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 vectorruimten over of .
5.1 Normen
Definitie 5.1
Een norm op is een afbeelding met, voor alle en ,
Dan is een afstand en is heel Hoofdstuk 4 van toepassing. De omgekeerde driehoeksongelijkheid maakt de norm zelf -Lipschitz; de optelling en de scalaire vermenigvuldiging zijn continu (schattingen , enzovoort).
Voorbeeld 5.2
Op :
( is een norm wegens Cauchy–Schwarz, volume van bachelorjaar 1). Op :
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 ; de operatornormen hieronder zijn de structureel belangrijke.
Definitie 5.3 (Equivalente normen)
Twee normen op heten equivalent wanneer er constanten zijn met
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 geldt altijd , maar er is geen omgekeerde grens: heeft en . Dus voor maar niet voor : de twee normen zijn het oneens over de convergentie zelf.
Voorbeeld 5.5 (Expliciete constanten in dimensie )
Op zijn de drie klassieke normen equivalent met scherpe constanten:
waarbij de middelste grens uit Cauchy–Schwarz tegen de vector vol enen komt. Extremale vectoren: maakt de eerste twee ongelijkheden tot gelijkheden, en de laatste twee. De dimensie zit zichtbaar in de constanten — het kwantitatieve zaad van het falen in oneindige dimensie: als overleeft geen enkele uniforme constante, en dat is precies wat Voorbeeld 5.4 op functieruimten laat zien.
5.2 Continue lineaire afbeeldingen
Stelling 5.6 (Karakterisering)
Voor een lineaire afbeelding tussen genormeerde ruimten zijn de volgende uitspraken gelijkwaardig:
- is continu;
- is continu in ;
- is begrensd op de gesloten eenheidsbol: ;
- er is een met voor alle ;
- is Lipschitz.
De kleinste zulke is de operatornorm ; zij maakt van de ruimte van de continue lineaire afbeeldingen een genormeerde ruimte, met
Bewijs. (1 2) triviaal. (2 3): de continuïteit in met geeft een met ; de homogeniteit schaalt vervolgens elke met die bol in en weer uit:
want . (3 4): pas voor de grens toe op . (4 5): . (5 1) bekend.
De normaxioma’s voor : de homogeniteit en de scheiding zijn duidelijk ( dwingt op de bol af, en dus overal); de driehoeksongelijkheid volgt uit . Submultiplicativiteit: . ∎
Voorbeeld 5.7
Op : de evaluatie heeft operatornorm ; de integratie heeft norm ; en de afbeelding heeft norm (bovengrens uit de driehoeksongelijkheid voor integralen; aangenomen in ). Maar de afgeleide, van naar , is niet continu: terwijl de afgeleide supnorm heeft. Lineair impliceert in oneindige dimensie geen continuïteit.
Voorbeeld 5.8 (Twee normen, twee oordelen over één rij)
Zij op de rij . Dan is
één rij, drie normen, drie gedragingen — convergentie naar nul, geen convergentie (de normen stabiliseren bij terwijl de puntsgewijze limiet is), en explosie. Massa die zich bij ophoopt, is onzichtbaar voor , half zichtbaar voor en overheersend voor . 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 af door met driehoeksongelijkheden, Cauchy–Schwarz of integraalgrenzen — dat bewijst . Getuige: geef ofwel een concrete met (de grens wordt aangenomen), ofwel een rij eenheidsvectoren met (de grens wordt benaderd). Beide zetten zijn verplicht: een bovengrens alleen geeft slechts , en een getuige alleen slechts . 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 op met elk van de normen : uit coördinaatsgewijs volgt ; en (met een maximaliserende index) neemt die grens aan. Dus is 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 -normtweeling van Oefening 5.4)
Op is de operatornorm van een matrix de grootste absolute kolomsom. Volg de methode: voor is
en de grens wordt aangenomen in voor een maximaliserende kolom — de netste getuige die men zich kan wensen. Zo is voor de waarde , terwijl ook (rijen) — hier een toeval, geen wet: verdeel de elementen asymmetrisch en de twee normen gaan uiteen. Rijen voor , kolommen voor : 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 is continu dan en slechts dan als voor zekere ; dan is zij Lipschitz op begrensde verzamelingen. (Hetzelfde bewijspatroon; het product en de matrixvermenigvuldiging zijn de sleutelvoorbeelden.)
Bewijs. Geldt de grens, dan
dus : continuïteit in , en een Lipschitz-grens zodra . Omgekeerd geeft de continuïteit in een met op ; 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 ; het volstaat elke norm met te vergelijken.
De ene richting is algebra: met . Dit toont tevens dat continu is op (zij is -Lipschitz: ).
De andere is topologie: de eenheidssfeer is gesloten en begrensd in en dus compact (Stelling 4.16 (2), geldig voor ). De continue functie neemt op haar minimum aan; en , want verdwijnt alleen in . De homogeniteit verspreidt de grens: voor alle .
Gevolgen: alle uitspraken herleiden zich tot , waar zij bekend zijn (Stelling 4.9, Stelling 4.16); en een lineaire vanuit een eindigdimensionale voldoet aan : 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 de functie van de (gesloten, tweedimensionale) deelruimte van de affiene functies ? Wegens de symmetrie laat het vervangen van door de waarde ongemoeid, en het midden doet het minstens zo goed (driehoeksongelijkheid op het gemiddelde): het volstaat dus constanten te beschouwen. Voor een constante is
minimaal in : de afstand is , aangenomen door de constante . Let op de foutkromme : zij bereikt afwisselend in — 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 : elke (de veeltermen van graad , beperkt tot ) is een eindigdimensionale en dus gesloten deelruimte — een uniforme limiet van veeltermen van graad is er weer een. Maar de vereniging van al deze ruimten ligt dicht in (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 is compact dan en slechts dan als .
Bewijs. Eindige dimensie: gesloten en begrensd volstaat (Stelling 5.13).
Omgekeerd, stel . Lemma van Riesz: voor elke gesloten echte deelruimte en elke bestaat er een eenheidsvector met . Bewijs: kies , zet ( is gesloten), kies met , en zet : voor elke is
want de teller is een afstand van tot een punt van .
Bouw nu inductief eenheidsvectoren : de ruimte is eindigdimensionaal en dus gesloten (Gevolg 5.14) en echt; het lemma van Riesz met levert een eenheidsvector met . De rij voldoet aan voor : geen convergente deelrij — de eenheidsbol is niet compact. ∎
Voorbeeld 5.18 (Riesz als dimensiedetector)
Is eindigdimensionaal? Riesz antwoordt zonder ook maar één expliciete oneindige vrije familie aan te wijzen: de rij ligt in de gesloten eenheidsbol en voldoet voor aan in geschikte punten — netjes gekwantificeerd in de weekendopgave van dit hoofdstuk (vraag 16), waar een deelrij op onderlinge afstand blijft. Geen convergente deelrij, dus is de bol niet compact, dus is 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); (Stelling 4.9); en zodra een banachruimte is (met hetzelfde bewijspatroon als voor continue functies). Geen voorbeeld: (Oefening 5.7).
Voorbeeld 5.20 (De operatornorm van de integratie)
Zij op de afbeelding (een endomorfisme: is continu). Volg Methode 5.9. Bovengrens:
dus . Getuige: geeft en : aangenomen, dus . Maar merk op dat : inderdaad voldoet aan , opnieuw aangenomen in ; en in het algemeen is — de submultiplicatieve grens 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 in een banachruimte, dan convergeert , en geldt . (De volledige theorie van reeksen in genormeerde ruimten is Hoofdstuk 7.)
Bewijs. Voor de partiële sommen geldt bij dat , wat naar gaat (cauchycriterium voor de reële reeks van de normen): 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: met een willekeurige submultiplicatieve norm () is een banachruimte (eindige dimensie). Dan convergeert voor elke de reeks
absoluut (, sommeerbaar): zij is dus welgedefinieerd. Hoofdstuk 16 buit haar systematisch uit.
Voorbeeld 5.23 (Een neumannreeks die afbreekt)
Voor is in elke operatornorm die op de normen van Voorbeeld 5.2 is gebouwd, en , zodat de meetkundige reeks in elkaar klapt:
na te gaan met . 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 termen wordt altijd begrensd door de meetkundige staart .
Voorbeeld 5.24 (De exponentiaal van een rotatievoortbrenger)
Neem . Dan is , dus doorlopen de machten een cykel met periode vier en splitst de reeks in een even en een oneven deel:
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 (Hoofdstuk 16) uitlegt waarom: 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 is uniforme convergentie: één getal, , begrenst de fout in elk punt tegelijk. Het woordenboek in actie op over : puntsgewijs gaat op terwijl ; in norm is , en inderdaad is de puntsgewijze limiet discontinu en dus onbereikbaar als -limiet in (dat onder uniforme limieten gesloten is, Stelling 4.9). Op met is — 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 gegeven door rijsommen (Oefening 5.4) en een andere (kolomsommen); “de” norm van een matrix noemen zonder de onderliggende normen te noemen is betekenisloos. (ii) is een ongelijkheid, meestal een strikte — machten kunnen veel sneller krimpen dan de grens 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 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 — inverteren en definiëren (Voorbeeld 7.2). Met Hoofdstuk 10 en Hoofdstuk 11: convergentie van functierijen en machtreeksen is convergentie in (Voorbeeld 5.25), en de convergentiestraal is een uitspraak over welke meetkundige reeksen domineren. Met Hoofdstuk 14: de normen en zijn het op 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 de eenheidsbollen van , en , en bewijs de ongelijkheden met de beste constanten in dimensie .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.1.
Eenheidsbollen: een ruit (), een schijf () en een vierkant (), in die volgorde genest. Ongelijkheden: (één kwadraat is hoogstens de som); (kwadrateren: ); en (twee termen, elk ). Scherpte: maakt de eerste twee tot gelijkheden; maakt en laat bovendien zien dat en de extreme verhoudingen in de andere richting zijn.
Oefening 5.2 ★
Is een norm op ? Vergelijk haar met : 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 volgt (dus constant) en , dus . Het is dus een norm.
Vergelijking: , want . Het omgekeerde faalt: neem ; dan is terwijl . Geen enkele constante geeft .
Oefening 5.3 ★
Bereken de operatornorm van op , en die van de verschuiving op .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.3.
Er geldt , met gelijkheid voor : dus .
Verschuiving: , met gelijkheid in : dus (voor ).
Oefening 5.4 ★★
Bewijs op dat de operatornorm van een matrix gelijk is aan (de grootste absolute rijsom). Bereken haar voor .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.4.
Bovengrens: voor is
dus . Aangenomen: zij een index die het maximum realiseert en neem (componenten van modulus ): dan is . Daarmee is de formule bewezen. Voor de gegeven matrix: rijsommen en , dus .
Oefening 5.5 ★★
Bewijs dat open is in en dat er continu op is. Aanwijzing: voor de openheid geldt bij dat met , en is inverteerbaar zodra dankzij de meetkundige reeks (Stelling 5.21); begrens voor de continuïteit met dezelfde reeks.
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.5.
Meetkundige reeks: voor convergeert de reeks absoluut in de banachruimte (Stelling 5.21, met ), en
wegens de continuïteit van het product (Propositie 5.12) is , dus is inverteerbaar met de som als inverse (en ).
Openheid: voor inverteerbare en is met : dus inverteerbaar. Een bol rond blijft dus in .
Continuïteit van het inverteren: met is
met norm als .
Oefening 5.6 ★★
Zij een lineaire vorm op een genormeerde ruimte . Bewijs dat continu is dan en slechts dan als gesloten is. (Is gesloten en , kies dan met en met ; leid met een schalingsargument op af dat .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.6.
Continu gesloten kern: het origineel van het gesloten (Stelling 4.6).
Omgekeerd, stel dat gesloten is en . Kies met ; omdat en de kern gesloten is, mist een zekere bol die kern. Zij nu met : de vector ligt in en dus buiten :
een ongelijkheid die ook bij triviaal geldt: dat is grens (4) van Stelling 5.6, dus continu.
Oefening 5.7 ★★
Bewijs dat niet volledig is: toon aan dat de functies , affiene hellingen van naar over (waarde ervoor, erna), een cauchyrij vormen zonder continue -limiet.
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.7.
Zij gelijk aan op , affien oplopend tot de waarde in , en daarna op . Voor heeft drager in een interval van lengte met waarden in : dus , een cauchyrij.
Stel dat in met continu. Op (met vaste ) is voor , dus , en wegens de strikte positiviteit is daar — voor elke : dus op . Evenzo is op (alle zijn daar gelijk aan ). De continuïteit in geeft , absurd. Er bestaat dus geen limiet: de ruimte is niet volledig.
Oefening 5.8 ★★★
Beschouw op met de vorm
Bewijs dat een welgedefinieerde continue lineaire vorm is met , maar dat het supremum dat definieert op de gesloten eenheidsbol niet wordt aangenomen. (Bovengrens: driehoeksongelijkheid. Norm : bouw continue met en voor — de punten liggen geïsoleerd van elkaar. Niet aangenomen: gelijkheid zou voor elke afdwingen, wat onverenigbaar is met de continuïteit van in omdat .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.8.
Welgedefinieerd en continu: , dus is een lineaire vorm met (de reeks convergeert voor elke absoluut).
Norm : leg vast; de punten zijn paarsgewijs verschillend, dus bestaat er een continue met en voor (stuksgewijs affiene interpolatie, constant bij ). Dan is
Niet aangenomen: geldt en , dan moet elke term zijn maximum bijdragen: voor elke (anders kan het strikte tekort van één term niet worden goedgemaakt, want alle termen zijn ). Dus ; maar en is continu in , wat de tegenstrijdige convergentie van zou afdwingen. Het supremum is dus geen maximum — in eindige dimensie onmogelijk, waar de gesloten eenheidsbol compact is.
Oefening 5.9 ★★★
Zij 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 continu is dan en slechts dan als . (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 , die compact is (het beeld van de compacte eenheidsbol onder het homeomorfisme ): extraheer daar.
Lineaire vormen: is , dan is elke lineaire afbeelding vanuit continu (Stelling 5.13). Omgekeerd, stel (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 , vul haar aan tot een algebraïsche basis (aangenomen), en definieer en op de overige basisvectoren, lineair uitgebreid. Dan is met : onbegrensd op de eenheidsbol, dus discontinu. Bijgevolg dwingt “alle vormen zijn continu” eindige dimensie af.
Oefening 5.10 ★★
Bewijs op dat (voor de eerste: Cauchy–Schwarz), en toon met de familie 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 : . En . Voor :
Dan is en : geen omgekeerde ongelijkheden, en geen enkel paar is equivalent.
Oefening 5.11 ★★
(Afstand tot een hypervlak) Zij een continue lineaire vorm ongelijk aan nul op een genormeerde ruimte . Bewijs dat
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 is ; neem het infimum over : dan is .
Bovengrens: we mogen aannemen dat . Kies bij gegeven een eenheidsvector met en zet : dan is en
Laat : , dus gelijkheid.
Niet aangenomen: neem uit Oefening 5.8 (, niet aangenomen) en een willekeurige met . Zou een de waarde realiseren, dan zou de eenheidsvector voldoen aan : de operatornorm zou worden aangenomen — tegenspraak.
Oefening 5.12 ★★★
Zij op (alle veeltermen) en . Toon aan dat maar dat en niet equivalent zijn; leid af dat de identiteit een continue lineaire bijectie is met een discontinue inverse. Toon ten slotte aan dat niet volledig is (partiële taylorsommen van ). Alle drie de verschijnselen zijn in eindige dimensie onmogelijk — zeg waarom.
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.12.
is de monotonie van het supremum in het domein, dus is de identiteit -Lipschitz. Voor is (aangenomen in ) terwijl : een grens zou voor alle geven: onmogelijk. De normen zijn dus niet equivalent en de omgekeerde identiteit is een discontinue lineaire bijectie.
Onvolledigheid: zij . Voor is : een cauchyrij voor . Zou in , dan is puntsgewijs op ; maar een veelterm van graad kan op een interval niet gelijk zijn aan (differentieer keer: het linkerlid sterft, niet). Geen limiet in : 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 heeft de (genormaliseerde) chebyshevveelterm de kleinste supnorm op , namelijk : de extremumstelling van Chebyshev. De opgave bewijst beide kanten en meet daarna hoe erg de compactheid in oneindige dimensie faalt: de eenheidsbol van bevat oneindige sterrenbeelden van punten op onderlinge afstand .
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.
- Zij een eindigdimensionale deelruimte van een genormeerde ruimte en . Bewijs dat de afstand wordt aangenomen (herleid tot een gesloten begrensde deelverzameling van en gebruik Stelling 5.13).
- Een norm heet strikt convex wanneer uit en volgt dat . Toon aan dat op strikt convex is (parallellogramidentiteit) en dat en dat voor niet zijn.
- Bewijs dat de beste benadering uit vraag 1 voor een strikt convexe norm eenduidig is.
- Bereken in alle beste benaderingen van door de rechte : een heel interval van minimalisatoren.
- Toon in aan dat de beste benadering van door constanten eenduidig is, gelijk aan met afstand ; bereken beide voor op .
Deel II — Chebyshevveeltermen.
- Toon aan dat er precies één veelterm is met voor alle (de recurrentie uit de somformule voor de cosinus), dat , en dat haar kopcoëfficiënt is voor .
- Toon aan dat op , met in de punten (), en dat de nulpunten van de punten zijn, die met de afwisselen.
- Bereken , en ga de afwisseling van in na door rechtstreekse evaluatie.
Bewijs voor dat
en leid af dat meetkundig, bij vaste .
- Bewijs de samenstellingswet (ga het na op en beroep je op de starheid van veeltermen).
Deel III — De extremumstelling van Chebyshev. Schrijf (monisch, volgens vraag 6).
Zij monisch van graad met . Leid een tegenspraak af door in de punten te evalueren en de tekenwisselingen te tellen. Besluit:
- (Geval van gelijkheid) Stel met monisch van graad , en zij . Toon aan dat voor alle ; toon aan dat elk van de intervallen een nulpunt van bevat, en dat een nulpunt dat twee opeenvolgende intervallen delen een inwendig punt is waar bovendien . Besluit dat met multipliciteit geteld nulpunten heeft, en dus : de minimalisator is precies — de extremumstelling van Chebyshev.
Herformuleer de stelling als een afstand: op geldt
met als unieke beste benadering ; en toon met de affiene substitutie aan dat de afstand op gelijk wordt aan .
- (Optimale interpolatieknooppunten) Voor knooppunten is de knooppuntveelterm monisch van graad . Leid uit vraag 12 af welke keuze van knooppunten minimaliseert — de van de knooppunten afhangende factor in de klassieke foutgrens voor interpolatie — en geef de minimale waarde.
- Ga het geval van de stelling met de hand na (bepaal rechtstreeks ), en bereken numeriek de afstand uit vraag 13 op voor . Wat zegt haar grootte over de grafiek van ?
Deel IV — De eenheidsbol van .
- Zij . Toon aan dat en voor (evalueer in het punt waar ): een expliciete begrensde rij zonder convergente deelrij — de gesloten eenheidsbol is niet compact, met blote handen.
- (Het lemma van Riesz, aangescherpt) Zij een eindigdimensionale echte deelruimte van een genormeerde ruimte . Produceer met vraag 1 een eenheidsvector met exact — niet alleen zoals in het lemma bij Stelling 5.17.
- Leid af: in elke oneindigdimensionale genormeerde ruimte bestaat er een rij eenheidsvectoren met onderlinge afstanden , en herleid daaruit de stelling van Riesz.
- Geef zo’n sterrenbeeld expliciet in : de tentfuncties met drager en pieksterkte . Ga na dat en voor , en merk op dat puntsgewijs maar niet uniform.
- (De totale begrensdheid faalt) Toon aan dat de gesloten eenheidsbol van niet door eindig veel bollen met straal kan worden overdekt (elke zulke bol bevat hoogstens één ) — 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.
- Bewijs dat elke eigenwaarde van voldoet aan voor elke operatornorm; pas Oefening 5.4 toe om de eigenwaarden van te begrenzen, en vergelijk met hun werkelijke modulus.
- (Aangepaste normen) Zij diagonaliseerbaar, . Toon aan dat een norm is waarvan de operatornorm voldoet aan .
- Leid af: voor diagonaliseerbare geldt dan en slechts dan als alle eigenwaarden voldoen aan — de equivalentie van normen maakt het besluit onafhankelijk van de norm. Ga dit na op .
- (De equivalentieconstanten exploderen) Vergelijk op de normen (coëfficiënten) en : beide zijn normen, dus zijn zij voor elke vaste equivalent; maar toon met de monische minimalisator van vraag 13 op aan dat de beste constante in voldoet aan . Besluit in één zin waarom “alle normen zijn equivalent” in oneindige dimensie sterft.
- (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 : niet leeg (), gesloten (het origineel van een gesloten interval onder de continue , doorgesneden met de gesloten , Gevolg 5.14) en begrensd (). In de eindigdimensionale betekent gesloten en begrensd compact (Stelling 5.13); de continue functie neemt op haar infimum aan, en dat is gelijk aan het infimum over heel (elke geeft ).
2. Parallellogramidentiteit in : (werk de kwadraten van de coördinatensommen uit). Voor eenheidsvectoren :
Niet strikt convex: neem voor de vectoren en : eenheidsvectoren met middelpunt van norm ; en voor de vectoren en : middelpunt van norm .
3. Zij . Is , dan is en is de enige minimalisator. Is en minimaliseren beide, dan zijn en verschillende eenheidsvectoren, zodat
met : in strijd met de definitie van . De minimalisator is dus eenduidig.
4. Er geldt , met gelijkheid dan en slechts dan als : de minimalisatoren vormen het segment , alle op afstand — de eenduidigheid faalt precies omdat de vierkante bol vlakke zijden heeft (vraag 2).
5. Zij en (aangenomen wegens de compactheid). Voor elke constante is , waarbij de laatste ongelijkheid geldt omdat de twee grootheden gemiddeld zijn; gelijkheid in beide dwingt af, dat wil zeggen . Omgekeerd is . De beste constante is dus eenduidig. Voor op : met afstand .
6. Uit volgt met inductie dat de veeltermen gedefinieerd door , en voldoen aan . Eenduidigheid: twee veeltermen die op (oneindig veel punten) overeenstemmen, zijn gelijk. Opnieuw met inductie: met kopcoëfficiënt voor (bij is de coëfficiënt , en de recurrentie verdubbelt haar).
7. Elke is , en . In is , en . Nulpunten: dan en slechts dan als , dus de verschillende punten ; en omdat , ligt elk nulpunt strikt tussen twee opeenvolgende extrema.
8. , , . Voor : , , , : een perfecte afwisseling.
9. Zij voor : de nulpunten van , met . De rij voldoet aan (een recurrentie van het type Newton, uit de vierkantsvergelijking) met en : dezelfde recurrentie en dezelfde beginwaarden als , dus voor alle . Omdat met voor , volgt en . (Voor gebruik de pariteit , die uit de recurrentie duidelijk is.)
10. Voor elke is . De veeltermen en stemmen op overeen en zijn dus gelijk.
11. heeft graad (de monische koptermen vallen weg). In de extrema is wegens de hypothese. Dus neemt in de dalende punten waarden ongelijk aan nul met afwisselend teken aan: volgens de tussenwaardestelling heeft zij minstens verschillende nulpunten, één in elk open interval . Een veelterm ongelijk aan nul van graad kan geen nulpunten hebben; en is in strijd met de strikte tekens. Tegenspraak: dus voor elke monische van graad .
12. Nu is omdat . Op elke () hebben de waarden van in de eindpunten tegengestelde zwakke tekens: de tussenwaardestelling levert een nulpunt in het gesloten interval. Zijn de paarsgewijs verschillend te kiezen, dan heeft van graad toch nulpunten: tegenspraak. Twee opeenvolgende intervallen kunnen alleen het nulpunt met delen (inwendig). Daar betekent dat , een extremale waarde van op die in een inwendig punt wordt aangenomen: dus ; en is ook een inwendig extremum van : dus . Bijgevolg is : is een nulpunt van multipliciteit , wat het gedeelde interval compenseert. In alle gevallen heeft met multipliciteit geteld minstens nulpunten bij graad , dus en . Daarmee is de extremumstelling van Chebyshev bewezen: de unieke monische minimalisator is , met supnorm .
13. De monische veeltermen van graad zijn precies de met , dus
eenduidig bereikt in . Substitutie : is monisch van graad op , dan is monisch op met supremum gelijk aan : dus , met gelijkheid precies voor : op is de afstand .
14. is monisch van graad , dus met gelijkheid dan en slechts dan als , dat wil zeggen dan en slechts dan als de knooppunten de nulpunten van zijn: — de chebyshevknooppunten. Minimale waarde: . Gelijkmatig verdeelde knooppunten zijn strikt slechter; de factor van de interpolatiefout wordt geminimaliseerd door de knooppunten bij de eindpunten op te hopen.
15. met de hand: doorloopt , dus , minimaal in : de minimale monische tweedegraadsveelterm is , met waarde . Voor op : . Een zekere veelterm van graad blijft op heel binnen twee miljoenste van : op die schaal zijn de twee grafieken niet te onderscheiden — de vlakheid van bij laat de lagere graden al het werk doen.
16. . Zet voor de waarden en , en evalueer in (zodat ):
Dus voor alle : geen enkele deelrij is cauchy, en geen enkele convergeert. De gesloten eenheidsbol van is dus niet compact.
17. is gesloten (Gevolg 5.14) en echt: kies , zodat . Volgens vraag 1 wordt de afstand aangenomen in een zekere . Zet , een eenheidsvector (want ). Voor elke is
omdat . Dus ; en : dus precies .
18. Bouw in een oneindigdimensionale inductief eenheidsvectoren: willekeurig; zijn gegeven, dan is de deelruimte eindigdimensionaal en dus echt, en levert vraag 17 een eenheidsvector met : in het bijzonder voor . De rij heeft onderlinge afstanden : de eenheidsbol bevat dus een rij zonder convergente deelrij en is niet compact — de stelling van Riesz, met de scherpe constante .
19. Zij affien op elke helft van , van omhoog naar in het midden en terug naar , en overal elders nul: continu, met . Voor ontmoeten de dragers elkaar hoogstens in een gemeenschappelijk eindpunt, waar beide verdwijnen; in de piek van is : dus precies. Voor vaste is zodra , en altijd: dus puntsgewijs; maar : niet uniform. Een expliciet sterrenbeeld op onderlinge afstand binnen de eenheidsbol.
20. Een bol met straal heeft diameter en bevat dus hoogstens één van de (twee ervan liggen op afstand ). Eindig veel zulke bollen bevatten eindig veel van de oneindig vele : 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 met , dan is , dus . Voor is (Oefening 5.4), dus heeft elke eigenwaarde modulus ; in feite geeft de eigenwaarden met modulus : de grens is geldig, maar niet scherp.
22. is een norm: uit volgt en dus ; de homogeniteit en de driehoeksongelijkheid worden via de lineaire van geërfd. Operatornorm: met en is
dus is de operatornorm van voor , en dat is haar grootste absolute rijsom (Oefening 5.4): .
23. Zijn alle , dan is met , dus voor elke , en in elke norm op (die in eindige dimensie alle equivalent zijn, Stelling 5.13; de convergentie van voor elke is convergentie element voor element). Is er een met eigenvector , dan is . Voor zijn de eigenwaarden en , beide van modulus : dus .
24. Beide zijn normen op de eindigdimensionale en dus voor elke equivalent. Neem de minimale monische uit vraag 13 op : haar coëfficiënt van is , dus , terwijl . Bijgevolg is
De equivalentieconstanten exploderen met de dimensie: op de vereniging 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 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 (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 verbinden groeien als , zodat geen uniforme vergelijking de overgang naar overleeft. De top is de extremumstelling van Chebyshev (vragen 11–12): de unieke monische minimalisator . 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.