更方便和多样的信息服务.信息空间与物理空间的对偶关系, 使得为用户提供个性化和适合当时情况的针对性服务成为可能. 人们是生活在物理空间中, 因此, 他所需要的服务是与物理环境密切相关的, 例如位置. 如果系统能检测到用户的位置, 就可能提供最适合当时地点的服务. 例如, 当用户在一个陌生的地方需要寻找餐厅吃饭时, 信息空间就可提供附近餐厅的分布信息. 同时通过建立对偶关系还可使物理空间中的物体具有信息空间中对象的特性. 例如, 超链是信息空间中对象之间的非线性链接关系, 而在对偶空间中就有可能在物理空间的物体之间建立超链.(3) 人与信息空间的交互需要觉察上下文计算(context aware computing)的支持. 当信息空间与物理空间在系统层次上建立了对偶关系, 也就是具有充分的关于用户以及计算环境的上下文信息, 在上下文信息的指导下, 信息空间有可能通过对用户动作的检测和分析来理解他的意图, 从而无需直接请求就可向用户提供适合的信息服务. 如果用户没有直接对信息空间发出信息服务请求, 他只是按物理空间中的规则行事或操作, 这时的人机交互看起来是蕴含在用户的其他行为之中, 因此这就被称为蕴含人机交互(implicit HCI)1). 与此相应, 这时的计算机或信息空间只是提供了服务, 并不需要用户直接的操作, 对用户来说它们可以隐藏起来不被看见. 所以, 也有人把计算机的这种工作模式称为不可见的或透明的计算.与桌面计算模式下上下文是固定的或人为设定的情况不同, 当交互发生在三维的物理空间中时, 上下文将随任务而变化, 而且由于工作环境是现场, 其中的背景情况不但复杂而且是动态变化的, 使上下文的动态性问题更加突出. 上下文在交互中的重要性表现为同样的输入, 不同的上下文可能具有不同的语义; 鉴于在人与人的交谈中应用蕴含的状态信息(即上下文)可提高交互的效率, 充分觉察环境中的上下文是实现普适计算系统尽可能少分散用户注意力这一目标的重要途径; 物理空间中的某个接口不是个人专有的, 而可能是由多人共享的. 因此在交互1) /~albrecht/pubs/pdf/schmidt_pete_3-2000-implicit-interaction.pdf。