Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2

5Genormeerde vectorruimten

Zodra de metrische ruimte een vectorruimte is en de afstand van een norm komt, gaan topologie en lineaire algebra op elkaar inwerken: lineaire afbeeldingen zijn precies dan continu wanneer zij op de eenheidsbol begrensd zijn, eindige dimensie dwingt alle normen tot overeenstemming, en volledigheid maakt van absoluut convergente reeksen convergente reeksen. De scheidslijn tussen eindige en oneindige dimensie — uitgekristalliseerd in de stelling van Riesz — is de diepste les van dit hoofdstuk.

Overal zijn E,FE, F vectorruimten over K=RK = \R of C\C.

5.1 Normen

Definitie 5.1

Een norm op EE is een afbeelding  ⁣:ER+\norm{\,\cdot\,} \colon E \to \R_+ met, voor alle x,yEx, y \in E en λK\lambda \in K,

x=0    x=0,λx=λx,x+yx+y.\norm x = 0 \iff x = 0, \qquad \norm{\lambda x} = \abs\lambda\,\norm x, \qquad \norm{x + y} \leq \norm x + \norm y .

Dan is d(x,y)=xyd(x, y) = \norm{x - y} een afstand en is heel Hoofdstuk 4 van toepassing. De omgekeerde driehoeksongelijkheid xyxy\bigl|\norm x - \norm y\bigr| \leq \norm{x - y} maakt de norm zelf 11-Lipschitz; de optelling en de scalaire vermenigvuldiging zijn continu (schattingen (x+y)(x+y)xx+yy\norm{(x + y) - (x' + y')} \leq \norm{x - x'} + \norm{y - y'}, enzovoort).

Voorbeeld 5.2

Op KnK^n:

x1=ixi,x2=(ixi2)1/2,x=maxixi\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 is een norm wegens Cauchy–Schwarz, volume van bachelorjaar 1). Op C([a,b])C(\intcc{a}{b}):

f=supf,f1=abf,f2=(abf2)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},

waarbij de laatste twee normen zijn dankzij de strikte positiviteit van de integraal en de integraalversie van Cauchy–Schwarz (volume van bachelorjaar 1). Op matrices: elke norm op Mn(K)Kn2\mathcal M_n(K) \simeq K^{n^2}; de operatornormen hieronder zijn de structureel belangrijke.

Definitie 5.3 (Equivalente normen)

Twee normen N1,N2N_1, N_2 op EE heten equivalent wanneer er constanten c,C>0c, C > 0 zijn met

cN1N2CN1.c\,N_1 \leq N_2 \leq C\, N_1 .

Equivalente normen hebben dezelfde open verzamelingen, dezelfde convergente rijen en cauchyrijen, dezelfde compacte en volledige deelverzamelingen: dezelfde analyse.

Voorbeeld 5.4 (Geen equivalentie in oneindige dimensie)

Op C([0,1])C(\intcc{0}{1}) geldt altijd f1f\norm f_1 \leq \norm f_\infty, maar er is geen omgekeerde grens: fn(x)=xnf_n(x) = x^n heeft fn=1\norm{f_n}_\infty = 1 en fn1=1n+10\norm{f_n}_1 = \frac{1}{n+1} \to 0. Dus fn0f_n \to 0 voor 1\norm\cdot_1 maar niet voor \norm\cdot_\infty: de twee normen zijn het oneens over de convergentie zelf.

Voorbeeld 5.5 (Expliciete constanten in dimensie nn)

Op KnK^n zijn de drie klassieke normen equivalent met scherpe constanten:

xx2x1nx2nx,\norm x_\infty \leq \norm x_2 \leq \norm x_1 \leq \sqrt n\,\norm x_2 \leq n\,\norm x_\infty ,

waarbij de middelste grens x1nx2\norm x_1 \leq \sqrt n\norm x_2 uit Cauchy–Schwarz tegen de vector vol enen komt. Extremale vectoren: e1e_1 maakt de eerste twee ongelijkheden tot gelijkheden, en (1,1,,1)(1, 1, \dots, 1) de laatste twee. De dimensie nn zit zichtbaar in de constanten — het kwantitatieve zaad van het falen in oneindige dimensie: als nn \to \infty overleeft geen enkele uniforme constante, en dat is precies wat Voorbeeld 5.4 op functieruimten laat zien.

De eenheidsbollen van de drie klassieke normen van ℝ2, genest zoals de ongelijkheden van  voorschrijven: kleinere bol, grotere norm. De rondheid doet ertoe: de vlakke zijden van de ruit en het vierkant zijn precies het falen van de strikte convexiteit dat in de weekendopgave van  en in die van dit hoofdstuk (vraag 4) wordt uitgebuit.
De eenheidsbollen van de drie klassieke normen van R2\R^2, genest zoals de ongelijkheden van Voorbeeld 5.5 voorschrijven: kleinere bol, grotere norm. De rondheid doet ertoe: de vlakke zijden van de ruit en het vierkant zijn precies het falen van de strikte convexiteit dat in de weekendopgave van Hoofdstuk 8 en in die van dit hoofdstuk (vraag 4) wordt uitgebuit.

5.2 Continue lineaire afbeeldingen

Stelling 5.6 (Karakterisering)

Voor een lineaire afbeelding u ⁣:EFu \colon E \to F tussen genormeerde ruimten zijn de volgende uitspraken gelijkwaardig:

  1. uu is continu;
  2. uu is continu in 00;
  3. uu is begrensd op de gesloten eenheidsbol: supx1u(x)<\sup_{\norm x \leq 1} \norm{u(x)} < \infty;
  4. er is een C0C \geq 0 met u(x)Cx\norm{u(x)} \leq C \norm x voor alle xx;
  5. uu is Lipschitz.

De kleinste zulke CC is de operatornorm u=supx1u(x)=supx0u(x)x\vertiii{u} = \sup_{\norm x \leq 1}\norm{u(x)} = \sup_{x \neq 0} \frac{\norm{u(x)}}{\norm x}; zij maakt van de ruimte Lc(E,F)\mathcal{L}_c(E, F) van de continue lineaire afbeeldingen een genormeerde ruimte, met

vuvu.\vertiii{v \circ u} \leq \vertiii v\, \vertiii u .

Bewijs. (1 \Rightarrow 2) triviaal. (2 \Rightarrow 3): de continuïteit in 00 met ε=1\varepsilon = 1 geeft een δ\delta met xδu(x)1\norm x \leq \delta \Rightarrow \norm{u(x)} \leq 1; de homogeniteit schaalt vervolgens elke xx met x1\norm x \leq 1 die bol in en weer uit:

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

want δxδ\norm{\delta x} \leq \delta. (3 \Rightarrow 4): pas voor x0x \neq 0 de grens toe op xx\frac{x}{\norm x}. (4 \Rightarrow 5): u(x)u(y)=u(xy)Cxy\norm{u(x) - u(y)} = \norm{u(x - y)} \leq C\norm{x - y}. (5 \Rightarrow 1) bekend.

De normaxioma’s voor \vertiii\cdot: de homogeniteit en de scheiding zijn duidelijk (u=0\vertiii u = 0 dwingt u=0u = 0 op de bol af, en dus overal); de driehoeksongelijkheid volgt uit (u+v)(x)u(x)+v(x)\norm{(u + v)(x)} \leq \norm{u(x)} + \norm{v(x)}. Submultiplicativiteit: v(u(x))vu(x)vux\norm{v(u(x))} \leq \vertiii v\,\norm{u(x)} \leq \vertiii v \vertiii u \norm x.

Voorbeeld 5.7

Op (C([0,1]),)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr): de evaluatie ff(0)f \mapsto f(0) heeft operatornorm 11; de integratie f01ff \mapsto \int_0^1 f heeft norm 11; en de afbeelding f01tf(t) ⁣dtf \mapsto \int_0^1 t f(t)\dd t heeft norm 01t ⁣dt=12\int_0^1 t\,\dd t = \frac12 (bovengrens uit de driehoeksongelijkheid voor integralen; aangenomen in f1f \equiv 1). Maar de afgeleide, van (C1,)(C^1, \norm\cdot_\infty) naar (C0,)(C^0, \norm\cdot_\infty), is niet continu: sin(nx)=1\norm{\sin(nx)}_\infty = 1 terwijl de afgeleide supnorm nn heeft. Lineair impliceert in oneindige dimensie geen continuïteit.

Voorbeeld 5.8 (Twee normen, twee oordelen over één rij)

Zij op C([0,1])C(\intcc01) de rij gn(x)=nxng_n(x) = \sqrt{n}\,x^n. Dan is

gn1=nn+10,gn22=n2n+112,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 :

één rij, drie normen, drie gedragingen — convergentie naar nul, geen convergentie (de normen stabiliseren bij 12\frac1{\sqrt2} terwijl de puntsgewijze limiet 00 is), en explosie. Massa die zich bij x=1x = 1 ophoopt, is onzichtbaar voor 1\norm\cdot_1, half zichtbaar voor 2\norm\cdot_2 en overheersend voor \norm\cdot_\infty. In oneindige dimensie is “convergeert zij?” geen vraag over een rij: het is een vraag over een rij en een norm.

Methode 5.9 (Een operatornorm berekenen)

Altijd in twee zetten. Bovengrens: schat u(x)\norm{u(x)} af door CxC\norm x met driehoeksongelijkheden, Cauchy–Schwarz of integraalgrenzen — dat bewijst uC\vertiii u \leq C. Getuige: geef ofwel een concrete x00x_0 \neq 0 met u(x0)=Cx0\norm{u(x_0)} = C\norm{x_0} (de grens wordt aangenomen), ofwel een rij eenheidsvectoren xnx_n met u(xn)C\norm{u(x_n)} \to C (de grens wordt benaderd). Beide zetten zijn verplicht: een bovengrens alleen geeft slechts uC\vertiii u \leq C, en een getuige alleen slechts uC\vertiii u \geq C. In oneindige dimensie moet de getuige soms een rij zijn — het supremum hoeft niet te worden aangenomen (Oefening 5.8).

Voorbeeld 5.10 (Diagonale operatoren zien elke norm hetzelfde)

Voor D=diag(d1,,dn)D = \operatorname{diag}(d_1, \dots, d_n) op KnK^n met elk van de normen 1,2,\norm\cdot_1, \norm\cdot_2, \norm\cdot_\infty: uit dixi(maxjdj)xi\abs{d_ix_i} \leq \bigl(\max_j\abs{d_j}\bigr)\abs{x_i} coördinaatsgewijs volgt Dxmaxjdjx\norm{Dx} \leq \max_j\abs{d_j}\,\norm x; en x=ej0x = e_{j_0} (met een maximaliserende index) neemt die grens aan. Dus is D=maxjdj\vertiii D = \max_j\abs{d_j} in alle drie de gevallen: voor diagonale afbeeldingen vertellen alle redelijke normen hetzelfde verhaal, namelijk de grootste rekfactor. Alles wat moeilijk is aan operatornormen gaat over niet-diagonaal gedrag — en daarom werken de aangepaste normen uit de weekendopgave van dit hoofdstuk (vraag 22) door een matrix eerst diagonaal te maken.

Voorbeeld 5.11 (Kolomsommen: de 11-normtweeling van Oefening 5.4)

Op (Rn,1)(\R^n, \norm\cdot_1) is de operatornorm van een matrix AA de grootste absolute kolomsom. Volg de methode: voor x11\norm x_1 \leq 1 is

Ax1=ijaijxjjxjiaij(maxjiaij)x1,\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 ,

en de grens wordt aangenomen in x=ej0x = e_{j_0} voor een maximaliserende kolom j0j_0 — de netste getuige die men zich kan wensen. Zo is voor A=(1231)A = \left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right) de waarde A1=max(1+3, 2+1)=4\vertiii A_1 = \max(1 + 3,\ 2 + 1) = 4, terwijl ook A=4\vertiii A_\infty = 4 (rijen) — hier een toeval, geen wet: verdeel de elementen asymmetrisch en de twee normen gaan uiteen. Rijen voor \norm\cdot_\infty, kolommen voor 1\norm\cdot_1: het ezelsbruggetje is dat de eenheidsvectoren van elke norm (tekenpatronen, respectievelijk basisvectoren) de bijbehorende sommen naar voren halen.

Propositie 5.12 (Bilineaire afbeeldingen)

Een bilineaire afbeelding b ⁣:E×FGb \colon E \times F \to G is continu dan en slechts dan als b(x,y)Cxy\norm{b(x,y)} \leq C\norm x\,\norm y voor zekere CC; dan is zij Lipschitz op begrensde verzamelingen. (Hetzelfde bewijspatroon; het product (u,v)vu(u, v) \mapsto v \circ u en de matrixvermenigvuldiging zijn de sleutelvoorbeelden.)

Bewijs. Geldt de grens, dan

b(x,y)b(x0,y0)=b(xx0,y)+b(x0,yy0),b(x,y) - b(x_0,y_0) = b(x - x_0,\, y) + b(x_0,\, y - y_0),

dus b(x,y)b(x0,y0)Cxx0y+Cx0yy0\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}: continuïteit in (x0,y0)(x_0, y_0), en een Lipschitz-grens zodra x,yR\norm x, \norm y \leq R. Omgekeerd geeft de continuïteit in (0,0)(0,0) een δ\delta met b(x,y)1\norm{b(x,y)} \leq 1 op x,yδ\norm x, \norm y \leq \delta; schaal beide veranderlijken.

5.3 Eindige dimensie

Stelling 5.13 (Equivalentie van normen in eindige dimensie)

Op een eindigdimensionale ruimte zijn alle normen equivalent. Bijgevolg zijn in eindige dimensie convergentie, openheid, compactheid en volledigheid begrippen die niet van de norm afhangen; is compact == gesloten en begrensd; is de ruimte volledig; en is elke lineaire (of multilineaire) afbeelding vanuit een eindigdimensionale ruimte continu.

Bewijs. Leg een basis vast en vereenzelvig EKnE \simeq K^n; het volstaat elke norm NN met \norm\cdot_\infty te vergelijken.

De ene richting is algebra: N(x)=N(xiei)xiN(ei)CxN(x) = N(\sum x_i e_i) \leq \sum \abs{x_i} N(e_i) \leq C \norm x_\infty met C=N(ei)C = \sum N(e_i). Dit toont tevens dat NN continu is op (Kn,)(K^n, \norm\cdot_\infty) (zij is CC-Lipschitz: N(x)N(y)N(xy)\abs{N(x) - N(y)} \leq N(x - y)).

De andere is topologie: de eenheidssfeer S={x:x=1}S = \{x : \norm{x}_\infty = 1\} is gesloten en begrensd in (Kn,)(K^n, \norm\cdot_\infty) en dus compact (Stelling 4.16 (2), geldig voor CnR2n\C^n \simeq \R^{2n}). De continue functie NN neemt op SS haar minimum cc aan; en c>0c > 0, want NN verdwijnt alleen in 0S0 \notin S. De homogeniteit verspreidt de grens: N(x)cxN(x) \geq c \norm{x}_\infty voor alle xx.

Gevolgen: alle uitspraken herleiden zich tot (Kn,)(K^n, \norm\cdot_\infty), waar zij bekend zijn (Stelling 4.9, Stelling 4.16); en een lineaire uu vanuit een eindigdimensionale EE voldoet aan u(x)xiu(ei)Cx\norm{u(x)} \leq \sum\abs{x_i} \norm{u(e_i)} \leq C'\norm{x}_\infty: dat is grens (4) van Stelling 5.6.

Gevolg 5.14

Een eindigdimensionale deelruimte van een willekeurige genormeerde ruimte is gesloten.

Bewijs. Zij is volledig voor de geïnduceerde norm (Stelling 5.13), en volledige deelverzamelingen zijn gesloten (Definitie 4.7).

Voorbeeld 5.15 (Een beste benadering, gevonden met symmetrie)

Hoe ver ligt in (C([1,1]),)\bigl(C(\intcc{-1}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr) de functie f(x)=xf(x) = \abs x van de (gesloten, tweedimensionale) deelruimte van de affiene functies a+bxa + bx? Wegens de symmetrie laat het vervangen van a+bxa + bx door abxa - bx de waarde f(a±bx)\norm{f - (a \pm bx)}_\infty ongemoeid, en het midden aa doet het minstens zo goed (driehoeksongelijkheid op het gemiddelde): het volstaat dus constanten te beschouwen. Voor een constante aa is

xa=max(1a, a)12,\norm{\abs x - a}_\infty = \max\,(1 - a,\ a) \geq \frac12 ,

minimaal in a=12a = \frac12: de afstand is 12\frac12, aangenomen door de constante 12\frac12. Let op de foutkromme x12\abs x - \frac12: zij bereikt afwisselend ±12\pm\frac12 in x=1,0,1x = -1, 0, 1 — drie extrema met afwisselend teken voor een beste benadering uit een familie met twee parameters. Dat patroon van equi-oscillatie is geen toeval; het is het kenmerk van optimaliteit dat de weekendopgave van dit hoofdstuk omzet in de stelling van Chebyshev.

Voorbeeld 5.16 (Gesloten tegenover dichte deelruimten)

Zij E=(C([0,1]),)E = \bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr): elke Rn[X]\R_n[X] (de veeltermen van graad n\leq n, beperkt tot [0,1]\intcc01) is een eindigdimensionale en dus gesloten deelruimte — een uniforme limiet van veeltermen van graad n\leq n is er weer een. Maar de vereniging R[X]\R[X] van al deze ruimten ligt dicht in EE (de benaderingsstelling van Weierstrass, bewezen in Hoofdstuk 10), en dichte echte deelruimten zijn zo niet-gesloten als maar kan. De moraal: dat deelruimten gesloten zijn, is een voorrecht van de eindige dimensie; gesloten verdiepingen op elkaar stapelen kan een dichte wolkenkrabber opleveren.

Stelling 5.17 (Riesz)

De gesloten eenheidsbol van een genormeerde ruimte EE is compact dan en slechts dan als dimE<\dim E < \infty.

Bewijs. Eindige dimensie: gesloten en begrensd volstaat (Stelling 5.13).

Omgekeerd, stel dimE=\dim E = \infty. Lemma van Riesz: voor elke gesloten echte deelruimte FEF \subsetneq E en elke ε(0,1)\varepsilon \in \intoo{0}{1} bestaat er een eenheidsvector xx met d(x,F)1εd(x, F) \geq 1 - \varepsilon. Bewijs: kies yFy \notin F, zet δ=d(y,F)>0\delta = d(y, F) > 0 (FF is gesloten), kies fFf \in F met yfδ1ε\norm{y - f} \leq \frac{\delta}{1 - \varepsilon}, en zet x=yfyfx = \frac{y - f}{\norm{y - f}}: voor elke gFg \in F is

xg=y(f+yfg)yfδyf1ε,\norm{x - g} = \frac{\norm{y - (f + \norm{y-f}\,g)}}{\norm{y - f}} \geq \frac{\delta}{\norm{y-f}} \geq 1 - \varepsilon ,

want de teller is een afstand van yy tot een punt van FF.

Bouw nu inductief eenheidsvectoren x1,x2,x_1, x_2, \dots: de ruimte Fk=Vect(x1,,xk)F_k = \operatorname{Vect}(x_1, \dots, x_k) is eindigdimensionaal en dus gesloten (Gevolg 5.14) en echt; het lemma van Riesz met ε=12\varepsilon = \frac12 levert een eenheidsvector xk+1x_{k+1} met d(xk+1,Fk)12d(x_{k+1}, F_k) \geq \frac12. De rij voldoet aan xpxq12\norm{x_p - x_q} \geq \frac12 voor pqp \neq q: geen convergente deelrij — de eenheidsbol is niet compact.

Voorbeeld 5.18 (Riesz als dimensiedetector)

Is C([0,1])C(\intcc01) eindigdimensionaal? Riesz antwoordt zonder ook maar één expliciete oneindige vrije familie aan te wijzen: de rij fn(x)=xnf_n(x) = x^n ligt in de gesloten eenheidsbol en voldoet voor m>nm > n aan fnfmfn(x0)fm(x0)>0\norm{f_n - f_m}_\infty \geq f_n(x_0) - f_m(x_0) > 0 in geschikte punten — netjes gekwantificeerd in de weekendopgave van dit hoofdstuk (vraag 16), waar een deelrij op onderlinge afstand 14\geq \frac14 blijft. Geen convergente deelrij, dus is de bol niet compact, dus is dimC([0,1])=\dim C(\intcc01) = \infty volgens Stelling 5.17. De compactheid van de eenheidsbol is een perfecte tweedeling: zij geldt in eindige dimensie en faalt in oneindige, zonder tussenweg — de meetkunde alleen leest het dimensietype af.

5.4 Banachruimten

Definitie 5.19

Een banachruimte is een volledige genormeerde ruimte. Voorbeelden: elke eindigdimensionale genormeerde ruimte (Stelling 5.13); (C([a,b]),)\bigl(C(\intcc{a}{b}), \norm\cdot_\infty\bigr) (Stelling 4.9); en Lc(E,F)\mathcal{L}_c(E, F) zodra FF een banachruimte is (met hetzelfde bewijspatroon als voor continue functies). Geen voorbeeld: (C([0,1]),1)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_1\bigr) (Oefening 5.7).

Voorbeeld 5.20 (De operatornorm van de integratie)

Zij op (C([0,1]),)\bigl(C(\intcc01), \norm\cdot_\infty\bigr) de afbeelding T(f)(x)=0xf(t) ⁣dtT(f)(x) = \int_0^x f(t)\,\dd t (een endomorfisme: T(f)T(f) is continu). Volg Methode 5.9. Bovengrens:

T(f)(x)0xfxff,\abs{T(f)(x)} \leq \int_0^x\abs f \leq x\,\norm f_\infty \leq \norm f_\infty ,

dus T1\vertiii T \leq 1. Getuige: f1f \equiv 1 geeft T(f)(x)=xT(f)(x) = x en T(f)=1=f\norm{T(f)}_\infty = 1 = \norm f_\infty: aangenomen, dus T=1\vertiii T = 1. Maar merk op dat T2=12T2\vertiii{T^2} = \frac12 \neq \vertiii T^2: inderdaad voldoet T2(f)(x)=0x(xt)f(t) ⁣dtT^2(f)(x) = \int_0^x(x - t)f(t)\dd t aan T2(f)(x)x22f\abs{T^2(f)(x)} \leq \frac{x^2}2\norm f_\infty, opnieuw aangenomen in f1f \equiv 1; en in het algemeen is Tn=1n!\vertiii{T^n} = \frac1{n!} — de submultiplicatieve grens Tn=1\vertiii T^n = 1 zit er een faculteit naast. Dit is precies het verschijnsel dat de iteratietruc uit de weekendopgave van Hoofdstuk 4 omzet in globale oplosbaarheid van lineaire differentiaalvergelijkingen.

Stelling 5.21 (Absolute convergentie in banachruimten)

Is un<\sum \norm{u_n} < \infty in een banachruimte, dan convergeert un\sum u_n, en geldt unun\norm{\sum u_n} \leq \sum\norm{u_n}. (De volledige theorie van reeksen in genormeerde ruimten is Hoofdstuk 7.)

Bewijs. Voor de partiële sommen SNS_N geldt bij q>pq > p dat SqSpn=p+1qun\norm{S_q - S_p} \leq \sum_{n=p+1}^{q}\norm{u_n}, wat naar 00 gaat (cauchycriterium voor de reële reeks van de normen): (SN)(S_N) is een cauchyrij en dus convergent. De ongelijkheid volgt door in de eindige driehoeksongelijkheid naar de limiet over te gaan.

Voorbeeld 5.22 (De matrixexponentiaal, eerste contact)

De matrixexponentiaal: Mn(K)\mathcal{M}_n(K) met een willekeurige submultiplicatieve norm (ABAB\vertiii{AB} \leq \vertiii A \vertiii B) is een banachruimte (eindige dimensie). Dan convergeert voor elke AA de reeks

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

absoluut (Ak/k!Ak/k!\vertiii{A^k/k!} \leq \vertiii A^k /k!, sommeerbaar): zij is dus welgedefinieerd. Hoofdstuk 16 buit haar systematisch uit.

Voorbeeld 5.23 (Een neumannreeks die afbreekt)

Voor A=(01200)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & \frac12\\ 0 & 0\end{smallmatrix}\right) is A<1\vertiii A < 1 in elke operatornorm die op de normen van Voorbeeld 5.2 is gebouwd, en A2=0A^2 = 0, zodat de meetkundige reeks in elkaar klapt:

(IA)1=k0Ak=I+A=(11201),(I - A)^{-1} = \sum_{k \geq 0} A^k = I + A = \begin{pmatrix}1 & \tfrac12\\ 0 & 1\end{pmatrix},

na te gaan met (IA)(I+A)=IA2=I(I - A)(I + A) = I - A^2 = I. De nilpotentie kapt de reeks precies zo af als zij de exponentiële afkapte in Hoofdstuk 3; en het voorbeeld ijkt de verwachtingen: de neumanninverse is in het algemeen een oneindige reeks, een veelterm precies wanneer de storing nilpotent is, en de fout na NN termen wordt altijd begrensd door de meetkundige staart AN+1/(1A)\vertiii A^{N+1}/(1 - \vertiii A).

Voorbeeld 5.24 (De exponentiaal van een rotatievoortbrenger)

Neem A=(0θθ0)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & -\theta\\ \theta & 0\end{smallmatrix}\right). Dan is A2=θ2IA^2 = -\theta^2 I, dus doorlopen de machten een cykel met periode vier en splitst de reeks in een even en een oneven deel:

eA=kAkk!=(j(1)jθ2j(2j)!)I+(j(1)jθ2j+1(2j+1)!)Aθ=(cosθsinθsinθcosθ),\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},

waarbij alle herschikkingen door de absolute convergentie zijn toegestaan. De exponentiaal van een antisymmetrische voortbrenger is een rotatie — hier zuiver uit de reeks berekend, drie hoofdstukken vóór de differentiaalvergelijking x=Axx' = Ax (Hoofdstuk 16) uitlegt waarom: etA\eu^{tA} is een eenparige cirkelbeweging. Het inzicht om te onthouden: identiteiten tussen matrixreeksen worden precies zo bewezen als scalaire, zodra een submultiplicatieve norm de absolute convergentie certificeert.

Voorbeeld 5.25 (Supnorm betekent uniform: het woordenboek)

De uitspraak fnf0\norm{f_n - f}_\infty \to 0 is uniforme convergentie: één getal, supxfn(x)f(x)\sup_x\abs{f_n(x) - f(x)}, begrenst de fout in elk punt tegelijk. Het woordenboek in actie op fn(x)=xnf_n(x) = x^n over [0,1]\intcc{0}{1}: puntsgewijs gaat fn0f_n \to 0 op [0,1)\intco{0}{1} terwijl fn(1)=1f_n(1) = 1; in norm is fn0=1↛0\norm{f_n - 0}_\infty = 1 \not\to 0, en inderdaad is de puntsgewijze limiet discontinu en dus onbereikbaar als \norm\cdot_\infty-limiet in C([0,1])C(\intcc01) (dat onder uniforme limieten gesloten is, Stelling 4.9). Op [0,a]\intcc{0}{a} met a<1a < 1 is fn=an0\norm{f_n}_\infty = a^n \to 0 — de uniforme convergentie hersteld door het domein te verkleinen. Elke uitspraak over convergentie in Hoofdstuk 10 is een uitspraak over deze ene norm; dat woordenboek in gedachten houden halveert dat hoofdstuk.

Opmerking 5.26 (Klassieke valkuilen)

(i) Een operatornorm hangt van beide gekozen normen af: dezelfde matrix heeft een \vertiii\cdot_\infty gegeven door rijsommen (Oefening 5.4) en een andere 1\vertiii\cdot_1 (kolomsommen); “de” norm van een matrix noemen zonder de onderliggende normen te noemen is betekenisloos. (ii) ABAB\vertiii{AB} \leq \vertiii A\,\vertiii B is een ongelijkheid, meestal een strikte — machten kunnen veel sneller krimpen dan de grens Ak\vertiii A^k suggereert, en daar draait het bij aangepaste normen om (de weekendopgave van dit hoofdstuk, vraag 22). (iii) “Lineair impliceert continu” is een voorrecht van de eindige dimensie: de afgeleide op veeltermen is lineair en onbegrensd (Voorbeeld 5.7). (iv) Absolute convergentie van un\sum u_n helpt alleen wanneer de ruimte volledig is (Oefening 7.9 bouwt het tegenvoorbeeld). (v) In oneindige dimensie is een supremum over de eenheidsbol een echt supremum: neem niet aan dat het wordt aangenomen (Oefening 5.8).

Opmerking 5.27 (Vooruitblik binnen dit volume)

Er staan nu drie afspraken vast. Met Hoofdstuk 7: in een banachruimte convergeren absoluut convergente reeksen, zodat de meetkundige en de exponentiële reeks van operatoren dagelijks gereedschap worden — IAI - A inverteren en eA\eu^{A} definiëren (Voorbeeld 7.2). Met Hoofdstuk 10 en Hoofdstuk 11: convergentie van functierijen en machtreeksen is convergentie in (C,)\bigl(C, \norm\cdot_\infty\bigr) (Voorbeeld 5.25), en de convergentiestraal is een uitspraak over welke meetkundige reeksen domineren. Met Hoofdstuk 14: de normen 2\norm\cdot_2 en \norm\cdot_\infty zijn het op C([0,1])C(\intcc{0}{1}) werkelijk oneens (Voorbeeld 5.8), en precies daarom zijn de convergentie in kwadratisch gemiddelde van fourierreeksen en de uniforme convergentie twee verschillende stellingen met twee verschillende prijzen.

Opmerking 5.28 (Waar dit hoofdstuk wordt gebruikt)

Operatornormen en de meetkundige reeks drijven de storingsargumenten van Hoofdstuk 15 (de stelling van de inverse functie) en de matrixexponentiaal van Hoofdstuk 16 aan; de equivalentie van normen autoriseert stilzwijgend elk argument van het type “kies je favoriete norm” in Hoofdstuk 10 en daarna; en de scheidslijn tussen eindig en oneindig uit de stelling van Riesz — in de weekendopgave van dit hoofdstuk kwantitatief gemaakt — is de reden dat het volume van bachelorjaar 3 nieuw gereedschap nodig heeft (zwakke convergentie, Arzelà–Ascoli, projecties in hilbertruimten) waar dit volume nog convergente deelrijen kon extraheren.

5.5 Oefeningen

Oefening 5.1

Teken op R2\R^2 de eenheidsbollen van 1\norm\cdot_1, 2\norm\cdot_2 en \norm\cdot_\infty, en bewijs de ongelijkheden xx2x12x\norm x_\infty \leq \norm x_2 \leq \norm x_1 \leq 2\norm x_\infty met de beste constanten in dimensie 22.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.1.

Eenheidsbollen: een ruit (1\norm\cdot_1), een schijf (2\norm\cdot_2) en een vierkant (\norm\cdot_\infty), in die volgorde genest. Ongelijkheden: xx2\norm x_\infty \leq \norm x_2 (één kwadraat is hoogstens de som); x2x1\norm x_2 \leq \norm x_1 (kwadrateren: x12+x22(x1+x2)2x_1^2 + x_2^2 \leq (\abs{x_1} + \abs{x_2})^2); en x12x\norm x_1 \leq 2\norm x_\infty (twee termen, elk max\leq \max). Scherpte: (1,0)(1, 0) maakt de eerste twee tot gelijkheden; (1,1)(1, 1) maakt x1=2x\norm x_1 = 2\norm x_\infty en laat bovendien zien dat x2=2x\norm x_2 = \sqrt2 \norm x_\infty en x1=2x2\norm x_1 = \sqrt2 \norm x_2 de extreme verhoudingen in de andere richting zijn.

Oefening 5.2

Is N(f)=f(0)+fN(f) = \abs{f(0)} + \norm{f'}_\infty een norm op C1([0,1])C^1(\intcc{0}{1})? Vergelijk haar met f\norm{f}_\infty: de ene ongelijkheid geldt, de andere faalt (geef een voorbeeld).

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.2.

De normaxioma’s: de homogeniteit en de driehoeksongelijkheid worden term voor term geërfd; de scheiding: uit N(f)=0N(f) = 0 volgt f=0f' = 0 (dus ff constant) en f(0)=0f(0) = 0, dus f=0f = 0. Het is dus een norm.

Vergelijking: fN(f)\norm f_\infty \leq N(f), want f(x)f(0)+0xff(0)+f\abs{f(x)} \leq \abs{f(0)} + \abs{\int_0^x f'} \leq \abs{f(0)} + \norm{f'}_\infty. Het omgekeerde faalt: neem fn(x)=1nsin(nx)f_n(x) = \frac1n \sin(nx); dan is fn1n0\norm{f_n}_\infty \leq \frac1n \to 0 terwijl N(fn)=0+cos(nx)=1N(f_n) = 0 + \norm{\cos(nx)}_\infty = 1. Geen enkele constante CC geeft NCN \leq C\norm\cdot_\infty.

Oefening 5.3

Bereken de operatornorm van u(f)=01f(t)et ⁣dtu(f) = \int_0^1 f(t)\,\eu^t\,\dd t op (C([0,1]),)R\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr) \to \R, en die van de verschuiving S(x1,x2,,xn)=(x2,,xn,0)S(x_1, x_2, \dots, x_n) = (x_2, \dots, x_n, 0) op (Kn,)(K^n, \norm\cdot_\infty).

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.3.

Er geldt u(f)f01et ⁣dt=(e1)f\abs{u(f)} \leq \norm f_\infty \int_0^1 \eu^t\,\dd t = (\eu - 1)\norm f_\infty, met gelijkheid voor f1f \equiv 1: dus u=e1\vertiii u = \eu - 1.

Verschuiving: S(x)=max(x2,,xn)x\norm{S(x)}_\infty = \max(\abs{x_2}, \dots, \abs{x_n}) \leq \norm x_\infty, met gelijkheid in x=e2x = e_2: dus S=1\vertiii S = 1 (voor n2n \geq 2).

Oefening 5.4 ★★

Bewijs op (Rn,)(\R^n, \norm\cdot_\infty) dat de operatornorm van een matrix AA gelijk is aan A=maxijaij\vertiii A_\infty = \max_i \sum_j \abs{a_{ij}} (de grootste absolute rijsom). Bereken haar voor (1231)\begin{pmatrix} 1 & -2\\ 3 & 1\end{pmatrix}.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.4.

Bovengrens: voor x1\norm x_\infty \leq 1 is

(Ax)i=jaijxjjaij,\abs{(Ax)_i} = \Bigl|\sum_j a_{ij}x_j\Bigr| \leq \sum_j \abs{a_{ij}},

dus Axmaxijaij\norm{Ax}_\infty \leq \max_i \sum_j \abs{a_{ij}}. Aangenomen: zij i0i_0 een index die het maximum realiseert en neem xj=sign(ai0j)x_j = \operatorname{sign}(a_{i_0 j}) (componenten van modulus 11): dan is (Ax)i0=jai0j(Ax)_{i_0} = \sum_j \abs{a_{i_0 j}}. Daarmee is de formule bewezen. Voor de gegeven matrix: rijsommen 33 en 44, dus A=4\vertiii A_\infty = 4.

Oefening 5.5 ★★

Bewijs dat GLn(K)GL_n(K) open is in Mn(K)\mathcal{M}_n(K) en dat AA1A \mapsto A^{-1} er continu op is. Aanwijzing: voor de openheid geldt bij H<1A1\vertiii H < \frac{1}{\vertiii{A^{-1}}} dat A+H=A(I+A1H)A + H = A(I + A^{-1}H) met A1H<1\vertiii{A^{-1}H} < 1, en I+BI + B is inverteerbaar zodra B<1\vertiii B < 1 dankzij de meetkundige reeks (Stelling 5.21); begrens voor de continuïteit (A+H)1A1(A+H)^{-1} - A^{-1} met dezelfde reeks.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.5.

Meetkundige reeks: voor B<1\vertiii B < 1 convergeert de reeks Bk\sum B^k absoluut in de banachruimte Mn(K)\mathcal{M}_n(K) (Stelling 5.21, met BkBk\vertiii{B^k} \leq \vertiii B^k), en

(IB)k=0KBk=IBK+1I:(I - B)\sum_{k=0}^{K} B^k = I - B^{K+1} \longrightarrow I :

wegens de continuïteit van het product (Propositie 5.12) is (IB)k0Bk=I(I - B)\sum_{k\geq0} B^k = I, dus is IBI - B inverteerbaar met de som als inverse (en (IB)111B\vertiii{(I-B)^{-1}} \leq \frac{1}{1 - \vertiii B}).

Openheid: voor inverteerbare AA en H<1A1\vertiii H < \frac{1}{\vertiii{A^{-1}}} is A+H=A(I+A1H)A + H = A(I + A^{-1}H) met A1HA1H<1\vertiii{A^{-1}H} \leq \vertiii{A^{-1}}\vertiii H < 1: dus inverteerbaar. Een bol rond AA blijft dus in GLnGL_n.

Continuïteit van het inverteren: met B=A1HB = -A^{-1}H is

(A+H)1A1=((IB)1I)A1=(k1Bk)A1,(A + H)^{-1} - A^{-1} = \bigl((I - B)^{-1} - I\bigr)A^{-1} = \Bigl(\sum_{k \geq 1} B^k\Bigr) A^{-1},

met norm B1BA10\leq \frac{\vertiii B}{1 - \vertiii B}\vertiii{A^{-1}} \to 0 als H0H \to 0.

Oefening 5.6 ★★

Zij φ\varphi een lineaire vorm op een genormeerde ruimte EE. Bewijs dat φ\varphi continu is dan en slechts dan als kerφ\ker\varphi gesloten is. (Is kerφ\ker\varphi gesloten en φ0\varphi \neq 0, kies dan aa met φ(a)=1\varphi(a) = 1 en r>0r > 0 met B(a,r)kerφ=B(a, r) \cap \ker\varphi = \emptyset; leid met een schalingsargument op ahφ(h)a - \frac{h}{\varphi(h)} af dat φ(h)1rh\abs{\varphi(h)} \leq \frac{1}{r}\norm h.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.6.

Continu \Rightarrow gesloten kern: het origineel van het gesloten {0}\{0\} (Stelling 4.6).

Omgekeerd, stel dat kerφ\ker\varphi gesloten is en φ0\varphi \neq 0. Kies aa met φ(a)=1\varphi(a) = 1; omdat akerφa \notin \ker\varphi en de kern gesloten is, mist een zekere bol B(a,r)B(a, r) die kern. Zij nu hEh \in E met φ(h)0\varphi(h) \neq 0: de vector ahφ(h)a - \frac{h}{\varphi(h)} ligt in kerφ\ker\varphi en dus buiten B(a,r)B(a, r):

hφ(h)rφ(h)hr,\Bigl\Vert \frac{h}{\varphi(h)} \Bigr\Vert \geq r \quad\Longrightarrow\quad \abs{\varphi(h)} \leq \frac{\norm h}{r},

een ongelijkheid die ook bij φ(h)=0\varphi(h) = 0 triviaal geldt: dat is grens (4) van Stelling 5.6, dus continu.

Oefening 5.7 ★★

Bewijs dat (C([0,1]),1)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_1\bigr) niet volledig is: toon aan dat de functies fnf_n, affiene hellingen van 00 naar 11 over [121n,12]\bigl[\frac12 - \frac1n, \frac12\bigr] (waarde 00 ervoor, 11 erna), een cauchyrij vormen zonder continue 1\norm\cdot_1-limiet.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.7.

Zij fnf_n gelijk aan 00 op [0,121n]\intcc{0}{\frac12 - \frac1n}, affien oplopend tot de waarde 11 in 12\frac12, en daarna 11 op [12,1]\intcc{\frac12}{1}. Voor mnm \geq n heeft fmfnf_m - f_n drager in een interval van lengte 1n\frac1n met waarden in [1,1]\intcc{-1}{1}: dus fmfn11n\norm{f_m - f_n}_1 \leq \frac1n, een cauchyrij.

Stel dat fnff_n \to f in 1\norm\cdot_1 met ff continu. Op [0,12δ]\intcc{0}{\frac12 - \delta} (met vaste δ\delta) is f=ffnffn10\int \abs{f} = \int\abs{f - f_n} \leq \norm{f - f_n}_1 \to 0 voor n>1δn > \frac1\delta, dus 01/2δf=0\int_0^{1/2 - \delta}\abs f = 0, en wegens de strikte positiviteit is f=0f = 0 daar — voor elke δ\delta: dus f=0f = 0 op (0,12)\intoo{0}{\frac12}. Evenzo is f=1f = 1 op [12,1]\intcc{\frac12}{1} (alle fnf_n zijn daar gelijk aan 11). De continuïteit in 12\frac12 geeft 0=10 = 1, absurd. Er bestaat dus geen limiet: de ruimte is niet volledig.

Oefening 5.8 ★★★

Beschouw op E=C([0,1])E = C(\intcc{0}{1}) met \norm\cdot_\infty de vorm

φ(f)=n1(1)n2nf(1n).\varphi(f) = \sum_{n \geq 1} (-1)^n\, 2^{-n} f\bigl(\tfrac1n\bigr).

Bewijs dat φ\varphi een welgedefinieerde continue lineaire vorm is met φ=1\vertiii\varphi = 1, maar dat het supremum dat φ\vertiii\varphi definieert op de gesloten eenheidsbol niet wordt aangenomen. (Bovengrens: driehoeksongelijkheid. Norm =1= 1: bouw continue fKf_K met fK1\norm{f_K}_\infty \leq 1 en fK(1n)=(1)nf_K(\frac1n) = (-1)^n voor nKn \leq K — de punten 1n\frac1n liggen geïsoleerd van elkaar. Niet aangenomen: gelijkheid zou f(1n)=(1)nf(\frac1n) = (-1)^n voor elke nn afdwingen, wat onverenigbaar is met de continuïteit van ff in 00 omdat 1n0\frac1n \to 0.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.8.

Welgedefinieerd en continu: φ(f)2nf=f\abs{\varphi(f)} \leq \sum 2^{-n} \norm f_\infty = \norm f_\infty, dus is φ\varphi een lineaire vorm met φ1\vertiii\varphi \leq 1 (de reeks convergeert voor elke ff absoluut).

Norm 11: leg KK vast; de punten 1,12,,1K1, \frac12, \dots, \frac1K zijn paarsgewijs verschillend, dus bestaat er een continue fKf_K met fK1\norm{f_K}_\infty \leq 1 en fK(1n)=(1)nf_K(\frac1n) = (-1)^n voor nKn \leq K (stuksgewijs affiene interpolatie, constant bij 00). Dan is

φ(fK)n=1K2nn>K2n=12K+1K1.\varphi(f_K) \geq \sum_{n=1}^{K} 2^{-n} - \sum_{n > K} 2^{-n} = 1 - 2^{-K+1} \xrightarrow[K \to \infty]{} 1 .

Niet aangenomen: geldt f1\norm f_\infty \leq 1 en φ(f)=1\varphi(f) = 1, dan moet elke term zijn maximum bijdragen: (1)nf(1n)=1(-1)^n f(\frac1n) = 1 voor elke nn (anders kan het strikte tekort van één term niet worden goedgemaakt, want alle termen zijn 2n\leq 2^{-n}). Dus f(1n)=(1)nf(\frac1n) = (-1)^n; maar 1n0\frac1n \to 0 en ff is continu in 00, wat de tegenstrijdige convergentie van (1)n(-1)^n zou afdwingen. Het supremum is dus geen maximum — in eindige dimensie onmogelijk, waar de gesloten eenheidsbol compact is.

Oefening 5.9 ★★★

Zij EE een genormeerde ruimte waarin de gesloten eenheidsbol compact is. Leid opnieuw af, zonder Stelling 5.17 aan te halen, dat elke begrensde rij een convergente deelrij heeft, en bewijs dat elke lineaire vorm op EE continu is dan en slechts dan als dimE<\dim E < \infty. (Bouw voor oneindige dimensie een discontinue vorm door haar vrij te definiëren op een lineair onafhankelijke genormaliseerde rij en uit te breiden — waarbij het bestaan van een algebraïsch complement wordt aangenomen.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.9.

Begrensde rijen: een begrensde rij ligt in een zekere gesloten bol B(0,R)=RB(0,1)\overline B(0, R) = R\,\overline B(0,1), die compact is (het beeld van de compacte eenheidsbol onder het homeomorfisme xRxx \mapsto Rx): extraheer daar.

Lineaire vormen: is dimE<\dim E < \infty, dan is elke lineaire afbeelding vanuit EE continu (Stelling 5.13). Omgekeerd, stel dimE=\dim E = \infty (wat volgens Stelling 5.17 door de compactheidshypothese in feite is uitgesloten — het punt van deze vraag is de implicatie tussen de twee eigenschappen in algemene genormeerde ruimten): kies een genormaliseerde lineair onafhankelijke rij (en)(e_n), vul haar aan tot een algebraïsche basis (aangenomen), en definieer φ(en)=n\varphi(e_n) = n en φ=0\varphi = 0 op de overige basisvectoren, lineair uitgebreid. Dan is φ(en)=n\abs{\varphi(e_n)} = n met en=1\norm{e_n} = 1: onbegrensd op de eenheidsbol, dus discontinu. Bijgevolg dwingt “alle vormen zijn continu” eindige dimensie af.

Oefening 5.10 ★★

Bewijs op C([0,1])C(\intcc{0}{1}) dat f1f2f\norm f_1 \leq \norm f_2 \leq \norm f_\infty (voor de eerste: Cauchy–Schwarz), en toon met de familie fn(x)=xnf_n(x) = x^n aan dat geen van beide ongelijkheden op een constante na kan worden omgekeerd: de drie normen zijn paarsgewijs niet equivalent.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.10.

Cauchy–Schwarz met de constante functie 11: f1=01f1(01f2)1/2(011)1/2=f2\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. En f22=f2f2\norm f_2^2 = \int f^2 \leq \norm f_\infty^2. Voor fn(x)=xnf_n(x) = x^n:

fn1=1n+1,fn2=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 .

Dan is fn2/fn1=n+12n+1\norm{f_n}_2/\norm{f_n}_1 = \frac{n+1}{\sqrt{2n+1}} \to \infty en fn/fn2=2n+1\norm{f_n}_\infty/\norm{f_n}_2 = \sqrt{2n+1} \to \infty: geen omgekeerde ongelijkheden, en geen enkel paar is equivalent.

Oefening 5.11 ★★

(Afstand tot een hypervlak) Zij φ\varphi een continue lineaire vorm ongelijk aan nul op een genormeerde ruimte EE. Bewijs dat

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

en ga op Oefening 5.8 na dat het infimum niet door een punt van het hypervlak hoeft te worden aangenomen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.11.

Ondergrens voor de afstand: voor hkerφh \in \ker\varphi is φ(x)=φ(xh)φxh\abs{\varphi(x)} = \abs{\varphi(x - h)} \leq \vertiii\varphi\,\norm{x - h}; neem het infimum over hh: dan is d(x,kerφ)φ(x)/φd(x, \ker\varphi) \geq \abs{\varphi(x)}/\vertiii\varphi.

Bovengrens: we mogen aannemen dat φ(x)0\varphi(x) \neq 0. Kies bij gegeven ε>0\varepsilon > 0 een eenheidsvector uu met φ(u)φε>0\abs{\varphi(u)} \geq \vertiii\varphi - \varepsilon > 0 en zet h=xφ(x)φ(u)uh = x - \frac{\varphi(x)}{\varphi(u)}\,u: dan is φ(h)=0\varphi(h) = 0 en

xh=φ(x)φ(u)φ(x)φε.\norm{x - h} = \frac{\abs{\varphi(x)}}{\abs{\varphi(u)}} \leq \frac{\abs{\varphi(x)}}{\vertiii\varphi - \varepsilon}.

Laat ε0\varepsilon \to 0: d(x,kerφ)φ(x)/φd(x, \ker\varphi) \leq \abs{\varphi(x)}/\vertiii\varphi, dus gelijkheid.

Niet aangenomen: neem φ\varphi uit Oefening 5.8 (φ=1\vertiii\varphi = 1, niet aangenomen) en een willekeurige xx met φ(x)0\varphi(x) \neq 0. Zou een hkerφh \in \ker\varphi de waarde xh=φ(x)\norm{x - h} = \abs{\varphi(x)} realiseren, dan zou de eenheidsvector v=(xh)/xhv = (x - h)/\norm{x - h} voldoen aan φ(v)=φ(x)/xh=1=φ\abs{\varphi(v)} = \abs{\varphi(x)}/\norm{x - h} = 1 = \vertiii\varphi: de operatornorm zou worden aangenomen — tegenspraak.

Oefening 5.12 ★★★

Zij op E=R[X]E = \R[X] (alle veeltermen) N1(P)=sup[0,1]PN_1(P) = \sup_{\intcc{0}{1}}\abs P en N2(P)=sup[0,2]PN_2(P) = \sup_{\intcc{0}{2}}\abs P. Toon aan dat N1N2N_1 \leq N_2 maar dat N1N_1 en N2N_2 niet equivalent zijn; leid af dat de identiteit (E,N2)(E,N1)(E, N_2) \to (E, N_1) een continue lineaire bijectie is met een discontinue inverse. Toon ten slotte aan dat (E,N1)(E, N_1) niet volledig is (partiële taylorsommen van ex\eu^x). Alle drie de verschijnselen zijn in eindige dimensie onmogelijk — zeg waarom.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.12.

N1N2N_1 \leq N_2 is de monotonie van het supremum in het domein, dus is de identiteit (E,N2)(E,N1)(E, N_2) \to (E, N_1) 11-Lipschitz. Voor Pn(x)=(x/2)nP_n(x) = (x/2)^n is N2(Pn)=1N_2(P_n) = 1 (aangenomen in x=2x = 2) terwijl N1(Pn)=2nN_1(P_n) = 2^{-n}: een grens N2CN1N_2 \leq CN_1 zou 1C2n1 \leq C2^{-n} voor alle nn geven: onmogelijk. De normen zijn dus niet equivalent en de omgekeerde identiteit is een discontinue lineaire bijectie.

Onvolledigheid: zij Sn=k=0nXkk!S_n = \sum_{k=0}^{n}\frac{X^k}{k!}. Voor m>nm > n is N1(SmSn)k>n1k!0N_1(S_m - S_n) \leq \sum_{k>n}\frac1{k!} \to 0: een cauchyrij voor N1N_1. Zou SnPS_n \to P in (E,N1)(E, N_1), dan is puntsgewijs P(x)=limSn(x)=exP(x) = \lim S_n(x) = \eu^x op [0,1]\intcc{0}{1}; maar een veelterm van graad dd kan op een interval niet gelijk zijn aan ex\eu^x (differentieer d+1d + 1 keer: het linkerlid sterft, ex\eu^x niet). Geen limiet in EE: dus niet volledig.

In eindige dimensie zijn alle drie de verschijnselen onmogelijk: alle normen zijn equivalent, elke genormeerde ruimte is volledig, en de inverse van een lineaire bijectie is lineair vanuit een eindigdimensionale ruimte en dus continu (Stelling 5.13).

5.6 Probleem: Beste benadering en de stelling van Chebyshev

Hoe goed laat een functie zich door veeltermen van een gegeven graad benaderen, en welke veelterm doet het het beste? Aan de kant van het bestaan hoort het antwoord bij dit hoofdstuk: compactheid in eindige dimensie zorgt dat beste benaderingen bestaan. Aan de expliciete kant is één niet-triviaal geval volledig met blote handen op te lossen — van alle monische veeltermen van graad nn heeft de (genormaliseerde) chebyshevveelterm de kleinste supnorm op [1,1]\intcc{-1}{1}, namelijk 21n2^{1-n}: de extremumstelling van Chebyshev. De opgave bewijst beide kanten en meet daarna hoe erg de compactheid in oneindige dimensie faalt: de eenheidsbol van C([0,1])C(\intcc{0}{1}) bevat oneindige sterrenbeelden van punten op onderlinge afstand 11.

Probleem 5.1

Weekendopgave — de extremumstelling van Chebyshev en de meetkunde van de eenheidsbol

Normen zonder index zijn supnormen op het aangegeven segment.

Deel I — Beste benadering in genormeerde ruimten.

  1. Zij FF een eindigdimensionale deelruimte van een genormeerde ruimte EE en xEx \in E. Bewijs dat de afstand d(x,F)=inffFxfd(x, F) = \inf_{f \in F}\norm{x - f} wordt aangenomen (herleid tot een gesloten begrensde deelverzameling van FF en gebruik Stelling 5.13).
  2. Een norm heet strikt convex wanneer uit u=v=1\norm u = \norm v = 1 en uvu \neq v volgt dat u+v2<1\bigl\Vert\frac{u + v}2\bigr\Vert < 1. Toon aan dat 2\norm\cdot_2 op Rn\R^n strikt convex is (parallellogramidentiteit) en dat 1\norm\cdot_1 en \norm\cdot_\infty dat voor n2n \geq 2 niet zijn.
  3. Bewijs dat de beste benadering uit vraag 1 voor een strikt convexe norm eenduidig is.
  4. Bereken in (R2,)(\R^2, \norm\cdot_\infty) alle beste benaderingen van x=(0,1)x = (0, 1) door de rechte F=Vect((1,0))F = \operatorname{Vect}\bigl((1,0)\bigr): een heel interval van minimalisatoren.
  5. Toon in (C([a,b]),)\bigl(C(\intcc{a}{b}), \norm\cdot_\infty\bigr) aan dat de beste benadering van ff door constanten eenduidig is, gelijk aan c=maxf+minf2c^* = \frac{\max f + \min f}{2} met afstand maxfminf2\frac{\max f - \min f}{2}; bereken beide voor f(x)=x2f(x) = x^2 op [0,1]\intcc{0}{1}.

Deel II — Chebyshevveeltermen.

  1. Toon aan dat er precies één veelterm TnT_n is met Tn(cosθ)=cosnθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta voor alle θ\theta (de recurrentie Tn+1=2XTnTn1T_{n+1} = 2XT_n - T_{n-1} uit de somformule voor de cosinus), dat degTn=n\deg T_n = n, en dat haar kopcoëfficiënt 2n12^{n-1} is voor n1n \geq 1.
  2. Toon aan dat Tn1\abs{T_n} \leq 1 op [1,1]\intcc{-1}{1}, met Tn(ηk)=(1)kT_n(\eta_k) = (-1)^k in de n+1n + 1 punten ηk=coskπn\eta_k = \cos\frac{k\pi}{n} (k=0,,nk = 0, \dots, n), en dat de nulpunten van TnT_n de nn punten cos(2k1)π2n\cos\frac{(2k-1)\pi}{2n} zijn, die met de ηk\eta_k afwisselen.
  3. Bereken T2,T3,T4T_2, T_3, T_4, en ga de afwisseling van T3T_3 in η0,,η3=1,12,12,1\eta_0, \dots, \eta_3 = 1, \frac12, -\frac12, -1 na door rechtstreekse evaluatie.
  4. Bewijs voor x1\abs x \geq 1 dat

    Tn(x)=(x+x21)n+(xx21)n2,T_n(x) = \frac{\bigl(x + \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n + \bigl(x - \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n}{2},

    en leid af dat Tn(x)12(x+x21)nT_n(x) \sim \frac12\bigl(x + \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n \to \infty meetkundig, bij vaste x>1x > 1.

  5. Bewijs de samenstellingswet TmTn=TmnT_m \circ T_n = T_{mn} (ga het na op [1,1]\intcc{-1}{1} en beroep je op de starheid van veeltermen).

Deel III — De extremumstelling van Chebyshev. Schrijf Qn=21nTnQ_n = 2^{1-n}T_n (monisch, volgens vraag 6).

  1. Zij PP monisch van graad n1n \geq 1 met sup[1,1]P<21n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P < 2^{1-n}. Leid een tegenspraak af door D=QnPD = Q_n - P in de punten ηk\eta_k te evalueren en de tekenwisselingen te tellen. Besluit:

    sup[1,1]P    21nvoor elke monische P van graad n.\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P \;\geq\; 2^{1-n} \qquad\text{voor elke monische } P \text{ van graad } n.
  2. (Geval van gelijkheid) Stel sup[1,1]P=21n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P = 2^{1-n} met PP monisch van graad nn, en zij D=QnP0D = Q_n - P \neq 0. Toon aan dat (1)kD(ηk)0(-1)^kD(\eta_k) \geq 0 voor alle kk; toon aan dat elk van de nn intervallen [ηk,ηk1]\intcc{\eta_{k}}{\eta_{k-1}} een nulpunt van DD bevat, en dat een nulpunt dat twee opeenvolgende intervallen delen een inwendig punt ηk\eta_k is waar bovendien D=0D' = 0. Besluit dat DD met multipliciteit geteld nn nulpunten heeft, en dus D=0D = 0: de minimalisator is precies QnQ_n — de extremumstelling van Chebyshev.
  3. Herformuleer de stelling als een afstand: op [1,1]\intcc{-1}{1} geldt

    d(Xn, Rn1[X])=21n,d_\infty\bigl(X^n,\ \R_{n-1}[X]\bigr) = 2^{1-n},

    met als unieke beste benadering XnQnX^n - Q_n; en toon met de affiene substitutie x=1+t2x = \frac{1+t}2 aan dat de afstand op [0,1]\intcc{0}{1} gelijk wordt aan 212n2^{1-2n}.

  4. (Optimale interpolatieknooppunten) Voor nn knooppunten x1,,xn[1,1]x_1, \dots, x_n \in \intcc{-1}{1} is de knooppuntveelterm ω(x)=i(xxi)\omega(x) = \prod_i(x - x_i) monisch van graad nn. Leid uit vraag 12 af welke keuze van knooppunten sup[1,1]ω\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs\omega minimaliseert — de van de knooppunten afhangende factor in de klassieke foutgrens voor interpolatie — en geef de minimale waarde.
  5. Ga het geval n=2n = 2 van de stelling met de hand na (bepaal rechtstreeks infcsup[1,1]x2c\inf_c \sup_{\intcc{-1}{1}}\abs{x^2 - c}), en bereken numeriek de afstand uit vraag 13 op [0,1]\intcc{0}{1} voor n=10n = 10. Wat zegt haar grootte over de grafiek van x10x^{10}?

Deel IV — De eenheidsbol van C([0,1])C(\intcc{0}{1}).

  1. Zij gk(x)=x2kg_k(x) = x^{2^k}. Toon aan dat gk=1\norm{g_k}_\infty = 1 en gkgj14\norm{g_k - g_j}_\infty \geq \frac14 voor j>kj > k (evalueer in het punt waar x2k=12x^{2^k} = \frac12): een expliciete begrensde rij zonder convergente deelrij — de gesloten eenheidsbol is niet compact, met blote handen.
  2. (Het lemma van Riesz, aangescherpt) Zij FF een eindigdimensionale echte deelruimte van een genormeerde ruimte EE. Produceer met vraag 1 een eenheidsvector xx met exact d(x,F)=1d(x, F) = 1 — niet alleen 1ε\geq 1 - \varepsilon zoals in het lemma bij Stelling 5.17.
  3. Leid af: in elke oneindigdimensionale genormeerde ruimte bestaat er een rij eenheidsvectoren met onderlinge afstanden 1\geq 1, en herleid daaruit de stelling van Riesz.
  4. Geef zo’n sterrenbeeld expliciet in C([0,1])C(\intcc{0}{1}): de tentfuncties hnh_n met drager [1n+1,1n]\bigl[\frac1{n+1}, \frac1n\bigr] en pieksterkte 11. Ga na dat hn=1\norm{h_n} = 1 en hnhm=1\norm{h_n - h_m} = 1 voor nmn \neq m, en merk op dat hn0h_n \to 0 puntsgewijs maar niet uniform.
  5. (De totale begrensdheid faalt) Toon aan dat de gesloten eenheidsbol van C([0,1])C(\intcc{0}{1}) niet door eindig veel bollen met straal 13\frac13 kan worden overdekt (elke zulke bol bevat hoogstens één hnh_n) — vergelijk dit met de stap over totale begrensdheid in het bewijs van Stelling 4.20.

Deel V — Normen aan het werk op matrices, en synthese.

  1. Bewijs dat elke eigenwaarde λ\lambda van AMn(C)A \in \mathcal{M}_n(\C) voldoet aan λA\abs\lambda \leq \vertiii A voor elke operatornorm; pas Oefening 5.4 toe om de eigenwaarden van (1231)\left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right) te begrenzen, en vergelijk met hun werkelijke modulus.
  2. (Aangepaste normen) Zij AA diagonaliseerbaar, A=Pdiag(λ1,,λn)P1A = P\,\mathrm{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n)\,P^{-1}. Toon aan dat NP(x)=P1xN_P(x) = \norm{P^{-1}x}_\infty een norm is waarvan de operatornorm voldoet aan ANP=maxiλi\vertiii A_{N_P} = \max_i\abs{\lambda_i}.
  3. Leid af: voor diagonaliseerbare AA geldt Ak0A^k \to 0 dan en slechts dan als alle eigenwaarden voldoen aan λi<1\abs{\lambda_i} < 1 — de equivalentie van normen maakt het besluit onafhankelijk van de norm. Ga dit na op A=14(1221)A = \frac14\left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 2 & 1\end{smallmatrix}\right).
  4. (De equivalentieconstanten exploderen) Vergelijk op Rn[X]\R_n[X] de normen Nc(P)=maxkakN_c(P) = \max_k \abs{a_k} (coëfficiënten) en P[0,1]\norm{P}_{\intcc{0}{1}}: beide zijn normen, dus zijn zij voor elke vaste nn equivalent; maar toon met de monische minimalisator van vraag 13 op [0,1]\intcc{0}{1} aan dat de beste constante CnC_n in NcCn[0,1]N_c \leq C_n\norm\cdot_{\intcc{0}{1}} voldoet aan Cn22n1C_n \geq 2^{2n-1}. Besluit in één zin waarom “alle normen zijn equivalent” in oneindige dimensie sterft.
  5. (Synthese) In telkens één zin: waar de compactheid van eindigdimensionale bollen werkte (vragen 1 en 12); wat de strikte convexiteit bestuurt; wat het sterrenbeeld van de vragen 18–19 vernietigt; en hoe vraag 24 het falen kwantificeert. Noem de top (de extremumstelling van Chebyshev) en zeg waar de beste benadering haar moderne thuis vindt (de projectiestelling op hilbertruimten, volume van bachelorjaar 3, waar volledigheid de plaats van compactheid inneemt).
Oplossing

Oplossing van Probleem 5.1.

1. De kandidaten die het overwegen waard zijn, vormen K={fF:xfx}K = \{f \in F : \norm{x - f} \leq \norm x\}: niet leeg (0K0 \in K), gesloten (het origineel van een gesloten interval onder de continue fxff \mapsto \norm{x - f}, doorgesneden met de gesloten FF, Gevolg 5.14) en begrensd (ffx+x2x\norm f \leq \norm{f - x} + \norm x \leq 2\norm x). In de eindigdimensionale FF betekent gesloten en begrensd compact (Stelling 5.13); de continue functie fxff \mapsto \norm{x - f} neemt op KK haar infimum aan, en dat is gelijk aan het infimum over heel FF (elke fKf \notin K geeft xf>xinf\norm{x - f} > \norm x \geq \inf).

2. Parallellogramidentiteit in (Rn,2)(\R^n, \norm\cdot_2): u+v2+uv2=2u2+2v2\norm{u + v}^2 + \norm{u - v}^2 = 2\norm u^2 + 2\norm v^2 (werk de kwadraten van de coördinatensommen uit). Voor eenheidsvectoren uvu \neq v:

u+v22=1uv24<1.\Bigl\Vert\frac{u+v}2\Bigr\Vert^2 = 1 - \frac{\norm{u - v}^2}{4} < 1 .

Niet strikt convex: neem voor \norm\cdot_\infty de vectoren u=(1,1,0,)u = (1, 1, 0, \dots) en v=(1,1,0,)v = (1, -1, 0, \dots): eenheidsvectoren met middelpunt (1,0,)(1, 0, \dots) van norm 11; en voor 1\norm\cdot_1 de vectoren u=(1,0,)u = (1, 0, \dots) en v=(0,1,0,)v = (0, 1, 0, \dots): middelpunt (12,12,0,)(\frac12, \frac12, 0, \dots) van norm 11.

3. Zij d=d(x,F)d = d(x, F). Is d=0d = 0, dan is xF=Fx \in \overline F = F en is xx de enige minimalisator. Is d>0d > 0 en minimaliseren f1f2f_1 \neq f_2 beide, dan zijn u=xf1du = \frac{x - f_1}{d} en v=xf2dv = \frac{x - f_2}{d} verschillende eenheidsvectoren, zodat

xf1+f22=du+v2<d,\Bigl\Vert x - \frac{f_1 + f_2}2\Bigr\Vert = d\,\Bigl\Vert\frac{u + v}2\Bigr\Vert < d ,

met f1+f22F\frac{f_1 + f_2}2 \in F: in strijd met de definitie van dd. De minimalisator is dus eenduidig.

4. Er geldt (0,1)t(1,0)=max(t,1)1\norm{(0,1) - t(1,0)}_\infty = \max(\abs t, 1) \geq 1, met gelijkheid dan en slechts dan als t1\abs t \leq 1: de minimalisatoren vormen het segment {t(1,0):t[1,1]}\{t(1, 0) : t \in \intcc{-1}{1}\}, alle op afstand 11 — de eenduidigheid faalt precies omdat de vierkante bol vlakke zijden heeft (vraag 2).

5. Zij M=maxfM = \max f en m=minfm = \min f (aangenomen wegens de compactheid). Voor elke constante cc is supfcmax(Mc,cm)Mm2\sup\abs{f - c} \geq \max(M - c,\, c - m) \geq \frac{M - m}2, waarbij de laatste ongelijkheid geldt omdat de twee grootheden gemiddeld Mm2\frac{M-m}2 zijn; gelijkheid in beide dwingt Mc=cmM - c = c - m af, dat wil zeggen c=c=M+m2c = c^* = \frac{M + m}2. Omgekeerd is supfc=max(Mc,cm)=Mm2\sup\abs{f - c^*} = \max(M - c^*, c^* - m) = \frac{M - m}2. De beste constante is dus eenduidig. Voor f(x)=x2f(x) = x^2 op [0,1]\intcc01: c=12c^* = \frac12 met afstand 12\frac12.

6. Uit cos(n+1)θ+cos(n1)θ=2cosθcosnθ\cos(n{+}1)\theta + \cos(n{-}1)\theta = 2\cos\theta\cos n\theta volgt met inductie dat de veeltermen gedefinieerd door T0=1T_0 = 1, T1=XT_1 = X en Tn+1=2XTnTn1T_{n+1} = 2XT_n - T_{n-1} voldoen aan Tn(cosθ)=cosnθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta. Eenduidigheid: twee veeltermen die op [1,1]\intcc{-1}{1} (oneindig veel punten) overeenstemmen, zijn gelijk. Opnieuw met inductie: degTn=n\deg T_n = n met kopcoëfficiënt 2n12^{n-1} voor n1n \geq 1 (bij T1T_1 is de coëfficiënt 1=201 = 2^0, en de recurrentie verdubbelt haar).

7. Elke x[1,1]x \in \intcc{-1}{1} is cosθ\cos\theta, en cosnθ1\abs{\cos n\theta} \leq 1. In ηk=coskπn\eta_k = \cos\frac{k\pi}n is Tn(ηk)=coskπ=(1)kT_n(\eta_k) = \cos k\pi = (-1)^k, en 1=η0>η1>>ηn=11 = \eta_0 > \eta_1 > \dots > \eta_n = -1. Nulpunten: cosnθ=0\cos n\theta = 0 dan en slechts dan als θ=(2k1)π2n\theta = \frac{(2k-1)\pi}{2n}, dus de nn verschillende punten cos(2k1)π2n\cos\frac{(2k-1)\pi}{2n}; en omdat (k1)πn<(2k1)π2n<kπn\frac{(k-1)\pi}n < \frac{(2k-1)\pi}{2n} < \frac{k\pi}n, ligt elk nulpunt strikt tussen twee opeenvolgende extrema.

8. T2=2X21T_2 = 2X^2 - 1, T3=4X33XT_3 = 4X^3 - 3X, T4=8X48X2+1T_4 = 8X^4 - 8X^2 + 1. Voor T3T_3: T3(1)=1T_3(1) = 1, T3(12)=1232=1T_3(\tfrac12) = \tfrac12 - \tfrac32 = -1, T3(12)=1T_3(-\tfrac12) = 1, T3(1)=1T_3(-1) = -1: een perfecte afwisseling.

9. Zij u±=x±x21u_\pm = x \pm \sqrt{x^2 - 1} voor x1x \geq 1: de nulpunten van z22xz+1z^2 - 2xz + 1, met u+u=1u_+u_- = 1. De rij sn=u+n+un2s_n = \frac{u_+^n + u_-^n}2 voldoet aan sn+1=2xsnsn1s_{n+1} = 2x\,s_n - s_{n-1} (een recurrentie van het type Newton, uit de vierkantsvergelijking) met s0=1s_0 = 1 en s1=xs_1 = x: dezelfde recurrentie en dezelfde beginwaarden als nTn(x)n \mapsto T_n(x), dus sn=Tn(x)s_n = T_n(x) voor alle nn. Omdat 0<u1u+0 < u_- \leq 1 \leq u_+ met u+>1u_+ > 1 voor x>1x > 1, volgt Tn(x)u+n2T_n(x) \geq \frac{u_+^n}2 \to \infty en Tn(x)12(x+x21)nT_n(x) \sim \frac12\bigl(x + \sqrt{x^2-1}\bigr)^n. (Voor x1x \leq -1 gebruik de pariteit Tn(x)=(1)nTn(x)T_n(-x) = (-1)^nT_n(x), die uit de recurrentie duidelijk is.)

10. Voor elke θ\theta is Tm(Tn(cosθ))=Tm(cosnθ)=cosmnθ=Tmn(cosθ)T_m\bigl(T_n(\cos\theta)\bigr) = T_m(\cos n\theta) = \cos mn\theta = T_{mn}(\cos\theta). De veeltermen TmTnT_m \circ T_n en TmnT_{mn} stemmen op [1,1]\intcc{-1}{1} overeen en zijn dus gelijk.

11. D=QnPD = Q_n - P heeft graad n1\leq n - 1 (de monische koptermen vallen weg). In de extrema is (1)kD(ηk)=21n(1)kP(ηk)21nP(ηk)>0(-1)^kD(\eta_k) = 2^{1-n} - (-1)^kP(\eta_k) \geq 2^{1-n} - \abs{P(\eta_k)} > 0 wegens de hypothese. Dus neemt DD in de n+1n + 1 dalende punten η0>>ηn\eta_0 > \dots > \eta_n waarden ongelijk aan nul met afwisselend teken aan: volgens de tussenwaardestelling heeft zij minstens nn verschillende nulpunten, één in elk open interval (ηk,ηk1)\intoo{\eta_{k}}{\eta_{k-1}}. Een veelterm ongelijk aan nul van graad n1\leq n - 1 kan geen nn nulpunten hebben; en D=0D = 0 is in strijd met de strikte tekens. Tegenspraak: dus supP21n\sup\abs P \geq 2^{1-n} voor elke monische PP van graad nn.

12. Nu is (1)kD(ηk)=21n(1)kP(ηk)0(-1)^kD(\eta_k) = 2^{1-n} - (-1)^kP(\eta_k) \geq 0 omdat P21n\abs{P} \leq 2^{1-n}. Op elke [ηk,ηk1]\intcc{\eta_k}{\eta_{k-1}} (k=1,,nk = 1, \dots, n) hebben de waarden van DD in de eindpunten tegengestelde zwakke tekens: de tussenwaardestelling levert een nulpunt zkz_k in het gesloten interval. Zijn de zkz_k paarsgewijs verschillend te kiezen, dan heeft D0D \neq 0 van graad n1\leq n-1 toch nn nulpunten: tegenspraak. Twee opeenvolgende intervallen kunnen alleen het nulpunt zk=zk+1=ηkz_k = z_{k+1} = \eta_k met 0<k<n0 < k < n delen (inwendig). Daar betekent D(ηk)=0D(\eta_k) = 0 dat P(ηk)=(1)k21nP(\eta_k) = (-1)^k2^{1-n}, een extremale waarde van PP op [1,1]\intcc{-1}{1} die in een inwendig punt wordt aangenomen: dus P(ηk)=0P'(\eta_k) = 0; en ηk\eta_k is ook een inwendig extremum van TnT_n: dus Qn(ηk)=0Q_n'(\eta_k) = 0. Bijgevolg is D(ηk)=0D'(\eta_k) = 0: ηk\eta_k is een nulpunt van multipliciteit 2\geq 2, wat het gedeelde interval compenseert. In alle gevallen heeft DD met multipliciteit geteld minstens nn nulpunten bij graad n1\leq n - 1, dus D=0D = 0 en P=QnP = Q_n. Daarmee is de extremumstelling van Chebyshev bewezen: de unieke monische minimalisator is 21nTn2^{1-n}T_n, met supnorm 21n2^{1-n}.

13. De monische veeltermen van graad nn zijn precies de XnRX^n - R met RRn1[X]R \in \R_{n-1}[X], dus

d(Xn,Rn1[X])=minP monisch sup[1,1]P=21n,d_\infty\bigl(X^n, \R_{n-1}[X]\bigr) = \min_{P \text{ monisch}}\ \sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P = 2^{1-n},

eenduidig bereikt in R=XnQnR^* = X^n - Q_n. Substitutie x=1+t2x = \frac{1+t}2: is PP monisch van graad nn op [0,1]\intcc01, dan is t2nP(1+t2)t \mapsto 2^nP\bigl(\frac{1+t}2\bigr) monisch op [1,1]\intcc{-1}{1} met supremum gelijk aan 2nsup[0,1]P2^n\sup_{\intcc01}\abs P: dus sup[0,1]P2n21n=212n\sup_{\intcc01}\abs P \geq 2^{-n}\cdot2^{1-n} = 2^{1-2n}, met gelijkheid precies voor P(x)=2nQn(2x1)P^*(x) = 2^{-n}Q_n(2x - 1): op [0,1]\intcc{0}{1} is de afstand 212n2^{1-2n}.

14. ω\omega is monisch van graad nn, dus sup[1,1]ω21n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs\omega \geq 2^{1-n} met gelijkheid dan en slechts dan als ω=Qn=21nTn\omega = Q_n = 2^{1-n}T_n, dat wil zeggen dan en slechts dan als de knooppunten de nn nulpunten van TnT_n zijn: xk=cos(2k1)π2nx_k = \cos\frac{(2k-1)\pi}{2n} — de chebyshevknooppunten. Minimale waarde: 21n2^{1-n}. Gelijkmatig verdeelde knooppunten zijn strikt slechter; de factor van de interpolatiefout wordt geminimaliseerd door de knooppunten bij de eindpunten op te hopen.

15. n=2n = 2 met de hand: x2x^2 doorloopt [0,1]\intcc01, dus sup[1,1]x2c=max(c,1c)12\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs{x^2 - c} = \max(\abs c, \abs{1 - c}) \geq \frac12, minimaal in c=12c = \frac12: de minimale monische tweedegraadsveelterm is x212=12(2x21)=Q2x^2 - \frac12 = \frac12(2x^2 - 1) = Q_2, met waarde 12=212\frac12 = 2^{1-2}. Voor n=10n = 10 op [0,1]\intcc{0}{1}: 2120=2191.91062^{1-20} = 2^{-19} \approx 1.9\cdot10^{-6}. Een zekere veelterm van graad 99 blijft op heel [0,1]\intcc01 binnen twee miljoenste van x10x^{10}: op die schaal zijn de twee grafieken niet te onderscheiden — de vlakheid van x10x^{10} bij 00 laat de lagere graden al het werk doen.

16. gk=gk(1)=1\norm{g_k}_\infty = g_k(1) = 1. Zet voor j>kj > k de waarden a=2ka = 2^k en b=2j2ab = 2^j \geq 2a, en evalueer in x0=21/ax_0 = 2^{-1/a} (zodat x0a=12x_0^a = \frac12):

gk(x0)gj(x0)=12(12)b/a1214=14.g_k(x_0) - g_j(x_0) = \frac12 - \Bigl(\frac12\Bigr)^{b/a} \geq \frac12 - \frac14 = \frac14 .

Dus gkgj14\norm{g_k - g_j}_\infty \geq \frac14 voor alle jkj \neq k: geen enkele deelrij is cauchy, en geen enkele convergeert. De gesloten eenheidsbol van (C([0,1]),)\bigl(C(\intcc01), \norm\cdot_\infty\bigr) is dus niet compact.

17. FF is gesloten (Gevolg 5.14) en echt: kies yFy \notin F, zodat δ=d(y,F)>0\delta = d(y, F) > 0. Volgens vraag 1 wordt de afstand aangenomen in een zekere fFf^* \in F. Zet x=yfδx = \frac{y - f^*}{\delta}, een eenheidsvector (want yf=δ\norm{y - f^*} = \delta). Voor elke gFg \in F is

xg=y(f+δg)δδδ=1,\norm{x - g} = \frac{\norm{y - (f^* + \delta g)}}{\delta} \geq \frac{\delta}{\delta} = 1 ,

omdat f+δgFf^* + \delta g \in F. Dus d(x,F)1d(x, F) \geq 1; en d(x,F)x0=1d(x, F) \leq \norm{x - 0} = 1: dus precies 11.

18. Bouw in een oneindigdimensionale EE inductief eenheidsvectoren: x1x_1 willekeurig; zijn x1,,xkx_1, \dots, x_k gegeven, dan is de deelruimte Fk=Vect(x1,,xk)F_k = \operatorname{Vect}(x_1, \dots, x_k) eindigdimensionaal en dus echt, en levert vraag 17 een eenheidsvector xk+1x_{k+1} met d(xk+1,Fk)=1d(x_{k+1}, F_k) = 1: in het bijzonder xk+1xi1\norm{x_{k+1} - x_i} \geq 1 voor iki \leq k. De rij heeft onderlinge afstanden 1\geq 1: de eenheidsbol bevat dus een rij zonder convergente deelrij en is niet compact — de stelling van Riesz, met de scherpe constante 11.

19. Zij hnh_n affien op elke helft van [1n+1,1n]\bigl[\frac1{n+1}, \frac1n\bigr], van 00 omhoog naar 11 in het midden en terug naar 00, en overal elders nul: continu, met hn=1\norm{h_n}_\infty = 1. Voor nmn \neq m ontmoeten de dragers elkaar hoogstens in een gemeenschappelijk eindpunt, waar beide verdwijnen; in de piek van hnh_n is hm=0h_m = 0: dus hnhm=1\norm{h_n - h_m}_\infty = 1 precies. Voor vaste x>0x > 0 is hn(x)=0h_n(x) = 0 zodra 1n<x\frac1n < x, en hn(0)=0h_n(0) = 0 altijd: dus hn0h_n \to 0 puntsgewijs; maar hn0=1\norm{h_n - 0}_\infty = 1: niet uniform. Een expliciet sterrenbeeld op onderlinge afstand 11 binnen de eenheidsbol.

20. Een bol met straal 13\frac13 heeft diameter 23<1\leq \frac23 < 1 en bevat dus hoogstens één van de hnh_n (twee ervan liggen op afstand 11). Eindig veel zulke bollen bevatten eindig veel van de oneindig vele hnh_n: zij kunnen de eenheidsbol niet overdekken. De totale begrensdheid — waarover compacte metrische ruimten volgens het bewijs van Stelling 4.20 beschikken — faalt hier zo erg als maar mogelijk is.

21. Geldt Ax=λxAx = \lambda x met x0x \neq 0, dan is λx=AxAx\abs\lambda\,\norm x = \norm{Ax} \leq \vertiii A\,\norm x, dus λA\abs\lambda \leq \vertiii A. Voor (1231)\left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right) is A=max(1+2, 3+1)=4\vertiii A_\infty = \max(1 + 2,\ 3 + 1) = 4 (Oefening 5.4), dus heeft elke eigenwaarde modulus 4\leq 4; in feite geeft χA=X22X+7\chi_A = X^2 - 2X + 7 de eigenwaarden λ=1±i6\lambda = 1 \pm \iu\sqrt6 met modulus 72.65\sqrt7 \approx 2.65: de grens is geldig, maar niet scherp.

22. NPN_P is een norm: uit NP(x)=0N_P(x) = 0 volgt P1x=0P^{-1}x = 0 en dus x=0x = 0; de homogeniteit en de driehoeksongelijkheid worden via de lineaire P1P^{-1} van \norm\cdot_\infty geërfd. Operatornorm: met y=P1xy = P^{-1}x en D=diag(λi)D = \mathrm{diag}(\lambda_i) is

NP(Ax)=P1APy=Dy,N_P(Ax) = \norm{P^{-1}AP\,y}_\infty = \norm{Dy}_\infty,

dus is ANP\vertiii A_{N_P} de operatornorm van DD voor \norm\cdot_\infty, en dat is haar grootste absolute rijsom (Oefening 5.4): maxiλi\max_i\abs{\lambda_i}.

23. Zijn alle λi<1\abs{\lambda_i} < 1, dan is NP(Akx)ρkNP(x)N_P(A^kx) \leq \rho^kN_P(x) met ρ=maxλi<1\rho = \max\abs{\lambda_i} < 1, dus Akx0A^kx \to 0 voor elke xx, en Ak0A^k \to 0 in elke norm op Mn\mathcal{M}_n (die in eindige dimensie alle equivalent zijn, Stelling 5.13; de convergentie van AkejA^ke_j voor elke jj is convergentie element voor element). Is er een λ1\abs{\lambda} \geq 1 met eigenvector xx, dan is Akx=λkx↛0\norm{A^kx} = \abs\lambda^k\norm x \not\to 0. Voor A=14(1221)A = \frac14\left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 2 & 1\end{smallmatrix}\right) zijn de eigenwaarden 14(1±2)=34\frac14(1 \pm 2) = \frac34 en 14-\frac14, beide van modulus <1< 1: dus Ak0A^k \to 0.

24. Beide zijn normen op de eindigdimensionale Rn[X]\R_n[X] en dus voor elke nn equivalent. Neem de minimale monische PnP^*_n uit vraag 13 op [0,1]\intcc01: haar coëfficiënt van XnX^n is 11, dus Nc(Pn)1N_c(P^*_n) \geq 1, terwijl Pn[0,1]=212n\norm{P^*_n}_{\intcc01} = 2^{1-2n}. Bijgevolg is

CnNc(Pn)Pn[0,1]22n1.C_n \geq \frac{N_c(P^*_n)}{\norm{P^*_n}_{\intcc01}} \geq 2^{2n-1} .

De equivalentieconstanten exploderen met de dimensie: op de vereniging R[X]\R[X] voldoet geen enkele constante, en dat is precies de niet-equivalentie uit Oefening 5.12 — “alle normen zijn equivalent” is een stelling over één dimensie tegelijk, en in oneindige dimensie sterft zij.

25. De compactheid van gesloten begrensde verzamelingen in eindige dimensie leverde het bestaan van beste benaderingen (vraag 1) en dreef het tellen van nulpunten in de n+1n + 1 extremale punten aan (vragen 11–12, via aangenomen suprema). De strikte convexiteit bestuurt de eenduidigheid van de beste benadering — ronde bollen geven één minimalisator, bollen met vlakke zijden hele segmenten ervan (vragen 2–4). Het sterrenbeeld van eenheidsvectoren op onderlinge afstand 11 (vragen 17–19) vernietigt de compactheid van de eenheidsbol en daarmee de totale begrensdheid (vraag 20). Vraag 24 kwantificeert de ineenstorting: de constanten die twee normen op Rn[X]\R_n[X] verbinden groeien als 4n4^n, zodat geen uniforme vergelijking de overgang naar R[X]\R[X] overleeft. De top is de extremumstelling van Chebyshev (vragen 11–12): de unieke monische minimalisator 21nTn2^{1-n}T_n. De beste benadering vindt haar moderne thuis in hilbertruimten, waar de projectiestelling de compactheid vervangt door volledigheid plus de parallellogramidentiteit — in het volume van bachelorjaar 3 eerlijk bewezen.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst