Mathematics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Matematika Universitas — Tahun 2

Matematika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

5Ruang Vektor Bernorma

Ketika ruang metriknya berupa ruang vektor dan jaraknya berasal dari sebuah norma, topologi dan aljabar linear mulai saling berjalin: pemetaan linear bersifat kontinu persis ketika ia terbatas pada bola satuan, dimensi hingga memaksa semua norma sepakat, dan kelengkapan mengubah deret yang konvergen mutlak menjadi deret konvergen. Jurang antara dimensi hingga dan tak hingga — yang mengkristal pada teorema Riesz — adalah pelajaran terdalam bab ini.

Di sepanjang bab ini, E,FE, F adalah ruang vektor atas K=RK = \R atau C\C.

5.1 Norma

Definisi 5.1

Sebuah norma pada EE adalah pemetaan ∥ ⋅ ∥ ⁣:E→R+\norm{\,\cdot\,} \colon E \to \R_+ yang, untuk setiap x,y∈Ex, y \in E dan λ∈K\lambda \in K, memenuhi

∥x∥=0  ⟺  x=0,∥λx∥=∣λ∣ ∥x∥,∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥.\norm x = 0 \iff x = 0, \qquad \norm{\lambda x} = \abs\lambda\,\norm x, \qquad \norm{x + y} \leq \norm x + \norm y .

Maka d(x,y)=∥x−y∥d(x, y) = \norm{x - y} merupakan jarak, dan seluruh Bab 4 berlaku. Ketaksamaan segitiga terbalik ∣∥x∥−∥y∥∣≤∥x−y∥\bigl|\norm x - \norm y\bigr| \leq \norm{x - y} membuat normanya sendiri Lipschitz berkonstanta 11; sedangkan penjumlahan dan perkalian skalar bersifat kontinu (lewat taksiran ∥(x+y)−(x′+y′)∥≤∥x−x′∥+∥y−y′∥\norm{(x + y) - (x' + y')} \leq \norm{x - x'} + \norm{y - y'}, dan seterusnya).

Contoh 5.2

Pada KnK^n:

∥x∥1=∑i∣xi∣,∥x∥2=(∑i∣xi∣2)1/2,∥x∥∞=max⁡i∣xi∣\norm{x}_1 = \sum_i \abs{x_i}, \qquad \norm{x}_2 = \Bigl(\sum_i \abs{x_i}^2\Bigr)^{1/2}, \qquad \norm{x}_\infty = \max_i \abs{x_i}

(∥⋅∥2\norm\cdot_2 merupakan norma berkat Cauchy–Schwarz, jilid Tahun ke-1). Pada C([a, b])C(\intcc{a}{b}):

∥f∥∞=sup⁡∣f∣,∥f∥1=∫ab∣f∣,∥f∥2=(∫ab∣f∣2)1/2,\norm f_\infty = \sup \abs f, \qquad \norm f_1 = \int_a^b \abs f, \qquad \norm f_2 = \Bigl(\int_a^b \abs f^2\Bigr)^{1/2},

dua yang terakhir menjadi norma berkat kepositifan tegas integralnya dan Cauchy–Schwarz untuk integral (jilid Tahun ke-1). Pada matriks: norma apa pun pada Mn(K)≃Kn2\mathcal M_n(K) \simeq K^{n^2}; adapun norma operator di bawah ini yang penting secara struktural.

Definisi 5.3 (Norma yang setara)

Dua norma N1,N2N_1, N_2 pada EE disebut setara apabila ada konstanta c,C>0c, C > 0 dengan

c N1≤N2≤C N1.c\,N_1 \leq N_2 \leq C\, N_1 .

Norma yang setara punya himpunan terbuka yang sama, barisan konvergen dan barisan Cauchy yang sama, himpunan bagian kompak dan lengkap yang sama: jadi analisis yang sama.

Contoh 5.4 (Ketaksetaraan dalam dimensi tak hingga)

Pada C([0, 1])C(\intcc{0}{1}): selalu berlaku ∥f∥1≤∥f∥∞\norm f_1 \leq \norm f_\infty, tetapi tak ada batas sebaliknya: sebab fn(x)=xnf_n(x) = x^n punya ∥fn∥∞=1\norm{f_n}_\infty = 1 dan ∥fn∥1=1n+1→0\norm{f_n}_1 = \frac{1}{n+1} \to 0. Jadi fn→0f_n \to 0 untuk ∥⋅∥1\norm\cdot_1 tetapi tidak untuk ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty: kedua norma itu berselisih justru tentang kekonvergenannya sendiri.

Contoh 5.5 (Konstanta yang gamblang dalam dimensi nn)

Pada KnK^n ketiga norma klasiknya setara dengan konstanta yang tajam:

∥x∥∞≤∥x∥2≤∥x∥1≤n ∥x∥2≤n ∥x∥∞,\norm x_\infty \leq \norm x_2 \leq \norm x_1 \leq \sqrt n\,\norm x_2 \leq n\,\norm x_\infty ,

dengan batas tengahnya ∥x∥1≤n∥x∥2\norm x_1 \leq \sqrt n\norm x_2 berasal dari Cauchy–Schwarz terhadap vektor yang semua unsurnya satu. Vektor ekstremalnya: e1e_1 membuat dua ketaksamaan pertamanya menjadi kesamaan, dan (1,1,…,1)(1, 1, \dots, 1) membuat dua yang terakhir demikian. Dimensi nn duduk kasatmata di dalam konstantanya — inilah benih kuantitatif kegagalannya dalam dimensi tak hingga: ketika n→∞n \to \infty tak ada konstanta seragam yang bertahan, dan persis itulah yang diperlihatkan Contoh 5.4 pada ruang fungsi.

Bola satuan ketiga norma klasik ℝ2, yang bersarang persis seperti dituntut ketaksamaan pada : makin kecil bolanya, makin besar normanya. Kebulatannya penting: sisi datar pada belah ketupat dan pada perseginya tak lain kegagalan kecembungan tegas yang dimanfaatkan soal akhir pekan  dan soal akhir pekan bab ini (pertanyaan 4).
Bola satuan ketiga norma klasik R2\R^2, yang bersarang persis seperti dituntut ketaksamaan pada Contoh 5.5: makin kecil bolanya, makin besar normanya. Kebulatannya penting: sisi datar pada belah ketupat dan pada perseginya tak lain kegagalan kecembungan tegas yang dimanfaatkan soal akhir pekan Bab 8 dan soal akhir pekan bab ini (pertanyaan 4).

5.2 Pemetaan linear yang kontinu

Teorema 5.6 (Pencirian)

Untuk pemetaan linear u ⁣:E→Fu \colon E \to F antara ruang bernorma, pernyataan berikut setara:

  1. uu kontinu;
  2. uu kontinu di 00;
  3. uu terbatas pada bola satuan tertutup: sup⁡∥x∥≤1∥u(x)∥<∞\sup_{\norm x \leq 1} \norm{u(x)} < \infty;
  4. ada C≥0C \geq 0 dengan ∥u(x)∥≤C∥x∥\norm{u(x)} \leq C \norm x untuk setiap xx;
  5. uu bersifat Lipschitz.

Nilai CC terkecil yang demikian disebut norma operator ∣∣∣u∣∣∣=sup⁡∥x∥≤1∥u(x)∥=sup⁡x≠0∥u(x)∥∥x∥\vertiii{u} = \sup_{\norm x \leq 1}\norm{u(x)} = \sup_{x \neq 0} \frac{\norm{u(x)}}{\norm x}; norma itu menjadikan ruang Lc(E,F)\mathcal{L}_c(E, F) berisi pemetaan linear kontinu sebuah ruang bernorma, dengan

∣∣∣v∘u∣∣∣≤∣∣∣v∣∣∣ ∣∣∣u∣∣∣.\vertiii{v \circ u} \leq \vertiii v\, \vertiii u .

Bukti. (1 ⇒\Rightarrow 2) sepele. (2 ⇒\Rightarrow 3): kekontinuan di 00 dengan ε=1\varepsilon = 1 memberi δ\delta dengan ∥x∥≤δ⇒∥u(x)∥≤1\norm x \leq \delta \Rightarrow \norm{u(x)} \leq 1; lalu kehomogenannya menskalakan sembarang xx dengan ∥x∥≤1\norm x \leq 1 turun ke bola itu lalu kembali:

∥u(x)∥=1δ ∥u(δx)∥≤1δ,\norm{u(x)} = \frac1\delta\,\norm{u(\delta x)} \leq \frac1\delta ,

sebab ∥δx∥≤δ\norm{\delta x} \leq \delta. (3 ⇒\Rightarrow 4): untuk x≠0x \neq 0, terapkan batasnya pada x∥x∥\frac{x}{\norm x}. (4 ⇒\Rightarrow 5): ∥u(x)−u(y)∥=∥u(x−y)∥≤C∥x−y∥\norm{u(x) - u(y)} = \norm{u(x - y)} \leq C\norm{x - y}. (5 ⇒\Rightarrow 1) sudah diketahui.

Aksioma norma bagi ∣∣∣⋅∣∣∣\vertiii\cdot: kehomogenan dan pemisahannya jelas (sebab ∣∣∣u∣∣∣=0\vertiii u = 0 memaksa u=0u = 0 pada bolanya, jadi di mana-mana); ketaksamaan segitiganya dari ∥(u+v)(x)∥≤∥u(x)∥+∥v(x)∥\norm{(u + v)(x)} \leq \norm{u(x)} + \norm{v(x)}. Sifat submultiplikatifnya: ∥v(u(x))∥≤∣∣∣v∣∣∣ ∥u(x)∥≤∣∣∣v∣∣∣∣∣∣u∣∣∣∥x∥\norm{v(u(x))} \leq \vertiii v\,\norm{u(x)} \leq \vertiii v \vertiii u \norm x. ∎

Contoh 5.7

Pada (C([0, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr): evaluasi f↦f(0)f \mapsto f(0) bernorma operator 11; pengintegralan f↦∫01ff \mapsto \int_0^1 f bernorma 11; sedangkan pemetaan f↦∫01tf(t) ⁣dtf \mapsto \int_0^1 t f(t)\dd t bernorma ∫01t  ⁣dt=12\int_0^1 t\,\dd t = \frac12 (batas atasnya dari ketaksamaan segitiga untuk integral; dan tercapai di f≡1f \equiv 1). Namun penurunan, dari (C1,∥⋅∥∞)(C^1, \norm\cdot_\infty) ke (C0,∥⋅∥∞)(C^0, \norm\cdot_\infty), tidak kontinu: sebab ∥sin⁡(nx)∥∞=1\norm{\sin(nx)}_\infty = 1 padahal turunannya bernorma supremum nn. Linear tidak berarti kontinu dalam dimensi tak hingga.

Contoh 5.8 (Dua norma, dua vonis atas satu barisan)

Pada C([0, 1])C(\intcc01), misalkan gn(x)=n xng_n(x) = \sqrt{n}\,x^n. Maka

∥gn∥1=nn+1⟶0,∥gn∥22=n2n+1⟶12,∥gn∥∞=n⟶∞:\norm{g_n}_1 = \frac{\sqrt n}{n + 1} \longrightarrow 0, \qquad \norm{g_n}_2^2 = \frac{n}{2n + 1} \longrightarrow \frac12, \qquad \norm{g_n}_\infty = \sqrt n \longrightarrow \infty :

satu barisan, tiga norma, tiga perilaku — konvergen ke nol, tidak konvergen (normanya mapan di 12\frac1{\sqrt2} padahal limit titik demi titiknya 00), dan meledak. Massa yang memusat di dekat x=1x = 1 tak terlihat oleh ∥⋅∥1\norm\cdot_1, setengah terlihat oleh ∥⋅∥2\norm\cdot_2, dan mendominasi bagi ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty. Dalam dimensi tak hingga, “apakah ia konvergen?” bukan pertanyaan tentang sebuah barisan: ia pertanyaan tentang sebuah barisan beserta normanya.

Metode 5.9 (Menghitung sebuah norma operator)

Selalu dalam dua gerakan. Batas atas: taksirlah ∥u(x)∥\norm{u(x)} oleh C∥x∥C\norm x dengan ketaksamaan segitiga, Cauchy–Schwarz, atau batas integral — ini membuktikan ∣∣∣u∣∣∣≤C\vertiii u \leq C. Saksi: tunjukkan entah suatu x0≠0x_0 \neq 0 tertentu dengan ∥u(x0)∥=C∥x0∥\norm{u(x_0)} = C\norm{x_0} (batasnya tercapai), atau barisan vektor satuan xnx_n dengan ∥u(xn)∥→C\norm{u(x_n)} \to C (batasnya dihampiri). Kedua gerakan itu wajib: batas atas semata hanya memberi ∣∣∣u∣∣∣≤C\vertiii u \leq C, sedangkan saksi semata hanya memberi ∣∣∣u∣∣∣≥C\vertiii u \geq C. Dalam dimensi tak hingga saksinya boleh jadi harus berupa barisan — sebab supremumnya tak harus tercapai (Latihan 5.8).

Contoh 5.10 (Operator diagonal melihat semua norma sama saja)

Untuk D=diag⁡(d1,…,dn)D = \operatorname{diag}(d_1, \dots, d_n) pada KnK^n dengan salah satu mana pun dari norma ∥⋅∥1,∥⋅∥2,∥⋅∥∞\norm\cdot_1, \norm\cdot_2, \norm\cdot_\infty: dari ∣dixi∣≤(max⁡j∣dj∣)∣xi∣\abs{d_ix_i} \leq \bigl(\max_j\abs{d_j}\bigr)\abs{x_i} koordinat demi koordinat diperoleh ∥Dx∥≤max⁡j∣dj∣ ∥x∥\norm{Dx} \leq \max_j\abs{d_j}\,\norm x; dan x=ej0x = e_{j_0} (dengan indeks yang memaksimalkan) mencapainya. Jadi ∣∣∣D∣∣∣=max⁡j∣dj∣\vertiii D = \max_j\abs{d_j} pada ketiga kasusnya: bagi pemetaan diagonal, semua norma yang masuk akal menceritakan hal yang sama, yakni faktor peregangan terbesar. Segala kesulitan tentang norma operator justru berasal dari perilaku yang tidak diagonal — dan itulah sebabnya norma yang diselaraskan pada soal akhir pekan bab ini (pertanyaan 22) bekerja dengan lebih dulu memaksa sebuah matriks menjadi diagonal.

Contoh 5.11 (Jumlah kolom: kembaran Latihan 5.4 untuk norma 11)

Pada (Rn,∥⋅∥1)(\R^n, \norm\cdot_1), norma operator sebuah matriks AA adalah jumlah mutlak kolom yang terbesar. Jalankan metodenya: untuk ∥x∥1≤1\norm x_1 \leq 1,

∥Ax∥1=∑i∣∑jaijxj∣≤∑j∣xj∣∑i∣aij∣≤(max⁡j∑i∣aij∣)∥x∥1,\norm{Ax}_1 = \sum_i\Bigl|\sum_j a_{ij}x_j\Bigr| \leq \sum_j \abs{x_j}\sum_i\abs{a_{ij}} \leq \Bigl(\max_j\sum_i\abs{a_{ij}}\Bigr)\norm x_1 ,

dan batasnya tercapai di x=ej0x = e_{j_0} untuk kolom j0j_0 yang memaksimalkan — saksi paling rapi yang dapat dibayangkan. Jadi untuk A=(1−231)A = \left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right): ∣∣∣A∣∣∣1=max⁡(1+3, 2+1)=4\vertiii A_1 = \max(1 + 3,\ 2 + 1) = 4, sedangkan ∣∣∣A∣∣∣∞=4\vertiii A_\infty = 4 juga (lewat barisnya) — di sini kebetulan, bukan hukum: ubahlah unsur matriksnya secara tidak setangkup dan kedua normanya akan berpisah. Baris untuk ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, kolom untuk ∥⋅∥1\norm\cdot_1: jembatan keledainya, tiap norma punya vektor satuan (pola tanda, atau vektor basis) yang memungut jumlah yang bersesuaian.

Proposisi 5.12 (Pemetaan bilinear)

Pemetaan bilinear b ⁣:E×F→Gb \colon E \times F \to G bersifat kontinu bila dan hanya bila ∥b(x,y)∥≤C∥x∥ ∥y∥\norm{b(x,y)} \leq C\norm x\,\norm y untuk suatu CC; dan ketika itu ia Lipschitz pada himpunan terbatas. (Pola buktinya sama; hasil kali (u,v)↦v∘u(u, v) \mapsto v \circ u dan perkalian matriks adalah contoh kuncinya.)

Bukti. Jika batas itu berlaku, maka

b(x,y)−b(x0,y0)=b(x−x0, y)+b(x0, y−y0),b(x,y) - b(x_0,y_0) = b(x - x_0,\, y) + b(x_0,\, y - y_0),

sehingga ∥b(x,y)−b(x0,y0)∥≤C∥x−x0∥∥y∥+C∥x0∥∥y−y0∥\norm{b(x,y) - b(x_0,y_0)} \leq C\norm{x - x_0}\norm y + C\norm{x_0}\norm{y - y_0}: itulah kekontinuan di (x0,y0)(x_0, y_0), beserta batas Lipschitz di tempat ∥x∥,∥y∥≤R\norm x, \norm y \leq R. Sebaliknya, kekontinuan di (0,0)(0,0) memberi δ\delta dengan ∥b(x,y)∥≤1\norm{b(x,y)} \leq 1 pada ∥x∥,∥y∥≤δ\norm x, \norm y \leq \delta; lalu skalakan kedua peubahnya. ∎

5.3 Dimensi hingga

Teorema 5.13 (Kesetaraan norma dalam dimensi hingga)

Pada ruang berdimensi hingga, semua norma setara. Akibatnya, dalam dimensi hingga: kekonvergenan, keterbukaan, kekompakan, dan kelengkapan menjadi gagasan yang tak bergantung pada normanya; kompak == tertutup dan terbatas; ruangnya lengkap; dan setiap pemetaan linear (atau multilinear) dari ruang berdimensi hingga bersifat kontinu.

Bukti. Tetapkan sebuah basis lalu samakan E≃KnE \simeq K^n; cukuplah membandingkan sembarang norma NN dengan ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty.

Satu arahnya aljabar: N(x)=N(∑xiei)≤∑∣xi∣N(ei)≤C∥x∥∞N(x) = N(\sum x_i e_i) \leq \sum \abs{x_i} N(e_i) \leq C \norm x_\infty dengan C=∑N(ei)C = \sum N(e_i). Ini sekaligus menunjukkan NN kontinu pada (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty) (sebab ia Lipschitz-CC: ∣N(x)−N(y)∣≤N(x−y)\abs{N(x) - N(y)} \leq N(x - y)).

Arah satunya topologi: permukaan bola satuan S={x:∥x∥∞=1}S = \{x : \norm{x}_\infty = 1\} bersifat tertutup dan terbatas di (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty), jadi kompak (Teorema 4.16 (2), yang berlaku untuk Cn≃R2n\C^n \simeq \R^{2n}). Fungsi kontinu NN mencapai minimumnya cc pada SS; dan c>0c > 0 sebab NN hanya nol di 0∉S0 \notin S. Kehomogenannya lalu menyebarkan batas itu: N(x)≥c∥x∥∞N(x) \geq c \norm{x}_\infty untuk setiap xx.

Akibatnya: semua pernyataannya menyusut ke (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty), tempat semuanya sudah diketahui (Teorema 4.9, Teorema 4.16); dan pemetaan linear uu dari EE yang berdimensi hingga memenuhi ∥u(x)∥≤∑∣xi∣∥u(ei)∥≤C′∥x∥∞\norm{u(x)} \leq \sum\abs{x_i} \norm{u(e_i)} \leq C'\norm{x}_\infty: yakni batas (4) pada Teorema 5.6. ∎

Akibat 5.14

Subruang berdimensi hingga pada ruang bernorma apa pun bersifat tertutup.

Bukti. Ia lengkap terhadap norma imbasannya (Teorema 5.13), sedangkan himpunan bagian yang lengkap bersifat tertutup (Definisi 4.7). ∎

Contoh 5.15 (Sebuah hampiran terbaik yang dihitung lewat kesetangkupan)

Di (C([−1, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{-1}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr), seberapa jauh f(x)=∣x∣f(x) = \abs x dari subruang berdimensi dua yang tertutup berisi fungsi afin a+bxa + bx? Berkat kesetangkupannya, mengganti a+bxa + bx dengan a−bxa - bx tidak mengubah ∥f−(a±bx)∥∞\norm{f - (a \pm bx)}_\infty, dan titik tengahnya aa setidaknya sama baiknya (lewat ketaksamaan segitiga pada rata-ratanya): jadi cukuplah meninjau fungsi konstan. Untuk konstanta aa:

∥∣x∣−a∥∞=max⁡ (1−a, a)≥12,\norm{\abs x - a}_\infty = \max\,(1 - a,\ a) \geq \frac12 ,

yang minimum di a=12a = \frac12: jadi jaraknya 12\frac12, tercapai oleh konstanta 12\frac12. Perhatikan kurva galatnya ∣x∣−12\abs x - \frac12: ia mencapai ±12\pm\frac12 berselang-seling di x=−1,0,1x = -1, 0, 1 — tiga ekstremum bertanda berselang-seling bagi hampiran terbaik dari keluarga berparameter dua. Pola ekuiosilasi itu bukan kebetulan; ia sidik jari keoptimalan yang diubah soal akhir pekan bab ini menjadi teorema Chebyshev.

Contoh 5.16 (Subruang tertutup lawan subruang padat)

Di E=(C([0, 1]),∥⋅∥∞)E = \bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr): tiap Rn[X]\R_n[X] (polinomial berderajat ≤n\leq n, dibatasi pada [0, 1]\intcc01) merupakan subruang berdimensi hingga, jadi tertutup — sebab limit seragam polinomial berderajat ≤n\leq n tetap demikian. Namun gabungan R[X]\R[X] atas semuanya bersifat padat di EE (lewat teorema hampiran Weierstrass, yang dibuktikan pada Bab 10), dan subruang sejati yang padat sama sekali tidak tertutup. Pelajarannya: ketertutupan subruang adalah keistimewaan dimensi hingga; menumpuk lantai yang tertutup dapat membangun pencakar langit yang padat.

Teorema 5.17 (Riesz)

Bola satuan tertutup sebuah ruang bernorma EE bersifat kompak bila dan hanya bila dim⁡E<∞\dim E < \infty.

Bukti. Untuk dimensi hingga: cukuplah tertutup dan terbatas (Teorema 5.13).

Sebaliknya, andaikan dim⁡E=∞\dim E = \infty. Lema Riesz: untuk setiap subruang tertutup sejati F⊊EF \subsetneq E dan ε∈(0, 1)\varepsilon \in \intoo{0}{1}, ada vektor satuan xx dengan d(x,F)≥1−εd(x, F) \geq 1 - \varepsilon. Buktinya: pilih y∉Fy \notin F, misalkan δ=d(y,F)>0\delta = d(y, F) > 0 (sebab FF tertutup), pilihlah f∈Ff \in F dengan ∥y−f∥≤δ1−ε\norm{y - f} \leq \frac{\delta}{1 - \varepsilon}, lalu tetapkan x=y−f∥y−f∥x = \frac{y - f}{\norm{y - f}}: maka untuk sembarang g∈Fg \in F,

∥x−g∥=∥y−(f+∥y−f∥ g)∥∥y−f∥≥δ∥y−f∥≥1−ε,\norm{x - g} = \frac{\norm{y - (f + \norm{y-f}\,g)}}{\norm{y - f}} \geq \frac{\delta}{\norm{y-f}} \geq 1 - \varepsilon ,

sebab pembilangnya adalah jarak dari yy ke suatu titik FF.

Kini bangunlah vektor satuan x1,x2,…x_1, x_2, \dots secara induktif: Fk=Vect⁡(x1,…,xk)F_k = \operatorname{Vect}(x_1, \dots, x_k) berdimensi hingga, jadi tertutup (Akibat 5.14) dan sejati; lalu lema Riesz dengan ε=12\varepsilon = \frac12 menyediakan vektor satuan xk+1x_{k+1} dengan d(xk+1,Fk)≥12d(x_{k+1}, F_k) \geq \frac12. Barisan itu memenuhi ∥xp−xq∥≥12\norm{x_p - x_q} \geq \frac12 untuk p≠qp \neq q: jadi tak ada barisan bagian yang konvergen — sehingga bola satuannya tidak kompak. ∎

Contoh 5.18 (Riesz sebagai pendeteksi dimensi)

Apakah C([0, 1])C(\intcc01) berdimensi hingga? Riesz menjawabnya tanpa menunjukkan satu pun keluarga bebas tak hingga yang gamblang: barisan fn(x)=xnf_n(x) = x^n berada di bola satuan tertutup dan memenuhi, untuk m>nm > n, ∥fn−fm∥∞≥fn(x0)−fm(x0)>0\norm{f_n - f_m}_\infty \geq f_n(x_0) - f_m(x_0) > 0 di titik yang sesuai — dan hal itu dikuantifikasi dengan rapi pada soal akhir pekan bab ini (pertanyaan 16), tempat sebuah barisan bagian tetap berjarak antara ≥14\geq \frac14. Jadi tak ada barisan bagian yang konvergen, sehingga bolanya tidak kompak, sehingga dim⁡C([0, 1])=∞\dim C(\intcc01) = \infty menurut Teorema 5.17. Kekompakan bola satuan adalah dikotomi yang sempurna: ia berlaku dalam dimensi hingga, gagal dalam dimensi tak hingga, tanpa jalan tengah — geometrinya sendiri sudah membaca jenis dimensinya.

5.4 Ruang Banach

Definisi 5.19

Sebuah ruang Banach adalah ruang bernorma yang lengkap. Contohnya: setiap ruang bernorma berdimensi hingga (Teorema 5.13); (C([a, b]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{a}{b}), \norm\cdot_\infty\bigr) (Teorema 4.9); Lc(E,F)\mathcal{L}_c(E, F) untuk FF yang Banach (dengan pola bukti yang sama seperti untuk fungsi kontinu). Bukan contohnya: (C([0, 1]),∥⋅∥1)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_1\bigr) (Latihan 5.7).

Contoh 5.20 (Norma operator pengintegralan)

Pada (C([0, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc01), \norm\cdot_\infty\bigr), misalkan T(f)(x)=∫0xf(t)  ⁣dtT(f)(x) = \int_0^x f(t)\,\dd t (sebuah endomorfisma, sebab T(f)T(f) kontinu). Jalankan Metode 5.9. Batas atasnya:

∣T(f)(x)∣≤∫0x∣f∣≤x ∥f∥∞≤∥f∥∞,\abs{T(f)(x)} \leq \int_0^x\abs f \leq x\,\norm f_\infty \leq \norm f_\infty ,

jadi ∣∣∣T∣∣∣≤1\vertiii T \leq 1. Saksinya: f≡1f \equiv 1 memberi T(f)(x)=xT(f)(x) = x dan ∥T(f)∥∞=1=∥f∥∞\norm{T(f)}_\infty = 1 = \norm f_\infty: jadi tercapai, dan ∣∣∣T∣∣∣=1\vertiii T = 1. Namun perhatikan ∣∣∣T2∣∣∣=12≠∣∣∣T∣∣∣2\vertiii{T^2} = \frac12 \neq \vertiii T^2: memang T2(f)(x)=∫0x(x−t)f(t) ⁣dtT^2(f)(x) = \int_0^x(x - t)f(t)\dd t punya ∣T2(f)(x)∣≤x22∥f∥∞\abs{T^2(f)(x)} \leq \frac{x^2}2\norm f_\infty, yang lagi-lagi tercapai di f≡1f \equiv 1; dan secara umum ∣∣∣Tn∣∣∣=1n!\vertiii{T^n} = \frac1{n!} — sedangkan batas submultiplikatifnya ∣∣∣T∣∣∣n=1\vertiii T^n = 1 meleset sejauh satu faktorial. Justru gejala inilah yang diubah siasat iterat pada soal akhir pekan Bab 4 menjadi keterselesaian global persamaan diferensial linear.

Teorema 5.21 (Kekonvergenan mutlak pada ruang Banach)

Pada ruang Banach, jika ∑∥un∥<∞\sum \norm{u_n} < \infty maka ∑un\sum u_n konvergen, dan ∥∑un∥≤∑∥un∥\norm{\sum u_n} \leq \sum\norm{u_n}. (Teori lengkap deret pada ruang bernorma menjadi isi Bab 7.)

Bukti. Untuk jumlah parsial SNS_N: bila q>pq > p, maka ∥Sq−Sp∥≤∑n=p+1q∥un∥\norm{S_q - S_p} \leq \sum_{n=p+1}^{q}\norm{u_n}, yang menuju 00 (lewat kriteria Cauchy untuk deret real berisi normanya): jadi (SN)(S_N) bersifat Cauchy, sehingga konvergen. Ketaksamaannya berpindah ke limit dari ketaksamaan segitiga yang hingga. ∎

Contoh 5.22 (Eksponensial matriks, perkenalan pertama)

Eksponensial matriks: Mn(K)\mathcal{M}_n(K) dengan norma submultiplikatif apa pun (∣∣∣AB∣∣∣≤∣∣∣A∣∣∣∣∣∣B∣∣∣\vertiii{AB} \leq \vertiii A \vertiii B) bersifat Banach (karena berdimensi hingga). Maka, untuk setiap AA,

eA=∑k=0∞Akk!\eu^A = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{A^k}{k!}

konvergen mutlak (sebab ∣∣∣Ak/k!∣∣∣≤∣∣∣A∣∣∣k/k!\vertiii{A^k/k!} \leq \vertiii A^k /k!, yang terjumlahkan): jadi ia terdefinisi dengan baik. Bab 16 memanfaatkannya secara sistematis.

Contoh 5.23 (Deret Neumann yang berhenti)

Untuk A=(01200)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & \frac12\\ 0 & 0\end{smallmatrix}\right): berlaku ∣∣∣A∣∣∣<1\vertiii A < 1 pada norma operator apa pun yang dibangun atas norma Contoh 5.2, dan A2=0A^2 = 0, sehingga deret geometrinya runtuh:

(I−A)−1=∑k≥0Ak=I+A=(11201),(I - A)^{-1} = \sum_{k \geq 0} A^k = I + A = \begin{pmatrix}1 & \tfrac12\\ 0 & 1\end{pmatrix},

yang terperiksa lewat (I−A)(I+A)=I−A2=I(I - A)(I + A) = I - A^2 = I. Kenilpotenan memangkas deretnya persis seperti ia memangkas eksponensial pada Bab 3; dan contoh ini menakar harapan kita: invers Neumann pada umumnya berupa deret tak hingga, dan berupa polinomial persis ketika usikannya nilpoten, sedangkan galat setelah NN suku selalu terbatas oleh ekor geometrinya ∣∣∣A∣∣∣N+1/(1−∣∣∣A∣∣∣)\vertiii A^{N+1}/(1 - \vertiii A).

Contoh 5.24 (Eksponensial sebuah pembangkit rotasi)

Ambil A=(0−θθ0)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & -\theta\\ \theta & 0\end{smallmatrix}\right). Maka A2=−θ2IA^2 = -\theta^2 I, sehingga pangkatnya berputar dengan periode empat, dan deretnya terpecah menjadi bagian genap dan bagian ganjil:

eA=∑kAkk!=(∑j(−1)jθ2j(2j)!)I+(∑j(−1)jθ2j+1(2j+1)!)Aθ=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ),\eu^{A} = \sum_{k}\frac{A^k}{k!} = \Bigl(\sum_{j}\frac{(-1)^j\theta^{2j}}{(2j)!}\Bigr) I + \Bigl(\sum_{j}\frac{(-1)^j\theta^{2j+1}}{(2j+1)!}\Bigr) \frac{A}{\theta} = \begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta\\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix},

dengan semua penataan ulangnya disahkan oleh kekonvergenan mutlak. Eksponensial pembangkit yang antisetangkup adalah sebuah rotasi — yang di sini dihitung murni dari deretnya, tiga bab sebelum persamaan diferensial x′=Axx' = Ax (Bab 16) menjelaskan mengapa: sebab etA\eu^{tA} adalah gerak melingkar beraturan. Pelajaran penutupnya: kesamaan antar deret matriks dibuktikan persis seperti kesamaan skalar, asalkan sebuah norma submultiplikatif mengesahkan kekonvergenan mutlaknya.

Contoh 5.25 (Norma supremum berarti seragam: kamusnya)

Pernyataan ∥fn−f∥∞→0\norm{f_n - f}_\infty \to 0 adalah kekonvergenan seragam: satu bilangan, yakni sup⁡x∣fn(x)−f(x)∣\sup_x\abs{f_n(x) - f(x)}, membatasi galatnya di setiap titik sekaligus. Kamus itu bekerja pada fn(x)=xnf_n(x) = x^n atas [0, 1]\intcc{0}{1}: titik demi titik, fn→0f_n \to 0 pada [0, 1)\intco{0}{1} sedangkan fn(1)=1f_n(1) = 1; dalam norma, ∥fn−0∥∞=1↛0\norm{f_n - 0}_\infty = 1 \not\to 0, dan memang limit titik demi titiknya tidak kontinu, jadi mustahil menjadi limit terhadap ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty di C([0, 1])C(\intcc01) (yang tertutup terhadap limit seragam, Teorema 4.9). Pada [0, a]\intcc{0}{a} dengan a<1a < 1: ∥fn∥∞=an→0\norm{f_n}_\infty = a^n \to 0 — kekonvergenan seragamnya pulih setelah daerahnya diperkecil. Setiap pernyataan kekonvergenan pada Bab 10 adalah pernyataan tentang satu norma ini; mengingat kamusnya memaruhkan bab tersebut.

Catatan 5.26 (Jebakan yang sering muncul)

(i) Norma operator bergantung pada kedua norma yang dipilih: matriks yang sama punya ∣∣∣⋅∣∣∣∞\vertiii\cdot_\infty berupa jumlah baris (Latihan 5.4) dan ∣∣∣⋅∣∣∣1\vertiii\cdot_1 yang berbeda (jumlah kolom); jadi menyebut “norma” sebuah matriks tanpa menamai norma yang melandasinya tidak bermakna apa pun. (ii) ∣∣∣AB∣∣∣≤∣∣∣A∣∣∣ ∣∣∣B∣∣∣\vertiii{AB} \leq \vertiii A\,\vertiii B adalah ketaksamaan, dan lazimnya tegas — pangkatnya dapat menyusut jauh lebih cepat daripada dugaan batas ∣∣∣A∣∣∣k\vertiii A^k, dan justru itulah inti norma yang diselaraskan (soal akhir pekan bab ini, pertanyaan 22). (iii) “Linear berarti kontinu” adalah keistimewaan dimensi hingga: penurunan pada polinomial bersifat linear dan tak terbatas (Contoh 5.7). (iv) Kekonvergenan mutlak ∑un\sum u_n hanya menolong bila ruangnya lengkap (Latihan 7.9 membangun contoh penyangkalnya). (v) Dalam dimensi tak hingga, supremum atas bola satuan itu sungguh-sungguh supremum: jangan mengandaikan ia tercapai (Latihan 5.8).

Catatan 5.27 (Pandangan ke depan di dalam jilid ini)

Kini tiga janji temu sudah tertetapkan. Dengan Bab 7: pada ruang Banach, deret yang konvergen mutlak pasti konvergen, sehingga deret geometri dan deret eksponensial atas operator menjadi perkakas sehari-hari — untuk membalik I−AI - A dan menetapkan eA\eu^{A} (Contoh 7.2). Dengan Bab 10 dan Bab 11: kekonvergenan barisan fungsi dan deret pangkat tak lain kekonvergenan di (C,∥⋅∥∞)\bigl(C, \norm\cdot_\infty\bigr) (Contoh 5.25), dan jari-jari kekonvergenannya adalah pernyataan tentang deret geometri mana yang mendominasi. Dengan Bab 14: norma ∥⋅∥2\norm\cdot_2 dan ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty sungguh berselisih pada C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) (Contoh 5.8), dan persis itulah sebabnya kekonvergenan rata-rata kuadrat deret Fourier dan kekonvergenan seragam menjadi dua teorema berbeda dengan harga yang berbeda pula.

Catatan 5.28 (Di mana bab ini dipakai)

Norma operator dan deret geometri menggerakkan hujah usikan pada Bab 15 (teorema fungsi invers) dan eksponensial matriks pada Bab 16; kesetaraan norma diam-diam mengesahkan setiap hujah “pilih saja norma kesukaanmu” pada Bab 10 dan seterusnya; sedangkan jurang hingga/tak hingga pada teorema Riesz — yang dikuantifikasi pada soal akhir pekan bab ini — adalah alasan mengapa jilid Tahun ke-3 harus memakai perkakas baru (kekonvergenan lemah, Arzelà–Ascoli, proyeksi pada ruang Hilbert) di tempat jilid ini masih dapat menyarikan barisan bagian yang konvergen.

5.5 Latihan

Latihan 5.1 ★

Pada R2\R^2, gambarlah bola satuan ∥⋅∥1\norm\cdot_1, ∥⋅∥2\norm\cdot_2, ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, lalu buktikan ketaksamaan ∥x∥∞≤∥x∥2≤∥x∥1≤2∥x∥∞\norm x_\infty \leq \norm x_2 \leq \norm x_1 \leq 2\norm x_\infty dengan konstanta terbaik pada dimensi 22.

Solusi

Solusi Latihan 5.1.

Bola satuannya: belah ketupat (∥⋅∥1\norm\cdot_1), cakram (∥⋅∥2\norm\cdot_2), dan persegi (∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty), yang bersarang menurut urutan itu. Ketaksamaannya: ∥x∥∞≤∥x∥2\norm x_\infty \leq \norm x_2 (sebab satu kuadrat paling banyak sama dengan jumlahnya); ∥x∥2≤∥x∥1\norm x_2 \leq \norm x_1 (setelah dikuadratkan: x12+x22≤(∣x1∣+∣x2∣)2x_1^2 + x_2^2 \leq (\abs{x_1} + \abs{x_2})^2); dan ∥x∥1≤2∥x∥∞\norm x_1 \leq 2\norm x_\infty (dua suku, masing-masing ≤max⁡\leq \max). Ketajamannya: (1,0)(1, 0) membuat dua yang pertama menjadi kesamaan; sedangkan (1,1)(1, 1) membuat ∥x∥1=2∥x∥∞\norm x_1 = 2\norm x_\infty dan sekaligus menunjukkan bahwa ∥x∥2=2∥x∥∞\norm x_2 = \sqrt2 \norm x_\infty dan ∥x∥1=2∥x∥2\norm x_1 = \sqrt2 \norm x_2 merupakan rasio ekstrem pada arah sebaliknya.

Latihan 5.2 ★

Apakah N(f)=∣f(0)∣+∥f′∥∞N(f) = \abs{f(0)} + \norm{f'}_\infty merupakan norma pada C1([0, 1])C^1(\intcc{0}{1})? Bandingkan dengan ∥f∥∞\norm{f}_\infty: satu ketaksamaannya berlaku, satunya gagal (tunjukkan).

Solusi

Solusi Latihan 5.2.

Aksioma normanya: kehomogenan dan ketaksamaan segitiganya diwarisi suku demi suku; pemisahannya: N(f)=0N(f) = 0 memaksa f′=0f' = 0 (jadi ff konstan) sekaligus f(0)=0f(0) = 0, sehingga f=0f = 0. Jadi ia memang norma.

Perbandingannya: ∥f∥∞≤N(f)\norm f_\infty \leq N(f), sebab ∣f(x)∣≤∣f(0)∣+∣∫0xf′∣≤∣f(0)∣+∥f′∥∞\abs{f(x)} \leq \abs{f(0)} + \abs{\int_0^x f'} \leq \abs{f(0)} + \norm{f'}_\infty. Konversnya gagal: ambil fn(x)=1nsin⁡(nx)f_n(x) = \frac1n \sin(nx): maka ∥fn∥∞≤1n→0\norm{f_n}_\infty \leq \frac1n \to 0 padahal N(fn)=0+∥cos⁡(nx)∥∞=1N(f_n) = 0 + \norm{\cos(nx)}_\infty = 1. Jadi tak ada konstanta CC yang memberi N≤C∥⋅∥∞N \leq C\norm\cdot_\infty.

Latihan 5.3 ★

Hitunglah norma operator u(f)=∫01f(t) et  ⁣dtu(f) = \int_0^1 f(t)\,\eu^t\,\dd t pada (C([0, 1]),∥⋅∥∞)→R\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr) \to \R, dan norma operator geseran S(x1,x2,…,xn)=(x2,…,xn,0)S(x_1, x_2, \dots, x_n) = (x_2, \dots, x_n, 0) pada (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty).

Solusi

Solusi Latihan 5.3.

∣u(f)∣≤∥f∥∞∫01et  ⁣dt=(e−1)∥f∥∞\abs{u(f)} \leq \norm f_\infty \int_0^1 \eu^t\,\dd t = (\eu - 1)\norm f_\infty, dengan kesamaan untuk f≡1f \equiv 1: jadi ∣∣∣u∣∣∣=e−1\vertiii u = \eu - 1.

Geseran: ∥S(x)∥∞=max⁡(∣x2∣,…,∣xn∣)≤∥x∥∞\norm{S(x)}_\infty = \max(\abs{x_2}, \dots, \abs{x_n}) \leq \norm x_\infty, dengan kesamaan di x=e2x = e_2: jadi ∣∣∣S∣∣∣=1\vertiii S = 1 (untuk n≥2n \geq 2).

Latihan 5.4 ★★

Pada (Rn,∥⋅∥∞)(\R^n, \norm\cdot_\infty), buktikan bahwa norma operator sebuah matriks AA adalah ∣∣∣A∣∣∣∞=max⁡i∑j∣aij∣\vertiii A_\infty = \max_i \sum_j \abs{a_{ij}} (yakni jumlah mutlak baris yang terbesar). Hitunglah untuk (1−231)\begin{pmatrix} 1 & -2\\ 3 & 1\end{pmatrix}.

Solusi

Solusi Latihan 5.4.

Batas atasnya: untuk ∥x∥∞≤1\norm x_\infty \leq 1,

∣(Ax)i∣=∣∑jaijxj∣≤∑j∣aij∣,\abs{(Ax)_i} = \Bigl|\sum_j a_{ij}x_j\Bigr| \leq \sum_j \abs{a_{ij}},

jadi ∥Ax∥∞≤max⁡i∑j∣aij∣\norm{Ax}_\infty \leq \max_i \sum_j \abs{a_{ij}}. Tercapainya: misalkan i0i_0 mewujudkan maksimumnya lalu ambil xj=sign⁡(ai0j)x_j = \operatorname{sign}(a_{i_0 j}) (unsur bermodulus 11): maka (Ax)i0=∑j∣ai0j∣(Ax)_{i_0} = \sum_j \abs{a_{i_0 j}}. Karenanya rumusnya berlaku. Untuk matriks yang diberikan: jumlah barisnya 33 dan 44, jadi ∣∣∣A∣∣∣∞=4\vertiii A_\infty = 4.

Latihan 5.5 ★★

Buktikan bahwa GLn(K)GL_n(K) terbuka di Mn(K)\mathcal{M}_n(K) dan bahwa A↦A−1A \mapsto A^{-1} kontinu di sana. Petunjuk: untuk keterbukaannya, jika ∣∣∣H∣∣∣<1∣∣∣A−1∣∣∣\vertiii H < \frac{1}{\vertiii{A^{-1}}} maka A+H=A(I+A−1H)A + H = A(I + A^{-1}H) dengan ∣∣∣A−1H∣∣∣<1\vertiii{A^{-1}H} < 1, sedangkan I+BI + B punya invers untuk ∣∣∣B∣∣∣<1\vertiii B < 1 berkat deret geometrinya (Teorema 5.21); untuk kekontinuannya, batasi (A+H)−1−A−1(A+H)^{-1} - A^{-1} dengan deret yang sama.

Solusi

Solusi Latihan 5.5.

Deret geometri: untuk ∣∣∣B∣∣∣<1\vertiii B < 1, deret ∑Bk\sum B^k konvergen mutlak di Mn(K)\mathcal{M}_n(K) yang Banach (Teorema 5.21, sebab ∣∣∣Bk∣∣∣≤∣∣∣B∣∣∣k\vertiii{B^k} \leq \vertiii B^k), dan

(I−B)∑k=0KBk=I−BK+1⟶I:(I - B)\sum_{k=0}^{K} B^k = I - B^{K+1} \longrightarrow I :

jadi berkat kekontinuan hasil kalinya (Proposisi 5.12), (I−B)∑k≥0Bk=I(I - B)\sum_{k\geq0} B^k = I, sehingga I−BI - B punya invers berupa jumlah itu (dan ∣∣∣(I−B)−1∣∣∣≤11−∣∣∣B∣∣∣\vertiii{(I-B)^{-1}} \leq \frac{1}{1 - \vertiii B}).

Keterbukaannya: untuk AA yang berinvers dan ∣∣∣H∣∣∣<1∣∣∣A−1∣∣∣\vertiii H < \frac{1}{\vertiii{A^{-1}}}: A+H=A(I+A−1H)A + H = A(I + A^{-1}H) dengan ∣∣∣A−1H∣∣∣≤∣∣∣A−1∣∣∣∣∣∣H∣∣∣<1\vertiii{A^{-1}H} \leq \vertiii{A^{-1}}\vertiii H < 1: jadi berinvers. Karenanya sebuah bola di sekitar AA tetap berada di GLnGL_n.

Kekontinuan pembalikannya: dengan B=−A−1HB = -A^{-1}H,

(A+H)−1−A−1=((I−B)−1−I)A−1=(∑k≥1Bk)A−1,(A + H)^{-1} - A^{-1} = \bigl((I - B)^{-1} - I\bigr)A^{-1} = \Bigl(\sum_{k \geq 1} B^k\Bigr) A^{-1},

yang normanya ≤∣∣∣B∣∣∣1−∣∣∣B∣∣∣∣∣∣A−1∣∣∣→0\leq \frac{\vertiii B}{1 - \vertiii B}\vertiii{A^{-1}} \to 0 ketika H→0H \to 0.

Latihan 5.6 ★★

Misalkan φ\varphi sebuah bentuk linear pada ruang bernorma EE. Buktikan bahwa φ\varphi kontinu bila dan hanya bila ker⁡φ\ker\varphi tertutup. (Jika ker⁡φ\ker\varphi tertutup dan φ≠0\varphi \neq 0, pilih aa dengan φ(a)=1\varphi(a) = 1 dan r>0r > 0 dengan B(a,r)∩ker⁡φ=∅B(a, r) \cap \ker\varphi = \emptyset; lalu turunkan ∣φ(h)∣≤1r∥h∥\abs{\varphi(h)} \leq \frac{1}{r}\norm h lewat hujah penskalaan pada a−hφ(h)a - \frac{h}{\varphi(h)}.)

Solusi

Solusi Latihan 5.6.

Kontinu ⇒\Rightarrow kernelnya tertutup: sebab ia prapeta {0}\{0\} yang tertutup (Teorema 4.6).

Sebaliknya, andaikan ker⁡φ\ker\varphi tertutup dan φ≠0\varphi \neq 0. Pilih aa dengan φ(a)=1\varphi(a) = 1; karena a∉ker⁡φa \notin \ker\varphi dan kernelnya tertutup, ada bola B(a,r)B(a, r) yang melewatkannya. Kini misalkan h∈Eh \in E dengan φ(h)≠0\varphi(h) \neq 0: vektor a−hφ(h)a - \frac{h}{\varphi(h)} berada di ker⁡φ\ker\varphi, jadi di luar B(a,r)B(a, r):

∥hφ(h)∥≥r⟹∣φ(h)∣≤∥h∥r,\Bigl\Vert \frac{h}{\varphi(h)} \Bigr\Vert \geq r \quad\Longrightarrow\quad \abs{\varphi(h)} \leq \frac{\norm h}{r},

sebuah ketaksamaan yang juga berlaku secara sepele ketika φ(h)=0\varphi(h) = 0: yakni batas (4) pada Teorema 5.6, jadi kontinu.

Latihan 5.7 ★★

Buktikan bahwa (C([0, 1]),∥⋅∥1)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_1\bigr) tidak lengkap: tunjukkan bahwa fungsi fnf_n, berupa tanjakan afin dari 00 ke 11 pada [12−1n,12]\bigl[\frac12 - \frac1n, \frac12\bigr] (bernilai 00 sebelumnya dan 11 sesudahnya), membentuk barisan Cauchy yang tak punya limit kontinu terhadap ∥⋅∥1\norm\cdot_1.

Solusi

Solusi Latihan 5.7.

Misalkan fnf_n bernilai 00 pada [0, 12−1n]\intcc{0}{\frac12 - \frac1n}, afin sampai bernilai 11 di 12\frac12, lalu 11 pada [12, 1]\intcc{\frac12}{1}. Untuk m≥nm \geq n, fm−fnf_m - f_n bertumpu pada interval berpanjang 1n\frac1n dengan nilai di [−1, 1]\intcc{-1}{1}: jadi ∥fm−fn∥1≤1n\norm{f_m - f_n}_1 \leq \frac1n, sehingga Cauchy.

Andaikan fn→ff_n \to f terhadap ∥⋅∥1\norm\cdot_1 dengan ff kontinu. Pada [0, 12−δ]\intcc{0}{\frac12 - \delta} (dengan δ\delta tetap): ∫∣f∣=∫∣f−fn∣≤∥f−fn∥1→0\int \abs{f} = \int\abs{f - f_n} \leq \norm{f - f_n}_1 \to 0 untuk n>1δn > \frac1\delta, jadi ∫01/2−δ∣f∣=0\int_0^{1/2 - \delta}\abs f = 0, dan berkat kepositifan tegasnya f=0f = 0 di sana — untuk setiap δ\delta: jadi f=0f = 0 pada (0, 12)\intoo{0}{\frac12}. Serupa itu f=1f = 1 pada [12, 1]\intcc{\frac12}{1} (sebab semua fnf_n bernilai 11 di sana). Berkat kekontinuan di 12\frac12: 0=10 = 1, mustahil. Jadi tak ada limitnya: ruangnya tidak lengkap.

Latihan 5.8 ★★★

Pada E=C([0, 1])E = C(\intcc{0}{1}) dengan ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, tinjaulah

φ(f)=∑n≥1(−1)n 2−nf(1n).\varphi(f) = \sum_{n \geq 1} (-1)^n\, 2^{-n} f\bigl(\tfrac1n\bigr).

Buktikan bahwa φ\varphi merupakan bentuk linear kontinu yang terdefinisi dengan baik dengan ∣∣∣φ∣∣∣=1\vertiii\varphi = 1, tetapi supremum yang mendefinisikan ∣∣∣φ∣∣∣\vertiii\varphi tidak tercapai pada bola satuan tertutupnya. (Batas atasnya: ketaksamaan segitiga. Normanya =1= 1: bangunlah fKf_K yang kontinu dengan ∥fK∥∞≤1\norm{f_K}_\infty \leq 1 dan fK(1n)=(−1)nf_K(\frac1n) = (-1)^n untuk n≤Kn \leq K — sebab titik 1n\frac1n terpencil satu sama lain. Ketaktercapaiannya: kesamaan akan memaksa f(1n)=(−1)nf(\frac1n) = (-1)^n untuk setiap nn, dan itu tak selaras dengan kekontinuan ff di 00 karena 1n→0\frac1n \to 0.)

Solusi

Solusi Latihan 5.8.

Terdefinisi dengan baik dan kontinu: ∣φ(f)∣≤∑2−n∥f∥∞=∥f∥∞\abs{\varphi(f)} \leq \sum 2^{-n} \norm f_\infty = \norm f_\infty, jadi φ\varphi merupakan bentuk linear dengan ∣∣∣φ∣∣∣≤1\vertiii\varphi \leq 1 (deretnya konvergen mutlak untuk tiap ff).

Normanya 11: tetapkan KK; titik 1,12,…,1K1, \frac12, \dots, \frac1K berbeda sepasang demi sepasang, jadi ada fKf_K yang kontinu dengan ∥fK∥∞≤1\norm{f_K}_\infty \leq 1 dan fK(1n)=(−1)nf_K(\frac1n) = (-1)^n untuk n≤Kn \leq K (lewat interpolasi afin sepotong-sepotong, dan konstan di dekat 00). Maka

φ(fK)≥∑n=1K2−n−∑n>K2−n=1−2−K+1→K→∞1.\varphi(f_K) \geq \sum_{n=1}^{K} 2^{-n} - \sum_{n > K} 2^{-n} = 1 - 2^{-K+1} \xrightarrow[K \to \infty]{} 1 .

Tidak tercapai: jika ∥f∥∞≤1\norm f_\infty \leq 1 dan φ(f)=1\varphi(f) = 1, maka tiap sukunya wajib menyumbang maksimumnya: (−1)nf(1n)=1(-1)^n f(\frac1n) = 1 untuk setiap nn (sebab jika tidak, kekurangan tegas satu suku tak dapat ditutup, karena semua sukunya ≤2−n\leq 2^{-n}). Jadi f(1n)=(−1)nf(\frac1n) = (-1)^n; padahal 1n→0\frac1n \to 0 dan ff kontinu di 00, sehingga kekonvergenan (−1)n(-1)^n yang bertentangan itu terpaksa terjadi. Karenanya supremumnya bukan maksimum — dan hal itu mustahil dalam dimensi hingga, tempat bola satuan tertutupnya kompak.

Latihan 5.9 ★★★

Misalkan EE ruang bernorma yang bola satuan tertutupnya kompak. Turunkan kembali, tanpa mengutip Teorema 5.17, bahwa setiap barisan terbatas punya barisan bagian yang konvergen, lalu buktikan bahwa setiap bentuk linear pada EE kontinu bila dan hanya bila dim⁡E<∞\dim E < \infty. (Untuk dimensi tak hingga, bangunlah bentuk yang tak kontinu dengan menetapkannya secara bebas pada barisan bebas linear yang ternormalkan lalu memperluasnya — dengan menerima keberadaan pelengkap aljabarnya.)

Solusi

Solusi Latihan 5.9.

Barisan terbatas: barisan terbatas berada di suatu bola tertutup B‾(0,R)=R B‾(0,1)\overline B(0, R) = R\,\overline B(0,1), yang kompak (sebab ia peta bola satuan yang kompak di bawah homeomorfisma x↦Rxx \mapsto Rx): jadi sarikan saja di sana.

Bentuk linear: jika dim⁡E<∞\dim E < \infty, setiap pemetaan linear dari EE bersifat kontinu (Teorema 5.13). Sebaliknya, andaikan dim⁡E=∞\dim E = \infty (yang sebenarnya, menurut Teorema 5.17, sudah disingkirkan oleh hipotesis kekompakannya — inti pertanyaan ini adalah implikasi antara kedua sifat itu pada ruang bernorma umum): pilihlah barisan (en)(e_n) yang bebas linear dan ternormalkan, lengkapi menjadi basis aljabar (yang diterima saja), lalu tetapkan φ(en)=n\varphi(e_n) = n dan φ=0\varphi = 0 pada vektor basis lainnya, diperluas secara linear. Maka ∣φ(en)∣=n\abs{\varphi(e_n)} = n dengan ∥en∥=1\norm{e_n} = 1: jadi ia tak terbatas pada bola satuannya, yakni tidak kontinu. Karenanya “semua bentuk kontinu” memaksa dimensi hingga.

Latihan 5.10 ★★

Pada C([0, 1])C(\intcc{0}{1}), buktikan ∥f∥1≤∥f∥2≤∥f∥∞\norm f_1 \leq \norm f_2 \leq \norm f_\infty (lewat Cauchy–Schwarz untuk yang pertama), lalu tunjukkan dengan keluarga fn(x)=xnf_n(x) = x^n bahwa tak satu pun ketaksamaannya dapat dibalik hingga sebuah konstanta: jadi ketiga normanya tak setara sepasang demi sepasang.

Solusi

Solusi Latihan 5.10.

Cauchy–Schwarz terhadap fungsi konstan 11: ∥f∥1=∫01∣f∣⋅1≤(∫01f2)1/2(∫011)1/2=∥f∥2\norm f_1 = \int_0^1 \abs f\cdot 1 \leq \bigl(\int_0^1 f^2\bigr)^{1/2}\bigl(\int_0^1 1\bigr)^{1/2} = \norm f_2. Dan ∥f∥22=∫f2≤∥f∥∞2\norm f_2^2 = \int f^2 \leq \norm f_\infty^2. Untuk fn(x)=xnf_n(x) = x^n:

∥fn∥1=1n+1,∥fn∥2=12n+1,∥fn∥∞=1.\norm{f_n}_1 = \frac1{n+1}, \qquad \norm{f_n}_2 = \frac1{\sqrt{2n+1}}, \qquad \norm{f_n}_\infty = 1 .

Maka ∥fn∥2/∥fn∥1=n+12n+1→∞\norm{f_n}_2/\norm{f_n}_1 = \frac{n+1}{\sqrt{2n+1}} \to \infty dan ∥fn∥∞/∥fn∥2=2n+1→∞\norm{f_n}_\infty/\norm{f_n}_2 = \sqrt{2n+1} \to \infty: jadi tak ada ketaksamaan sebaliknya, dan tak ada pasangan yang setara.

Latihan 5.11 ★★

(Jarak ke sebuah hiperbidang) Misalkan φ\varphi bentuk linear kontinu yang tak nol pada ruang bernorma EE. Buktikan bahwa

d(x,ker⁡φ)=∣φ(x)∣∣∣∣φ∣∣∣(x∈E),d\bigl(x, \ker\varphi\bigr) = \frac{\abs{\varphi(x)}}{\vertiii\varphi} \qquad (x \in E),

lalu periksa pada Latihan 5.8 bahwa infimumnya tak harus tercapai oleh titik hiperbidangnya.

Solusi

Solusi Latihan 5.11.

Batas bawah bagi jaraknya: untuk h∈ker⁡φh \in \ker\varphi berlaku ∣φ(x)∣=∣φ(x−h)∣≤∣∣∣φ∣∣∣ ∥x−h∥\abs{\varphi(x)} = \abs{\varphi(x - h)} \leq \vertiii\varphi\,\norm{x - h}; ambil infimumnya atas hh: d(x,ker⁡φ)≥∣φ(x)∣/∣∣∣φ∣∣∣d(x, \ker\varphi) \geq \abs{\varphi(x)}/\vertiii\varphi.

Batas atasnya: kita boleh mengandaikan φ(x)≠0\varphi(x) \neq 0. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, pilih vektor satuan uu dengan ∣φ(u)∣≥∣∣∣φ∣∣∣−ε>0\abs{\varphi(u)} \geq \vertiii\varphi - \varepsilon > 0 lalu tetapkan h=x−φ(x)φ(u) uh = x - \frac{\varphi(x)}{\varphi(u)}\,u: maka φ(h)=0\varphi(h) = 0 dan

∥x−h∥=∣φ(x)∣∣φ(u)∣≤∣φ(x)∣∣∣∣φ∣∣∣−ε.\norm{x - h} = \frac{\abs{\varphi(x)}}{\abs{\varphi(u)}} \leq \frac{\abs{\varphi(x)}}{\vertiii\varphi - \varepsilon}.

Lalu ambil ε→0\varepsilon \to 0: d(x,ker⁡φ)≤∣φ(x)∣/∣∣∣φ∣∣∣d(x, \ker\varphi) \leq \abs{\varphi(x)}/\vertiii\varphi, jadi keduanya sama.

Ketaktercapaiannya: ambil φ\varphi dari Latihan 5.8 (∣∣∣φ∣∣∣=1\vertiii\varphi = 1, yang tidak tercapai) dan sembarang xx dengan φ(x)≠0\varphi(x) \neq 0. Seandainya suatu h∈ker⁡φh \in \ker\varphi mewujudkan ∥x−h∥=∣φ(x)∣\norm{x - h} = \abs{\varphi(x)}, maka vektor satuan v=(x−h)/∥x−h∥v = (x - h)/\norm{x - h} akan memenuhi ∣φ(v)∣=∣φ(x)∣/∥x−h∥=1=∣∣∣φ∣∣∣\abs{\varphi(v)} = \abs{\varphi(x)}/\norm{x - h} = 1 = \vertiii\varphi: jadi norma operatornya tercapai — kontradiksi.

Latihan 5.12 ★★★

Pada E=R[X]E = \R[X] (semua polinomial), misalkan N1(P)=sup⁡[0, 1]∣P∣N_1(P) = \sup_{\intcc{0}{1}}\abs P dan N2(P)=sup⁡[0, 2]∣P∣N_2(P) = \sup_{\intcc{0}{2}}\abs P. Tunjukkan bahwa N1≤N2N_1 \leq N_2 tetapi N1N_1 dan N2N_2 tidak setara; lalu turunkan bahwa identitas (E,N2)→(E,N1)(E, N_2) \to (E, N_1) merupakan bijeksi linear kontinu yang inversnya tidak kontinu. Terakhir tunjukkan bahwa (E,N1)(E, N_1) tidak lengkap (lewat jumlah parsial Taylor ex\eu^x). Ketiga gejala itu mustahil dalam dimensi hingga — katakanlah mengapa.

Solusi

Solusi Latihan 5.12.

Ketaksamaan N1≤N2N_1 \leq N_2 tak lain kemonotonan supremum terhadap daerahnya, jadi identitas (E,N2)→(E,N1)(E, N_2) \to (E, N_1) bersifat Lipschitz-11. Untuk Pn(x)=(x/2)nP_n(x) = (x/2)^n: N2(Pn)=1N_2(P_n) = 1 (tercapai di x=2x = 2) sedangkan N1(Pn)=2−nN_1(P_n) = 2^{-n}: jadi batas N2≤CN1N_2 \leq CN_1 akan memberi 1≤C2−n1 \leq C2^{-n} untuk setiap nn: mustahil. Karenanya kedua normanya tak setara dan identitas sebaliknya merupakan bijeksi linear yang tidak kontinu.

Ketaklengkapannya: misalkan Sn=∑k=0nXkk!S_n = \sum_{k=0}^{n}\frac{X^k}{k!}. Untuk m>nm > n, N1(Sm−Sn)≤∑k>n1k!→0N_1(S_m - S_n) \leq \sum_{k>n}\frac1{k!} \to 0: jadi Cauchy terhadap N1N_1. Jika Sn→PS_n \to P di (E,N1)(E, N_1), maka titik demi titik P(x)=lim⁡Sn(x)=exP(x) = \lim S_n(x) = \eu^x pada [0, 1]\intcc{0}{1}; padahal polinomial berderajat dd tak mungkin sama dengan ex\eu^x pada sebuah interval (turunkan d+1d + 1 kali: ruas kirinya mati, ex\eu^x tidak). Jadi tak ada limitnya di EE: tidak lengkap.

Dalam dimensi hingga ketiga gejala itu mustahil: semua norma setara, setiap ruang bernorma bersifat lengkap, dan invers sebuah bijeksi linear bersifat linear dari ruang berdimensi hingga, jadi kontinu (Teorema 5.13).

5.6 Soal: Hampiran Terbaik dan Teorema Chebyshev

Seberapa baik sebuah fungsi dapat dihampiri oleh polinomial berderajat tertentu, dan polinomial mana yang paling baik? Untuk sisi keberadaannya, jawabannya milik bab ini: kekompakan dalam dimensi hingga membuat hampiran terbaik itu ada. Untuk sisi gamblangnya, satu kasus tak sepele dapat diselesaikan tuntas dengan tangan kosong — di antara semua polinomial monik berderajat nn, yang bernorma supremum terkecil pada [−1, 1]\intcc{-1}{1} adalah polinomial Chebyshev (yang dinormalkan), dengan norma 21−n2^{1-n}: itulah teorema ekstremal Chebyshev. Soal ini membuktikan kedua sisinya, lalu menakar seberapa parah kekompakan itu gagal dalam dimensi tak hingga: bola satuan C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) memuat gugusan titik tak hingga banyak yang jarak antaranya 11.

Soal 5.1

Soal akhir pekan — teorema ekstremal Chebyshev dan geometri bola satuan

Norma tanpa indeks adalah norma supremum pada ruas yang disebutkan.

Bagian I — Hampiran terbaik pada ruang bernorma.

  1. Misalkan FF subruang berdimensi hingga sebuah ruang bernorma EE dan x∈Ex \in E. Buktikan bahwa jarak d(x,F)=inf⁡f∈F∥x−f∥d(x, F) = \inf_{f \in F}\norm{x - f} tercapai (susutkan ke himpunan bagian FF yang tertutup dan terbatas lalu pakai Teorema 5.13).
  2. Sebuah norma disebut cembung tegas apabila ∥u∥=∥v∥=1\norm u = \norm v = 1 dan u≠vu \neq v mengakibatkan ∥u+v2∥<1\bigl\Vert\frac{u + v}2\bigr\Vert < 1. Tunjukkan bahwa ∥⋅∥2\norm\cdot_2 pada Rn\R^n bersifat cembung tegas (lewat kesamaan jajargenjang), dan bahwa ∥⋅∥1\norm\cdot_1 dan ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty tidak demikian untuk n≥2n \geq 2.
  3. Buktikan bahwa untuk norma yang cembung tegas, hampiran terbaik pada pertanyaan 1 bersifat tunggal.
  4. Di (R2,∥⋅∥∞)(\R^2, \norm\cdot_\infty), hitunglah semua hampiran terbaik bagi x=(0,1)x = (0, 1) oleh garis F=Vect⁡((1,0))F = \operatorname{Vect}\bigl((1,0)\bigr): yakni satu interval berisi pemberi minimum.
  5. Di (C([a, b]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{a}{b}), \norm\cdot_\infty\bigr), tunjukkan bahwa hampiran terbaik ff oleh fungsi konstan bersifat tunggal, sama dengan c∗=max⁡f+min⁡f2c^* = \frac{\max f + \min f}{2}, dengan jarak max⁡f−min⁡f2\frac{\max f - \min f}{2}; lalu hitunglah keduanya untuk f(x)=x2f(x) = x^2 pada [0, 1]\intcc{0}{1}.

Bagian II — Polinomial Chebyshev.

  1. Tunjukkan bahwa ada tepat satu polinomial TnT_n dengan Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta untuk setiap θ\theta (lewat rekurensi Tn+1=2XTn−Tn−1T_{n+1} = 2XT_n - T_{n-1} dari rumus penjumlahan kosinus), bahwa deg⁡Tn=n\deg T_n = n, dan bahwa koefisien utamanya 2n−12^{n-1} untuk n≥1n \geq 1.
  2. Tunjukkan ∣Tn∣≤1\abs{T_n} \leq 1 pada [−1, 1]\intcc{-1}{1}, dengan Tn(ηk)=(−1)kT_n(\eta_k) = (-1)^k pada n+1n + 1 titik ηk=cos⁡kπn\eta_k = \cos\frac{k\pi}{n} (k=0,…,nk = 0, \dots, n), dan bahwa akar TnT_n adalah nn titik cos⁡(2k−1)π2n\cos\frac{(2k-1)\pi}{2n}, yang menyelang-nyeling ηk\eta_k.
  3. Hitunglah T2,T3,T4T_2, T_3, T_4, lalu periksalah pergantian tanda T3T_3 di η0,…,η3=1,12,−12,−1\eta_0, \dots, \eta_3 = 1, \frac12, -\frac12, -1 lewat penilaian langsung.
  4. Untuk ∣x∣≥1\abs x \geq 1, buktikan

    Tn(x)=(x+x2−1)n+(x−x2−1)n2,T_n(x) = \frac{\bigl(x + \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n + \bigl(x - \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n}{2},

    lalu turunkan Tn(x)∼12(x+x2−1)n→∞T_n(x) \sim \frac12\bigl(x + \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n \to \infty secara geometri untuk x>1x > 1 yang tetap.

  5. Buktikan hukum penyusunan Tm∘Tn=TmnT_m \circ T_n = T_{mn} (periksa pada [−1, 1]\intcc{-1}{1} lalu panggil kekakuan polinomial).

Bagian III — Teorema ekstremal Chebyshev. Tulis Qn=21−nTnQ_n = 2^{1-n}T_n (yang monik, menurut pertanyaan 6).

  1. Misalkan PP monik berderajat n≥1n \geq 1 dengan sup⁡[−1, 1]∣P∣<21−n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P < 2^{1-n}. Dengan menilai D=Qn−PD = Q_n - P di titik ηk\eta_k lalu mencacah pergantian tandanya, turunkan sebuah kontradiksi. Simpulkan:

    sup⁡[−1, 1]∣P∣  ≥  21−nuntuk setiap P monik berderajat n.\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P \;\geq\; 2^{1-n} \qquad\text{untuk setiap } P \text{ monik berderajat } n.
  2. (Kasus kesamaan) Andaikan sup⁡[−1, 1]∣P∣=21−n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P = 2^{1-n} dengan PP monik berderajat nn, dan misalkan D=Qn−P≠0D = Q_n - P \neq 0. Tunjukkan (−1)kD(ηk)≥0(-1)^kD(\eta_k) \geq 0 untuk setiap kk; tunjukkan bahwa masing-masing dari nn interval [ηk, ηk−1]\intcc{\eta_{k}}{\eta_{k-1}} memuat sebuah nol DD, dan bahwa nol yang dibagi dua interval berurutan merupakan titik dalam ηk\eta_k yang D′=0D' = 0 pula di sana. Simpulkan bahwa DD punya nn nol dihitung dengan multiplisitasnya, jadi D=0D = 0: pemberi minimumnya tepat QnQ_n — itulah teorema ekstremal Chebyshev.
  3. Nyatakan ulang teoremanya sebagai jarak: pada [−1, 1]\intcc{-1}{1},

    d∞(Xn, Rn−1[X])=21−n,d_\infty\bigl(X^n,\ \R_{n-1}[X]\bigr) = 2^{1-n},

    dengan hampiran terbaik tunggal Xn−QnX^n - Q_n; lalu tunjukkan lewat penyulihan afin x=1+t2x = \frac{1+t}2 bahwa pada [0, 1]\intcc{0}{1} jaraknya menjadi 21−2n2^{1-2n}.

  4. (Simpul interpolasi yang optimal) Untuk nn simpul x1,…,xn∈[−1, 1]x_1, \dots, x_n \in \intcc{-1}{1}, polinomial simpulnya ω(x)=∏i(x−xi)\omega(x) = \prod_i(x - x_i) bersifat monik berderajat nn. Turunkan dari pertanyaan 12 pilihan simpul mana yang meminimumkan sup⁡[−1, 1]∣ω∣\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs\omega, yakni faktor yang bergantung simpul pada batas galat interpolasi klasik, lalu berikan nilai minimumnya.
  5. Periksalah kasus n=2n = 2 teoremanya dengan tangan (carilah inf⁡csup⁡[−1, 1]∣x2−c∣\inf_c \sup_{\intcc{-1}{1}}\abs{x^2 - c} secara langsung), lalu hitunglah secara numerik jarak pada pertanyaan 13 di [0, 1]\intcc{0}{1} untuk n=10n = 10. Apa yang dikatakan besarnya tentang grafik x10x^{10}?

Bagian IV — Bola satuan C([0, 1])C(\intcc{0}{1}).

  1. Misalkan gk(x)=x2kg_k(x) = x^{2^k}. Tunjukkan ∥gk∥∞=1\norm{g_k}_\infty = 1 dan ∥gk−gj∥∞≥14\norm{g_k - g_j}_\infty \geq \frac14 untuk j>kj > k (nilailah di titik tempat x2k=12x^{2^k} = \frac12): yakni sebuah barisan terbatas yang gamblang tanpa barisan bagian yang konvergen — jadi bola satuan tertutupnya tidak kompak, dengan tangan kosong.
  2. (Lema Riesz, dipertajam) Misalkan FF subruang sejati berdimensi hingga sebuah ruang bernorma EE. Dengan memakai pertanyaan 1, hasilkan vektor satuan xx dengan d(x,F)=1d(x, F) = 1 persis — bukan sekadar ≥1−ε\geq 1 - \varepsilon seperti pada lema Teorema 5.17.
  3. Turunkan: pada setiap ruang bernorma berdimensi tak hingga ada barisan vektor satuan yang jarak antaranya ≥1\geq 1, lalu turunkan kembali teorema Riesz dari situ.
  4. Di C([0, 1])C(\intcc{0}{1}), tunjukkan gugusan semacam itu secara gamblang: yakni fungsi tenda hnh_n yang bertumpu pada [1n+1,1n]\bigl[\frac1{n+1}, \frac1n\bigr] dengan puncak bernilai 11. Periksalah ∥hn∥=1\norm{h_n} = 1, ∥hn−hm∥=1\norm{h_n - h_m} = 1 untuk n≠mn \neq m, lalu perhatikan bahwa hn→0h_n \to 0 titik demi titik tetapi tidak secara seragam.
  5. (Keterbatasan total gagal) Tunjukkan bahwa bola satuan tertutup C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) tak dapat diselimuti oleh berhingga banyak bola berjari-jari 13\frac13 (sebab tiap bola semacam itu memuat paling banyak satu hnh_n) — dan bandingkan dengan langkah keterbatasan total pada bukti Teorema 4.20.

Bagian V — Norma yang bekerja pada matriks, dan rangkuman.

  1. Buktikan bahwa setiap nilai eigen λ\lambda pada A∈Mn(C)A \in \mathcal{M}_n(\C) memenuhi ∣λ∣≤∣∣∣A∣∣∣\abs\lambda \leq \vertiii A untuk setiap norma operator; lalu terapkan Latihan 5.4 untuk membatasi nilai eigen (1−231)\left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right) dan bandingkan dengan modulus sejatinya.
  2. (Norma yang diselaraskan) Misalkan AA dapat didiagonalkan, A=P diag(λ1,…,λn) P−1A = P\,\mathrm{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n)\,P^{-1}. Tunjukkan bahwa NP(x)=∥P−1x∥∞N_P(x) = \norm{P^{-1}x}_\infty merupakan norma yang norma operatornya memenuhi ∣∣∣A∣∣∣NP=max⁡i∣λi∣\vertiii A_{N_P} = \max_i\abs{\lambda_i}.
  3. Turunkan: untuk AA yang dapat didiagonalkan, Ak→0A^k \to 0 bila dan hanya bila semua nilai eigennya memenuhi ∣λi∣<1\abs{\lambda_i} < 1 — dan kesetaraan norma membuat kesimpulan itu tak bergantung pada normanya. Periksalah pada A=14(1221)A = \frac14\left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 2 & 1\end{smallmatrix}\right).
  4. (Konstanta kesetaraannya meledak) Pada Rn[X]\R_n[X], bandingkan Nc(P)=max⁡k∣ak∣N_c(P) = \max_k \abs{a_k} (atas koefisiennya) dengan ∥P∥[0, 1]\norm{P}_{\intcc{0}{1}}: keduanya norma, jadi keduanya setara untuk tiap nn yang tetap; tetapi tunjukkan, dengan memakai pemberi minimum monik pada pertanyaan 13 di [0, 1]\intcc{0}{1}, bahwa konstanta terbaik CnC_n pada Nc≤Cn∥⋅∥[0, 1]N_c \leq C_n\norm\cdot_{\intcc{0}{1}} memenuhi Cn≥22n−1C_n \geq 2^{2n-1}. Simpulkan dalam satu kalimat mengapa “semua norma setara” mati dalam dimensi tak hingga.
  5. (Rangkuman) Satu kalimat untuk masing-masing: di mana kekompakan bola berdimensi hingga bekerja (pertanyaan 1, 12); apa yang dikuasai kecembungan tegas; apa yang dihancurkan gugusan pada pertanyaan 18–19; dan bagaimana pertanyaan 24 mengukur kegagalannya. Sebutkan puncaknya (teorema ekstremal Chebyshev) lalu nyatakan di mana hampiran terbaik menemukan rumah modernnya (teorema proyeksi pada ruang Hilbert, jilid Tahun ke-3, tempat kelengkapan menggantikan kekompakan).
Solusi

Solusi Soal 5.1.

1. Calon yang patut ditinjau membentuk K={f∈F:∥x−f∥≤∥x∥}K = \{f \in F : \norm{x - f} \leq \norm x\}: tak kosong (sebab 0∈K0 \in K), tertutup (sebab ia prapeta sebuah interval tertutup di bawah pemetaan kontinu f↦∥x−f∥f \mapsto \norm{x - f}, yang diiriskan dengan FF yang tertutup, Akibat 5.14), dan terbatas (sebab ∥f∥≤∥f−x∥+∥x∥≤2∥x∥\norm f \leq \norm{f - x} + \norm x \leq 2\norm x). Di dalam FF yang berdimensi hingga, tertutup dan terbatas berarti kompak (Teorema 5.13); lalu fungsi kontinu f↦∥x−f∥f \mapsto \norm{x - f} mencapai infimumnya pada KK, dan infimum itu sama dengan infimum atas seluruh FF (sebab sembarang f∉Kf \notin K memberi ∥x−f∥>∥x∥≥inf⁡\norm{x - f} > \norm x \geq \inf).

2. Kesamaan jajargenjang di (Rn,∥⋅∥2)(\R^n, \norm\cdot_2): ∥u+v∥2+∥u−v∥2=2∥u∥2+2∥v∥2\norm{u + v}^2 + \norm{u - v}^2 = 2\norm u^2 + 2\norm v^2 (uraikan kuadrat jumlah koordinatnya). Untuk u≠vu \neq v yang satuan:

∥u+v2∥2=1−∥u−v∥24<1.\Bigl\Vert\frac{u+v}2\Bigr\Vert^2 = 1 - \frac{\norm{u - v}^2}{4} < 1 .

Tidak cembung tegas: untuk ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, ambil u=(1,1,0,… )u = (1, 1, 0, \dots), v=(1,−1,0,… )v = (1, -1, 0, \dots): keduanya vektor satuan dengan titik tengah (1,0,… )(1, 0, \dots) yang bernorma 11; sedangkan untuk ∥⋅∥1\norm\cdot_1, ambil u=(1,0,… )u = (1, 0, \dots), v=(0,1,0,… )v = (0, 1, 0, \dots): titik tengahnya (12,12,0,… )(\frac12, \frac12, 0, \dots) yang bernorma 11.

3. Misalkan d=d(x,F)d = d(x, F). Jika d=0d = 0: maka x∈F‾=Fx \in \overline F = F dan satu-satunya pemberi minimumnya adalah xx. Jika d>0d > 0 dan f1≠f2f_1 \neq f_2 keduanya memberi minimum: maka u=x−f1du = \frac{x - f_1}{d} dan v=x−f2dv = \frac{x - f_2}{d} merupakan vektor satuan yang berbeda, sehingga

∥x−f1+f22∥=d ∥u+v2∥<d,\Bigl\Vert x - \frac{f_1 + f_2}2\Bigr\Vert = d\,\Bigl\Vert\frac{u + v}2\Bigr\Vert < d ,

dengan f1+f22∈F\frac{f_1 + f_2}2 \in F: dan itu bertentangan dengan definisi dd. Jadi pemberi minimumnya tunggal.

4. Di sini ∥(0,1)−t(1,0)∥∞=max⁡(∣t∣,1)≥1\norm{(0,1) - t(1,0)}_\infty = \max(\abs t, 1) \geq 1, dengan kesamaan bila dan hanya bila ∣t∣≤1\abs t \leq 1: jadi pemberi minimumnya membentuk ruas {t(1,0):t∈[−1, 1]}\{t(1, 0) : t \in \intcc{-1}{1}\}, semuanya berjarak 11 — ketunggalannya gagal justru karena bola perseginya bersisi datar (pertanyaan 2).

5. Misalkan M=max⁡fM = \max f dan m=min⁡fm = \min f (yang tercapai berkat kekompakan). Untuk sembarang konstanta cc: sup⁡∣f−c∣≥max⁡(M−c, c−m)≥M−m2\sup\abs{f - c} \geq \max(M - c,\, c - m) \geq \frac{M - m}2, dengan ketaksamaan terakhirnya berlaku karena kedua besaran itu berata-rata M−m2\frac{M-m}2; dan kesamaan pada keduanya memaksa M−c=c−mM - c = c - m, yakni c=c∗=M+m2c = c^* = \frac{M + m}2. Sebaliknya sup⁡∣f−c∗∣=max⁡(M−c∗,c∗−m)=M−m2\sup\abs{f - c^*} = \max(M - c^*, c^* - m) = \frac{M - m}2. Jadi konstanta terbaiknya tunggal. Untuk f(x)=x2f(x) = x^2 pada [0, 1]\intcc01: c∗=12c^* = \frac12, dengan jarak 12\frac12.

6. Dari cos⁡(n+1)θ+cos⁡(n−1)θ=2cos⁡θcos⁡nθ\cos(n{+}1)\theta + \cos(n{-}1)\theta = 2\cos\theta\cos n\theta: polinomial yang ditetapkan oleh T0=1T_0 = 1, T1=XT_1 = X, Tn+1=2XTn−Tn−1T_{n+1} = 2XT_n - T_{n-1} memenuhi Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta secara induktif. Ketunggalannya: dua polinomial yang berimpit pada [−1, 1]\intcc{-1}{1} (tak hingga banyak titik) pastilah sama. Sekali lagi secara induktif: deg⁡Tn=n\deg T_n = n dengan koefisien utama 2n−12^{n-1} untuk n≥1n \geq 1 (sebab T1T_1 berkoefisien 1=201 = 2^0, dan rekurensinya melipatduakannya).

7. Setiap x∈[−1, 1]x \in \intcc{-1}{1} berbentuk cos⁡θ\cos\theta, dan ∣cos⁡nθ∣≤1\abs{\cos n\theta} \leq 1. Di ηk=cos⁡kπn\eta_k = \cos\frac{k\pi}n: Tn(ηk)=cos⁡kπ=(−1)kT_n(\eta_k) = \cos k\pi = (-1)^k, dan 1=η0>η1>⋯>ηn=−11 = \eta_0 > \eta_1 > \dots > \eta_n = -1. Akarnya: cos⁡nθ=0\cos n\theta = 0 bila dan hanya bila θ=(2k−1)π2n\theta = \frac{(2k-1)\pi}{2n}, yakni nn titik berbeda cos⁡(2k−1)π2n\cos\frac{(2k-1)\pi}{2n}; dan karena (k−1)πn<(2k−1)π2n<kπn\frac{(k-1)\pi}n < \frac{(2k-1)\pi}{2n} < \frac{k\pi}n, tiap akarnya terletak tegas di antara dua ekstremum yang berurutan.

8. T2=2X2−1T_2 = 2X^2 - 1, T3=4X3−3XT_3 = 4X^3 - 3X, T4=8X4−8X2+1T_4 = 8X^4 - 8X^2 + 1. Untuk T3T_3: T3(1)=1T_3(1) = 1, T3(12)=12−32=−1T_3(\tfrac12) = \tfrac12 - \tfrac32 = -1, T3(−12)=1T_3(-\tfrac12) = 1, T3(−1)=−1T_3(-1) = -1: pergantian tandanya sempurna.

9. Misalkan u±=x±x2−1u_\pm = x \pm \sqrt{x^2 - 1} untuk x≥1x \geq 1: yakni akar z2−2xz+1z^2 - 2xz + 1, dengan u+u−=1u_+u_- = 1. Barisan sn=u+n+u−n2s_n = \frac{u_+^n + u_-^n}2 memenuhi sn+1=2x sn−sn−1s_{n+1} = 2x\,s_n - s_{n-1} (rekurensi bergaya Newton dari persamaan kuadratnya), s0=1s_0 = 1, s1=xs_1 = x: yakni rekurensi dan nilai awal yang sama seperti n↦Tn(x)n \mapsto T_n(x), jadi sn=Tn(x)s_n = T_n(x) untuk setiap nn. Karena 0<u−≤1≤u+0 < u_- \leq 1 \leq u_+ dengan u+>1u_+ > 1 untuk x>1x > 1: maka Tn(x)≥u+n2→∞T_n(x) \geq \frac{u_+^n}2 \to \infty dan Tn(x)∼12(x+x2−1)nT_n(x) \sim \frac12\bigl(x + \sqrt{x^2-1}\bigr)^n. (Untuk x≤−1x \leq -1 pakailah paritas Tn(−x)=(−1)nTn(x)T_n(-x) = (-1)^nT_n(x), yang jelas dari rekurensinya.)

10. Untuk setiap θ\theta: Tm(Tn(cos⁡θ))=Tm(cos⁡nθ)=cos⁡mnθ=Tmn(cos⁡θ)T_m\bigl(T_n(\cos\theta)\bigr) = T_m(\cos n\theta) = \cos mn\theta = T_{mn}(\cos\theta). Jadi polinomial Tm∘TnT_m \circ T_n dan TmnT_{mn} berimpit pada [−1, 1]\intcc{-1}{1}, sehingga keduanya sama.

11. Polinomial D=Qn−PD = Q_n - P berderajat ≤n−1\leq n - 1 (sebab suku utamanya yang monik saling coret). Di ekstremumnya: (−1)kD(ηk)=21−n−(−1)kP(ηk)≥21−n−∣P(ηk)∣>0(-1)^kD(\eta_k) = 2^{1-n} - (-1)^kP(\eta_k) \geq 2^{1-n} - \abs{P(\eta_k)} > 0 menurut hipotesisnya. Jadi DD mengambil nilai tak nol bertanda berselang-seling di n+1n + 1 titik menurun η0>⋯>ηn\eta_0 > \dots > \eta_n: sehingga menurut teorema nilai antara ia punya sedikitnya nn akar berbeda, satu di tiap interval terbuka (ηk, ηk−1)\intoo{\eta_{k}}{\eta_{k-1}}. Padahal polinomial tak nol yang berderajat ≤n−1\leq n - 1 tak mungkin punya nn akar; sedangkan D=0D = 0 bertentangan dengan tanda tegas tadi. Jadi kontradiksi: sup⁡∣P∣≥21−n\sup\abs P \geq 2^{1-n} untuk setiap PP monik berderajat nn.

12. Kini (−1)kD(ηk)=21−n−(−1)kP(ηk)≥0(-1)^kD(\eta_k) = 2^{1-n} - (-1)^kP(\eta_k) \geq 0 sebab ∣P∣≤21−n\abs{P} \leq 2^{1-n}. Pada tiap [ηk, ηk−1]\intcc{\eta_k}{\eta_{k-1}} (k=1,…,nk = 1, \dots, n), nilai DD di kedua ujungnya bertanda lemah yang berlawanan: jadi teorema nilai antara menghasilkan sebuah nol zkz_k di interval tertutup itu. Jika zkz_k itu dapat dipilih berbeda sepasang demi sepasang, maka D≠0D \neq 0 yang berderajat ≤n−1\leq n-1 punya nn akar: kontradiksi. Dua interval berurutan hanya dapat berbagi nol zk=zk+1=ηkz_k = z_{k+1} = \eta_k dengan 0<k<n0 < k < n (yakni titik dalam). Di sana, D(ηk)=0D(\eta_k) = 0 berarti P(ηk)=(−1)k21−nP(\eta_k) = (-1)^k2^{1-n}, yaitu nilai ekstremal PP pada [−1, 1]\intcc{-1}{1} yang tercapai di titik dalam: jadi P′(ηk)=0P'(\eta_k) = 0; dan ηk\eta_k juga ekstremum dalam bagi TnT_n: jadi Qn′(ηk)=0Q_n'(\eta_k) = 0. Karenanya D′(ηk)=0D'(\eta_k) = 0: sehingga ηk\eta_k akar bermultiplisitas ≥2\geq 2, yang menutupi interval yang dibagi tadi. Pada semua kasusnya DD punya sedikitnya nn akar dihitung dengan multiplisitasnya, padahal derajatnya ≤n−1\leq n - 1, jadi D=0D = 0: yakni P=QnP = Q_n. Teorema ekstremal Chebyshev pun terbukti: pemberi minimum monik yang tunggal adalah 21−nTn2^{1-n}T_n, bernorma supremum 21−n2^{1-n}.

13. Polinomial monik berderajat nn persis semua Xn−RX^n - R dengan R∈Rn−1[X]R \in \R_{n-1}[X], jadi

d∞(Xn,Rn−1[X])=min⁡P monik sup⁡[−1, 1]∣P∣=21−n,d_\infty\bigl(X^n, \R_{n-1}[X]\bigr) = \min_{P \text{ monik}}\ \sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P = 2^{1-n},

yang tunggal di R∗=Xn−QnR^* = X^n - Q_n. Dengan penyulihan x=1+t2x = \frac{1+t}2: jika PP monik berderajat nn pada [0, 1]\intcc01, maka t↦2nP(1+t2)t \mapsto 2^nP\bigl(\frac{1+t}2\bigr) monik pada [−1, 1]\intcc{-1}{1} dengan supremum sama dengan 2nsup⁡[0, 1]∣P∣2^n\sup_{\intcc01}\abs P: karenanya sup⁡[0, 1]∣P∣≥2−n⋅21−n=21−2n\sup_{\intcc01}\abs P \geq 2^{-n}\cdot2^{1-n} = 2^{1-2n}, dengan kesamaan persis untuk P∗(x)=2−nQn(2x−1)P^*(x) = 2^{-n}Q_n(2x - 1): jadi pada [0, 1]\intcc{0}{1} jaraknya 21−2n2^{1-2n}.

14. Polinomial ω\omega monik berderajat nn, jadi sup⁡[−1, 1]∣ω∣≥21−n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs\omega \geq 2^{1-n} dengan kesamaan bila dan hanya bila ω=Qn=21−nTn\omega = Q_n = 2^{1-n}T_n, yakni bila dan hanya bila simpulnya adalah nn akar TnT_n: xk=cos⁡(2k−1)π2nx_k = \cos\frac{(2k-1)\pi}{2n} — yaitu simpul Chebyshev. Nilai minimumnya: 21−n2^{1-n}. Simpul yang berjarak sama justru lebih buruk; faktor galat interpolasinya diminimumkan dengan merapatkan simpul di dekat ujungnya.

15. Kasus n=2n = 2 dengan tangan: x2x^2 menjelajahi [0, 1]\intcc01, jadi sup⁡[−1, 1]∣x2−c∣=max⁡(∣c∣,∣1−c∣)≥12\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs{x^2 - c} = \max(\abs c, \abs{1 - c}) \geq \frac12, yang minimum di c=12c = \frac12: jadi polinomial kuadrat monik yang minimal adalah x2−12=12(2x2−1)=Q2x^2 - \frac12 = \frac12(2x^2 - 1) = Q_2, bernilai 12=21−2\frac12 = 2^{1-2}. Untuk n=10n = 10 pada [0, 1]\intcc{0}{1}: 21−20=2−19≈1.9⋅10−62^{1-20} = 2^{-19} \approx 1.9\cdot10^{-6}. Jadi ada polinomial berderajat 99 yang tetap berjarak dua per sejuta dari x10x^{10} pada seluruh [0, 1]\intcc01: pada skala itu kedua grafiknya tak terbedakan — kedataran x10x^{10} di dekat 00 membiarkan derajat yang lebih rendah mengerjakan segalanya.

16. Di sini ∥gk∥∞=gk(1)=1\norm{g_k}_\infty = g_k(1) = 1. Untuk j>kj > k tetapkan a=2ka = 2^k, b=2j≥2ab = 2^j \geq 2a, lalu nilailah di x0=2−1/ax_0 = 2^{-1/a} (sehingga x0a=12x_0^a = \frac12):

gk(x0)−gj(x0)=12−(12)b/a≥12−14=14.g_k(x_0) - g_j(x_0) = \frac12 - \Bigl(\frac12\Bigr)^{b/a} \geq \frac12 - \frac14 = \frac14 .

Jadi ∥gk−gj∥∞≥14\norm{g_k - g_j}_\infty \geq \frac14 untuk setiap j≠kj \neq k: sehingga tak ada barisan bagian yang Cauchy, dan tak satu pun konvergen. Bola satuan tertutup (C([0, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc01), \norm\cdot_\infty\bigr) tidak kompak.

17. Subruang FF tertutup (Akibat 5.14) dan sejati: pilih y∉Fy \notin F, sehingga δ=d(y,F)>0\delta = d(y, F) > 0. Menurut pertanyaan 1 jaraknya tercapai di suatu f∗∈Ff^* \in F. Tetapkan x=y−f∗δx = \frac{y - f^*}{\delta}, sebuah vektor satuan (sebab ∥y−f∗∥=δ\norm{y - f^*} = \delta). Untuk setiap g∈Fg \in F:

∥x−g∥=∥y−(f∗+δg)∥δ≥δδ=1,\norm{x - g} = \frac{\norm{y - (f^* + \delta g)}}{\delta} \geq \frac{\delta}{\delta} = 1 ,

sebab f∗+δg∈Ff^* + \delta g \in F. Karenanya d(x,F)≥1d(x, F) \geq 1; sedangkan d(x,F)≤∥x−0∥=1d(x, F) \leq \norm{x - 0} = 1: jadi tepat 11.

18. Pada EE yang berdimensi tak hingga, bangunlah vektor satuan secara induktif: x1x_1 sembarang; lalu diberikan x1,…,xkx_1, \dots, x_k, subruang Fk=Vect⁡(x1,…,xk)F_k = \operatorname{Vect}(x_1, \dots, x_k) berdimensi hingga, jadi sejati, sehingga pertanyaan 17 memberi vektor satuan xk+1x_{k+1} dengan d(xk+1,Fk)=1d(x_{k+1}, F_k) = 1: khususnya ∥xk+1−xi∥≥1\norm{x_{k+1} - x_i} \geq 1 untuk i≤ki \leq k. Barisan itu berjarak antara ≥1\geq 1: jadi bola satuannya memuat barisan tanpa barisan bagian yang konvergen, sehingga ia tidak kompak — itulah teorema Riesz, dengan konstanta tajam 11.

19. Misalkan hnh_n afin pada tiap separuh [1n+1,1n]\bigl[\frac1{n+1}, \frac1n\bigr], naik dari 00 ke 11 di titik tengahnya lalu turun kembali ke 00, dan nol di tempat lain: ia kontinu dengan ∥hn∥∞=1\norm{h_n}_\infty = 1. Untuk n≠mn \neq m penyangganya bertemu paling banyak di satu ujung bersama, tempat keduanya nol; sedangkan di puncak hnh_n berlaku hm=0h_m = 0: jadi ∥hn−hm∥∞=1\norm{h_n - h_m}_\infty = 1 persis. Untuk x>0x > 0 yang tetap: hn(x)=0h_n(x) = 0 begitu 1n<x\frac1n < x, dan hn(0)=0h_n(0) = 0 selalu: jadi hn→0h_n \to 0 titik demi titik; tetapi ∥hn−0∥∞=1\norm{h_n - 0}_\infty = 1: jadi tidak seragam. Itulah gugusan gamblang berjarak antara 11 di dalam bola satuannya.

20. Bola berjari-jari 13\frac13 berdiameter ≤23<1\leq \frac23 < 1, jadi ia memuat paling banyak satu hnh_n (sebab dua di antaranya berjarak 11). Berhingga banyak bola semacam itu memuat berhingga banyak dari tak hingga banyak hnh_n: jadi keduanya tak dapat menyelimuti bola satuannya. Keterbatasan total — yang dinikmati ruang metrik kompak, menurut bukti Teorema 4.20 — gagal separah-parahnya.

21. Jika Ax=λxAx = \lambda x dengan x≠0x \neq 0, maka ∣λ∣ ∥x∥=∥Ax∥≤∣∣∣A∣∣∣ ∥x∥\abs\lambda\,\norm x = \norm{Ax} \leq \vertiii A\,\norm x, sehingga ∣λ∣≤∣∣∣A∣∣∣\abs\lambda \leq \vertiii A. Untuk (1−231)\left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right): ∣∣∣A∣∣∣∞=max⁡(1+2, 3+1)=4\vertiii A_\infty = \max(1 + 2,\ 3 + 1) = 4 (Latihan 5.4), jadi setiap nilai eigennya bermodulus ≤4\leq 4; padahal χA=X2−2X+7\chi_A = X^2 - 2X + 7 memberi λ=1±i6\lambda = 1 \pm \iu\sqrt6 yang bermodulus 7≈2.65\sqrt7 \approx 2.65: jadi batasnya sahih tetapi tidak tajam.

22. NPN_P memang norma: NP(x)=0N_P(x) = 0 memaksa P−1x=0P^{-1}x = 0, jadi x=0x = 0; sedangkan kehomogenan dan ketaksamaan segitiganya diwarisi dari ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty lewat P−1P^{-1} yang linear. Norma operatornya: dengan y=P−1xy = P^{-1}x dan D=diag(λi)D = \mathrm{diag}(\lambda_i),

NP(Ax)=∥P−1AP y∥∞=∥Dy∥∞,N_P(Ax) = \norm{P^{-1}AP\,y}_\infty = \norm{Dy}_\infty,

jadi ∣∣∣A∣∣∣NP\vertiii A_{N_P} tak lain norma operator terhadap ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty bagi DD, yakni jumlah mutlak barisnya yang terbesar (Latihan 5.4): max⁡i∣λi∣\max_i\abs{\lambda_i}.

23. Jika semua ∣λi∣<1\abs{\lambda_i} < 1: maka NP(Akx)≤ρkNP(x)N_P(A^kx) \leq \rho^kN_P(x) dengan ρ=max⁡∣λi∣<1\rho = \max\abs{\lambda_i} < 1, jadi Akx→0A^kx \to 0 untuk setiap xx, sehingga Ak→0A^k \to 0 pada norma apa pun di Mn\mathcal{M}_n (semuanya setara dalam dimensi hingga, Teorema 5.13; sebab kekonvergenan AkejA^ke_j untuk tiap jj tak lain kekonvergenan unsur demi unsur). Jika ada ∣λ∣≥1\abs{\lambda} \geq 1 dengan vektor eigen xx: maka ∥Akx∥=∣λ∣k∥x∥↛0\norm{A^kx} = \abs\lambda^k\norm x \not\to 0. Untuk A=14(1221)A = \frac14\left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 2 & 1\end{smallmatrix}\right): nilai eigennya 14(1±2)=34,−14\frac14(1 \pm 2) = \frac34, -\frac14, keduanya bermodulus <1< 1: jadi Ak→0A^k \to 0.

24. Keduanya norma pada Rn[X]\R_n[X] yang berdimensi hingga, jadi setara untuk tiap nn. Ambil polinomial monik minimal Pn∗P^*_n pada pertanyaan 13 di [0, 1]\intcc01: koefisien XnX^n-nya 11, jadi Nc(Pn∗)≥1N_c(P^*_n) \geq 1, sedangkan ∥Pn∗∥[0, 1]=21−2n\norm{P^*_n}_{\intcc01} = 2^{1-2n}. Karenanya

Cn≥Nc(Pn∗)∥Pn∗∥[0, 1]≥22n−1.C_n \geq \frac{N_c(P^*_n)}{\norm{P^*_n}_{\intcc01}} \geq 2^{2n-1} .

Konstanta kesetaraannya meledak seiring dimensinya: pada gabungan R[X]\R[X] tak ada satu pun konstanta yang melayani, dan itulah persis ketaksetaraan yang terlihat pada Latihan 5.12 — “semua norma setara” adalah teorema tentang satu dimensi setiap kali, dan dimensi tak hingga adalah tempat ia mati.

25. Kekompakan himpunan tertutup dan terbatas dalam dimensi hingga menghasilkan keberadaan hampiran terbaik (pertanyaan 1) serta menggerakkan pencacahan nol di n+1n + 1 titik ekstremalnya (pertanyaan 11–12, lewat supremum yang tercapai). Kecembungan tegas menguasai ketunggalan hampiran terbaik — bola yang bulat memberi satu pemberi minimum, dan bola bersisi datar memberi seruas penuh (pertanyaan 2–4). Gugusan vektor satuan berjarak antara 11 (pertanyaan 17–19) menghancurkan kekompakan bola satuannya sekaligus keterbatasan totalnya (pertanyaan 20). Pertanyaan 24 mengukur keruntuhannya: konstanta yang menghubungkan dua norma pada Rn[X]\R_n[X] tumbuh seperti 4n4^n, jadi tak ada perbandingan seragam yang selamat sampai ke R[X]\R[X]. Puncaknya adalah teorema ekstremal Chebyshev (pertanyaan 11–12): pemberi minimum monik yang tunggal 21−nTn2^{1-n}T_n. Adapun hampiran terbaik menemukan rumah modernnya di ruang Hilbert, tempat teorema proyeksi menggantikan kekompakan dengan kelengkapan ditambah kesamaan jajargenjang — yang dibuktikan secara jujur pada jilid Tahun ke-3.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium