Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

8Ruang Banach dan Teorema Fundamentalnya

Analisis fungsional mempelajari ruang bernorma yang berdimensi tak berhingga lewat operator dan fungsional yang hidup di atasnya. Penemuan pendirinya adalah bahwa kelengkapan, lewat teorema Baire, memaksa keseragaman yang kuat: keluarga operator yang terbatas titik demi titik ternyata terbatas normanya (Banach–Steinhaus), bijeksi kontinu berinvers kontinu (pemetaan terbuka), dan grafik mendeteksi kekontinuan (grafik tertutup). Pilar yang lain, Hahn–Banach, tak memerlukan kelengkapan sama sekali — hanya lema Zorn — dan menjamin bahwa ruang dualnya cukup kaya untuk melihat setiap vektor. Bab ini membuktikan keempat teorema itu dan mengujinya pada ruang barisan klasik ℓp\ell^p, pada perhitungan dual yang konkret, dan pada terapan yang sungguh mengejutkan: bahwa ada fungsi kontinu berperiode 2π2\pi yang deret Fouriernya divergen di sebuah titik — sehingga menjawab secara negatif pertanyaan yang ditinggalkan terbuka pada Tahun ke-2.

Sepanjang bab ini, E,FE, F adalah ruang bernorma atas K=RK = \R atau C\C; dan ruang Banach berarti ruang bernorma yang lengkap.

8.1 Operator terbatas; ruang barisan

Definisi 8.1

Lambang L(E,F)\mathcal L(E, F) menyatakan ruang berisi pemetaan linear yang terbatas (= kontinu, Tahun ke-2) dengan norma operator ∣∣∣T∣∣∣=sup⁡∥x∥≤1∥Tx∥\vertiii T = \sup_{\norm x \leq 1}\norm{Tx}; norma ini submultiplikatif: ∣∣∣ST∣∣∣≤∣∣∣S∣∣∣ ∣∣∣T∣∣∣\vertiii{ST} \leq \vertiii S\,\vertiii T. Adapun dual miliknya adalah E′=L(E,K)E' = \mathcal L(E, K).

Proposisi 8.2

Jika FF ruang Banach, maka L(E,F)\mathcal L(E, F) pun demikian; khususnya E′E' selalu merupakan ruang Banach.

Bukti. Misalkan (Tn)(T_n) Cauchy terhadap ∣∣∣⋅∣∣∣\vertiii\cdot. Untuk setiap xx berlaku ∥Tnx−Tmx∥≤∣∣∣Tn−Tm∣∣∣∥x∥\norm{T_nx - T_mx} \leq \vertiii{T_n - T_m}\norm x: sehingga (Tnx)(T_nx) Cauchy di FF, jadi konvergen; sebutlah limitnya TxTx. Pemetaan TT bersifat linear (sebagai limit identitas linear); lalu mengambil limit pada ∥Tnx−Tmx∥≤ε∥x∥\norm{T_nx - T_mx} \leq \varepsilon\norm x (untuk n,m≥Nn, m \geq N) memberikan ∥Tnx−Tx∥≤ε∥x∥\norm{T_nx - Tx} \leq \varepsilon\norm x: jadi Tn→TT_n \to T dalam norma operator, dan ∣∣∣T∣∣∣≤∣∣∣TN∣∣∣+ε<∞\vertiii T \leq \vertiii{T_N} + \varepsilon < \infty. ∎

Definisi 8.3

Ruang barisan klasiknya (atas KK, diindeks oleh N\N):

ℓp={x=(xn):∥x∥p=(∑n∣xn∣p)1/p<∞}(1≤p<∞),\ell^p = \Bigl\{x = (x_n) : \norm x_p = \Bigl(\sum_n \abs{x_n}^p\Bigr)^{1/p} < \infty\Bigr\}\quad (1 \leq p < \infty),
ℓ∞={x:∥x∥∞=sup⁡∣xn∣<∞},\ell^\infty = \{x : \norm x_\infty = \sup\abs{x_n} < \infty\},

dan c0={x:xn→0}c_0 = \{x : x_n \to 0\} dengan ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty. Bahwa ∥⋅∥p\norm\cdot_p merupakan norma menyusul dari ketaksamaan Minkowski, yang dibuktikan pada kasus diskretnya persis seperti di Bab 12 (atau dengan menjumlahkan ketaksamaan berdimensi berhingga pada Tahun ke-2). Semuanya ruang Banach, dan c0c_0 merupakan subruang tertutup ℓ∞\ell^\infty (Latihan 8.3).

Bola satuan norma-p di bidang, yang bersarang ketika p tumbuh dari 1 (belah ketupat) melalui 2 (cakram) dan 4 (superelips) sampai ∈fty (persegi). Kekonveksan setiap bolanya merupakan ketaksamaan Minkowski; sedangkan sudut-sudut di p = 1 dan p = ∈fty adalah tempat kekonveksan sejati, ketunggalan hampiran terbaik, dan kasus kesamaan pada  merosot sekaligus.
Bola satuan norma-pp di bidang, yang bersarang ketika pp tumbuh dari 11 (belah ketupat) melalui 22 (cakram) dan 44 (superelips) sampai ∞\infty (persegi). Kekonveksan setiap bolanya merupakan ketaksamaan Minkowski; sedangkan sudut-sudut di p=1p = 1 dan p=∞p = \infty adalah tempat kekonveksan sejati, ketunggalan hampiran terbaik, dan kasus kesamaan pada Latihan 12.12 merosot sekaligus.

Proposisi 8.4 (Deret Neumann)

Misalkan EE ruang Banach dan T∈L(E)=L(E,E)T \in \mathcal L(E) = \mathcal L(E,E) dengan ∣∣∣T∣∣∣<1\vertiii T < 1. Maka I−TI - T terbalikkan di L(E)\mathcal L(E), dengan (I−T)−1=∑n≥0Tn(I - T)^{-1} = \sum_{n\geq0}T^n (yang konvergen dalam norma operator). Akibatnya himpunan operator terbalikkan bersifat terbuka, dan pembalikannya kontinu di sana.

Bukti. Deretnya konvergen mutlak (sebab ∣∣∣Tn∣∣∣≤∣∣∣T∣∣∣n\vertiii{T^n} \leq \vertiii T^n, yang geometri) di dalam L(E)\mathcal L(E) yang Banach (Proposisi 8.2; Latihan 7.1(b)). Secara teleskopik, (I−T)∑n≤NTn=I−TN+1→I(I - T)\sum_{n \leq N}T^n = I - T^{N+1} \to I, dan serupa pada sisi yang lain. Untuk keterbukaannya: jika SS terbalikkan dan ∣∣∣H∣∣∣<1/∣∣∣S−1∣∣∣\vertiii{H} < 1/\vertiii{S^{-1}}, maka S+H=S(I+S−1H)S + H = S(I + S^{-1}H) dengan ∣∣∣S−1H∣∣∣<1\vertiii{S^{-1}H} < 1: jadi terbalikkan. Kekontinuan pembalikannya: ungkapan deretnya memberikan ∣∣∣(S+H)−1−S−1∣∣∣=O(∣∣∣H∣∣∣)\vertiii{(S+H)^{-1} - S^{-1}} = O(\vertiii H) secara lokal. ∎

Contoh 8.5 (Sebuah persamaan Volterra yang diselesaikan lewat Neumann)

Pada E=C([0, 1])E = \mathcal C(\intcc01), tinjaulah persamaan integral

u(x)=1+λ∫0xu(t)  ⁣dt,yakniu=1+λTu,(Tu)(x)=∫0xu.u(x) = 1 + \lambda\int_0^xu(t)\,\dd t, \qquad\text{yakni}\qquad u = \mathbf 1 + \lambda Tu, \quad (Tu)(x) = \int_0^xu .

Di sini ∣∣∣T∣∣∣≤1\vertiii T \leq 1, sehingga untuk ∣λ∣<1\abs\lambda < 1 deret Neumann langsung berlaku: u=(I−λT)−11=∑nλnTn1u = (I - \lambda T)^{-1}\mathbf 1 = \sum_n\lambda^nT^n\mathbf 1. Dengan menghitungnya, Tn1=xnn!T^n\mathbf 1 = \frac{x^n}{n!}, sehingga

u(x)=∑n≥0(λx)nn!=eλx,u(x) = \sum_{n\geq0}\frac{(\lambda x)^n}{n!} = \eu^{\lambda x} ,

seperti dibenarkan oleh penurunannya. Lebih baik lagi: ∣∣∣Tn∣∣∣≤1n!\vertiii{T^n} \leq \frac1{n!} (sebab kernel beriterasinya menyusut secara faktorial), sehingga ∑λnTn\sum\lambda^nT^n konvergen untuk setiap λ\lambda — jadi operator I−λTI - \lambda T terbalikkan untuk setiap λ∈C\lambda \in \C, walaupun akhirnya ∣∣∣λT∣∣∣≥1\vertiii{\lambda T} \geq 1: sebab yang menentukan adalah peluruhan spektral pangkatnya, bukan norma pertamanya. Operator Volterra membawa peluruhan faktorial itu sejak lahir (Latihan 7.4(a) memanfaatkan persis hal ini), dan itulah sebabnya masalah nilai awal tak pernah mengalami gejala resonansi seperti masalah nilai batas (Bab 15).

8.2 Hahn–Banach

Teorema 8.6 (Hahn–Banach, bentuk analitik)

Misalkan EE sebuah ruang vektor real, p ⁣:E→Rp \colon E \to \R bersifat sublinear (p(x+y)≤p(x)+p(y)p(x + y) \leq p(x) + p(y) dan p(tx)=tp(x)p(tx) = tp(x) untuk t≥0t \geq 0), F⊆EF \subseteq E sebuah subruang, dan f ⁣:F→Rf \colon F \to \R linear dengan f≤pf \leq p pada FF. Maka ff dapat diperluas menjadi f~ ⁣:E→R\tilde f \colon E \to \R yang linear dengan f~≤p\tilde f \leq p pada EE.

Bukti. Perluasan satu langkah. Misalkan x0∉Fx_0 \notin F; kita perluas ff ke F⊕Rx0F \oplus \R x_0 dengan memilih α=f~(x0)\alpha = \tilde f(x_0) secara tepat: kita memerlukan, untuk setiap y∈Fy \in F dan t>0t > 0,

f(y)+tα≤p(y+tx0)danf(y)−tα≤p(y−tx0),f(y) + t\alpha \leq p(y + tx_0) \quad\text{dan}\quad f(y) - t\alpha \leq p(y - tx_0),

yang setelah dibagi tt (lewat kesublinearannya) menyusut menjadi

sup⁡v∈F [f(v)−p(v−x0)]  ≤  α  ≤  inf⁡u∈F [p(u+x0)−f(u)].\sup_{v \in F}\ \bigl[f(v) - p(v - x_0)\bigr] \;\leq\; \alpha \;\leq\; \inf_{u \in F}\ \bigl[p(u + x_0) - f(u)\bigr].

Bilangan α\alpha semacam itu ada jika dan hanya jika setiap anggota kirinya ≤\leq setiap anggota kanannya: dan memang f(v)+f(u)=f(u+v)≤p(u+v)≤p(u+x0)+p(v−x0)f(v) + f(u) = f(u + v) \leq p(u + v) \leq p(u + x_0) + p(v - x_0), yakni f(v)−p(v−x0)≤p(u+x0)−f(u)f(v) - p(v - x_0) \leq p(u + x_0) - f(u).

Zorn. Urutkan semua perluasan ff yang didominasi pp (berupa pasangan: subruang dan fungsional) menurut perluasannya; sebuah rantai mempunyai gabungannya sebagai batas atas; dan unsur maksimalnya haruslah terdefinisi pada seluruh EE, sebab kalau tidak perluasan satu langkahnya akan bertentangan dengan kemaksimalannya. ∎

Akibat 8.7

Misalkan EE sebuah ruang bernorma (dengan K=RK = \R atau C\C).

  1. Setiap f∈F′f \in F' (dengan FF sebuah subruang) dapat diperluas menjadi f~∈E′\tilde f \in E' dengan ∥f~∥E′=∥f∥F′\norm{\tilde f}_{E'} = \norm f_{F'}.
  2. Untuk setiap x≠0x \neq 0 ada f∈E′f \in E' dengan ∥f∥=1\norm f = 1 dan f(x)=∥x∥f(x) = \norm x. Khususnya E′E' memisahkan titik EE, dan ∥x∥=sup⁡∥f∥≤1∣f(x)∣\norm x = \sup_{\norm f \leq 1}\abs{f(x)}.
  3. Untuk subruang tertutup FF dan x∉Fx \notin F, ada f∈E′f \in E' yang lenyap pada FF dengan f(x)=d(x,F)f(x) = d(x, F) dan ∥f∥≤1\norm f \leq 1.

Bukti. (1) Kasus realnya: terapkan Teorema 8.6 dengan p(x)=∥f∥F′ ∥x∥p(x) = \norm f_{F'}\,\norm x (yang sublinear); maka perluasannya memenuhi ±f~(x)=f~(±x)≤p(x)\pm\tilde f(x) = \tilde f(\pm x) \leq p(x), sehingga ∥f~∥≤∥f∥\norm{\tilde f} \leq \norm f, sedangkan ≥\geq berasal dari pembatasannya. Kasus kompleksnya: misalkan u=Re⁡fu = \operatorname{Re}f, yaitu fungsional real dengan ∣u∣≤∥f∥∥⋅∥\abs u \leq \norm f\norm\cdot; catat bahwa f(x)=u(x)−i u(ix)f(x) = u(x) - \iu\,u(\iu x) (periksa pada bagian real dan imajinernya: Im⁡f(x)=−Re⁡f(ix)\operatorname{Im}f(x) = -\operatorname{Re}f(\iu x)). Perluaslah uu secara linear-real dengan batas yang sama, lalu tetapkan f~(x)=u~(x)−iu~(ix)\tilde f(x) = \tilde u(x) - \iu\tilde u(\iu x): ia linear atas C\C (periksa langsung pada perkalian dengan i\iu) dan memperluas ff; normanya: untuk xx yang diberikan tulis f~(x)=reiθ\tilde f(x) = r\eu^{\iu\theta}, maka ∣f~(x)∣=f~(e−iθx)=u~(e−iθx)≤∥f∥ ∥x∥\abs{\tilde f(x)} = \tilde f(\eu^{-\iu\theta}x) = \tilde u(\eu^{-\iu\theta}x) \leq \norm f\,\norm x.

(2) Pada F=KxF = Kx definisikan f(tx)=t∥x∥f(tx) = t\norm x: yang bernorma 11 pada FF; lalu perluas lewat (1). Untuk rumus dualitasnya: ≤\leq jelas, sedangkan ≥\geq lewat ff ini.

(3) Pada F⊕KxF \oplus Kx definisikan f(y+tx)=t d(x,F)f(y + tx) = t\,d(x, F); maka untuk t≠0t \neq 0 berlaku ∥y+tx∥=∣t∣ ∥x+y/t∥≥∣t∣ d(x,F)=∣f(y+tx)∣\norm{y + tx} = \abs t\,\norm{x + y/t} \geq \abs t\,d(x, F) = \abs{f(y + tx)}: sehingga ∥f∥≤1\norm f \leq 1 pada subruangnya; lalu perluas lewat (1). ∎

Catatan 8.8

Menurut (2), pemetaan kanonik J ⁣:E→E′′J \colon E \to E'' dengan J(x)(f)=f(x)J(x)(f) = f(x) merupakan isometri (Latihan 8.10): jadi setiap ruang bernorma duduk di dalam bidualnya. Ruang yang JJ-nya surjektif disebut refleksif; dan soal akhir pekan menunjukkan bahwa ℓp\ell^p (untuk 1<p<∞1 < p < \infty) refleksif sedangkan ℓ1\ell^1 tidak.

8.3 Trilogi Baire

Teorema 8.9 (Banach–Steinhaus, keterbatasan seragam)

Misalkan EE sebuah ruang Banach, FF bernorma, dan (Ti)i∈I⊆L(E,F)(T_i)_{i\in I} \subseteq \mathcal L(E, F) sebuah keluarga dengan sup⁡i∥Tix∥<∞\sup_i \norm{T_ix} < \infty untuk setiap x∈Ex \in E. Maka sup⁡i∣∣∣Ti∣∣∣<∞\sup_i \vertiii{T_i} < \infty.

Bukti. Himpunan Fn={x:sup⁡i∥Tix∥≤n}F_n = \{x : \sup_i\norm{T_ix} \leq n\} bersifat tertutup (sebagai irisan prapeta bola tertutup) dan menyelimuti EE. Lalu Baire (Teorema 7.6) memberikan n0n_0 dan sebuah bola B(x0,r)⊆Fn0B(x_0, r) \subseteq F_{n_0}. Untuk ∥z∥<r\norm z < r: ∥Tiz∥≤∥Ti(x0+z)∥+∥Tix0∥≤2n0\norm{T_iz} \leq \norm{T_i(x_0 + z)} + \norm{T_ix_0} \leq 2n_0, sehingga ∣∣∣Ti∣∣∣≤2n0/r\vertiii{T_i} \leq 2n_0/r untuk setiap ii. ∎

Akibat 8.10

Jika EE Banach dan Tn∈L(E,F)T_n \in \mathcal L(E,F) konvergen titik demi titik (yakni Tnx→TxT_nx \to Tx untuk setiap xx), maka sup⁡n∣∣∣Tn∣∣∣<∞\sup_n \vertiii{T_n} < \infty, T∈L(E,F)T \in \mathcal L(E, F), dan ∣∣∣T∣∣∣≤lim inf⁡∣∣∣Tn∣∣∣\vertiii T \leq \liminf \vertiii{T_n}.

Bukti. Barisan konvergen bersifat terbatas: itulah keterbatasan titik demi titiknya; lalu Banach–Steinhaus membatasi normanya oleh suatu MM; sehingga ∥Tx∥=lim⁡∥Tnx∥≤M∥x∥\norm{Tx} = \lim\norm{T_nx} \leq M\norm x (sebab TT linear sebagai limit titik demi titik), dan batas yang lebih tajamnya lewat mengambil lim inf⁡\liminf pada ∥Tnx∥≤∣∣∣Tn∣∣∣∥x∥\norm{T_nx} \leq \vertiii{T_n}\norm x. ∎

Teorema 8.11 (Deret Fourier yang divergen)

Ada fungsi kontinu berperiode 2π2\pi, sebut ff, yang deret Fouriernya divergen di 00: sup⁡N∣SN(f)(0)∣=∞\sup_N\abs{S_N(f)(0)} = \infty. Bahkan ff semacam itu membentuk himpunan bagian padat di C(S1)\mathcal C(S^1).

Bukti. Bekerjalah di E=(C(S1),∥⋅∥∞)E = (\mathcal C(S^1), \norm\cdot_\infty), sebuah ruang Banach, dengan fungsional ΛN(f)=SN(f)(0)=12π∫−ππf(t) DN(t)  ⁣dt\Lambda_N(f) = S_N(f)(0) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(t)\,D_N(t)\,\dd t (yaitu kernel Dirichlet, Tahun ke-2). Setiap ΛN\Lambda_N kontinu dengan

∥ΛN∥=12π∫−ππ∣DN(t)∣  ⁣dt  =  LN.\norm{\Lambda_N} = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\abs{D_N(t)}\,\dd t \;=\; L_N .

(≤\leq jelas; sedangkan ≥\geq: ambillah ff yang kontinu dengan ∥f∥∞≤1\norm f_\infty \leq 1 yang menghampiri sign⁡DN\operatorname{sign}D_N — sebab tandanya berlompatan berhingga banyak; dan menghaluskan setiap lompatannya pada selang berpanjang ε\varepsilon mengubah integralnya sebesar O(Nε)O(N\varepsilon).) Konstanta Lebesgue LNL_N menuju tak hingga:

LN=12π∫−ππ∣sin⁡((N+12)t)∣∣sin⁡(t/2)∣  ⁣dt≥2π∫0π∣sin⁡((N+12)t)∣t  ⁣dt=2π∫0(N+12)π∣sin⁡u∣u  ⁣duL_N = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} \frac{\abs{\sin\bigl((N{+}\tfrac12)t\bigr)}}{\abs{\sin(t/2)}} \,\dd t \geq \frac{2}{\pi}\int_0^{\pi} \frac{\abs{\sin\bigl((N{+}\tfrac12)t\bigr)}}{t}\,\dd t = \frac{2}{\pi}\int_0^{(N+\frac12)\pi}\frac{\abs{\sin u}}{u}\,\dd u

(dengan memakai ∣sin⁡(t/2)∣≤t/2\abs{\sin(t/2)} \leq t/2 pada [0,π][0, \pi], lalu menyubstitusikan u=(N+12)tu = (N + \tfrac12)t). Dengan memotongnya atas lengkungan:

∫(k−1)πkπ∣sin⁡u∣u  ⁣du≥1kπ∫(k−1)πkπ∣sin⁡u∣  ⁣du=2kπ,sehinggaLN≥4π2∑k=1N1k→N→∞∞.\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}\frac{\abs{\sin u}}u\,\dd u \geq \frac1{k\pi}\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}\abs{\sin u}\,\dd u = \frac{2}{k\pi}, \qquad\text{sehingga}\qquad L_N \geq \frac{4}{\pi^2}\sum_{k=1}^N\frac1k \xrightarrow[N\to\infty]{} \infty .

Seandainya setiap ff yang kontinu mempunyai sup⁡N∣ΛN(f)∣<∞\sup_N \abs{\Lambda_N(f)} < \infty, maka Banach–Steinhaus akan memaksa sup⁡N∥ΛN∥<∞\sup_N\norm{\Lambda_N} < \infty: kontradiksi. Jadi ada ff — bahkan himpunan ff yang padat dan tak kurus (yakni komplemen ⋃M{f:sup⁡N∣ΛNf∣≤M}\bigcup_M\{f: \sup_N\abs{\Lambda_Nf}\leq M\}, yaitu gabungan terbilang himpunan tertutup yang, karena tak berinterior menurut uraian di atas yang diterapkan pada bola mana pun, bersifat kurus) — yang mempunyai sup⁡N∣SNf(0)∣=∞\sup_N\abs{S_Nf(0)} = \infty. ∎

Teorema 8.12 (Pemetaan terbuka)

Misalkan E,FE, F ruang Banach dan T∈L(E,F)T \in \mathcal L(E, F) bersifat surjektif. Maka TT terbuka: T(BE(0,1))⊇BF(0,c)T(B_E(0,1)) \supseteq B_F(0, c) untuk suatu c>0c > 0. Akibatnya operator terbatas yang bijektif antara ruang Banach berinvers terbatas.

Bukti. Tulis B=BE(0,1)B = B_E(0,1). Kesurjektifannya memberikan F=⋃nT(nB)‾=⋃nn T(B)‾F = \bigcup_n \overline{T(nB)} = \bigcup_n n\,\overline{T(B)}; lalu Baire (Teorema 7.6) memberikan interior kepada T(B)‾\overline{T(B)}: yakni ada BF(y0,4c)⊆T(B)‾B_F(y_0, 4c) \subseteq \overline{T(B)}. Pusatkan ulang di 00: untuk ∥y∥<4c\norm y < 4c, baik y0+yy_0 + y maupun y0y_0 merupakan limit peta TukTu_k, TvkTv_k dengan uk,vk∈Bu_k, v_k \in B, sehingga y=lim⁡T(uk−vk)y = \lim T(u_k - v_k) dengan uk−vk∈2Bu_k - v_k \in 2B: jadi BF(0,4c)⊆T(2B)‾B_F(0, 4c) \subseteq \overline{T(2B)}, yakni BF(0,2c)⊆T(B)‾B_F(0, 2c) \subseteq \overline{T(B)}.

Membuang penutupnya (dan di sinilah kelengkapan EE masuk): misalkan ∥y∥<c\norm y < c. Ambillah x1∈12Bx_1 \in \frac12 B dengan ∥y−Tx1∥<c/2\norm{y - Tx_1} < c/2 (sebab BF(0,2c)⊆T(B)‾B_F(0,2c) \subseteq \overline{T(B)} diskalakan 12\frac12); lalu secara induktif xk∈2−kBx_k \in 2^{-k}B dengan ∥y−T(x1+⋯+xk)∥<c 2−k\norm{y - T(x_1 + \dots + x_k)} < c\,2^{-k}. Deret ∑xk\sum x_k konvergen mutlak di EE yang Banach, ke x∈Bx \in B (bernorma <∑2−k=1< \sum 2^{-k} = 1), dan Tx=yTx = y menurut kekontinuannya: jadi BF(0,c)⊆T(B)B_F(0, c) \subseteq T(B). Keterbukaan TT pada himpunan terbuka sembarang menyusul lewat translasi dan penskalaan; sedangkan untuk akibatnya, keterbukaan TT berarti T−1T^{-1} kontinu. ∎

Akibat 8.13 (Norma yang ekuivalen)

Jika sebuah ruang vektor lengkap terhadap dua norma yang sebanding (∥⋅∥a≤C∥⋅∥b\norm\cdot_a \leq C\norm\cdot_b), maka kedua normanya ekuivalen.

Bukti. Identitas (E,∥⋅∥b)→(E,∥⋅∥a)(E, \norm\cdot_b) \to (E, \norm\cdot_a) bersifat terbatas dan bijektif antara ruang Banach: sehingga inversnya terbatas. ∎

Teorema 8.14 (Grafik tertutup)

Misalkan E,FE, F Banach dan T ⁣:E→FT \colon E \to F linear. Jika grafiknya Γ={(x,Tx)}\Gamma = \{(x, Tx)\} tertutup di E×FE \times F (yakni xn→xx_n \to x dan Txn→yTx_n \to y mengakibatkan y=Txy = Tx), maka TT terbatas.

Bukti. Ruang E×FE \times F dengan ∥(x,y)∥=∥x∥+∥y∥\norm{(x,y)} = \norm x + \norm y bersifat Banach; dan Γ\Gamma, sebagai subruang tertutup, juga Banach. Proyeksi πE ⁣:Γ→E\pi_E\colon \Gamma \to E bersifat terbatas dan bijektif, sehingga inversnya x↦(x,Tx)x \mapsto (x, Tx) terbatas (Teorema 8.12): jadi ∥Tx∥≤∥(x,Tx)∥≤C∥x∥\norm{Tx} \leq \norm{(x, Tx)} \leq C\norm x. ∎

Metode 8.15

Kapan harus meraih teorema yang mana. Hahn–Banach: untuk menghasilkan fungsional dengan perilaku yang ditentukan (menormakan sebuah vektor, melenyap pada subruang, memperluas dari subruang) — dan tak perlu kelengkapan. Banach–Steinhaus: untuk mengubah informasi titik demi titik menjadi batas seragam — biasanya untuk menunjukkan bahwa operasi limitnya kontinu, atau (lewat kontraposisi) untuk membuktikan divergensi bagi suatu unsur, seperti pada deret Fourier. Pemetaan terbuka / grafik tertutup: untuk memperoleh kekontinuan secara cuma-cuma dari kebijektifan aljabar atau dari sifat ketertutupan grafiknya — pemakaian khasnya: membandingkan dua norma lengkap, atau membuktikan kekontinuan otomatis. Ketiga teorema Baire itu menuntut kelengkapan pada sumbernya; dan tanpa itu ada contoh penyangkalnya (Latihan 8.7).

8.4 Ruang dual, secara konkret

Teorema 8.16

Secara isometrik: (c0)′≅ℓ1(c_0)' \cong \ell^1 dan (ℓ1)′≅ℓ∞(\ell^1)' \cong \ell^\infty, lewat pemasangan ⟨x,y⟩=∑nxnyn\langle x, y\rangle = \sum_n x_ny_n.

Bukti. Kita buktikan (c0)′≅ℓ1(c_0)' \cong \ell^1; sedangkan pengenalan keduanya adalah Latihan 8.5. Kepada y∈ℓ1y \in \ell^1 kaitkan Λy(x)=∑xnyn\Lambda_y(x) = \sum x_ny_n (dengan x∈c0x \in c_0): yang konvergen mutlak, dengan ∣Λy(x)∣≤∥x∥∞∥y∥1\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_\infty\norm y_1, sehingga ∥Λy∥≤∥y∥1\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_1. Sebaliknya misalkan Λ∈(c0)′\Lambda \in (c_0)'; tetapkan yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n) (dengan ene_n barisan satuannya). Untuk sembarang NN, ujilah x(N)=∑n≤Nsign⁡(yn‾) en∈c0x^{(N)} = \sum_{n \leq N} \operatorname{sign}(\overline{y_n})\,e_n \in c_0 (yang bernorma ≤1\leq 1; pada kasus kompleksnya pakailah faktor unimodular yˉn/∣yn∣\bar y_n/\abs {y_n}): maka Λ(x(N))=∑n≤N∣yn∣≤∥Λ∥\Lambda(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n} \leq \norm\Lambda. Jadi y∈ℓ1y \in \ell^1 dengan ∥y∥1≤∥Λ∥\norm y_1 \leq \norm\Lambda. Akhirnya Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y: sebab keduanya bersesuaian pada ene_n, sehingga pada barisan berhingga, yang padat di c0c_0 (lewat pemenggalan: ∥x−∑n≤Nxnen∥∞=sup⁡n>N∣xn∣→0\norm{x - \sum_{n \leq N}x_ne_n}_\infty = \sup_{n > N}\abs{x_n} \to 0 persis karena xn→0x_n \to 0); dan fungsional kontinu yang bersesuaian pada himpunan padat pastilah sama. Korespondensinya linear, bijektif, dan isometrik (sebab ∥Λy∥=∥y∥1\norm{\Lambda_y} = \norm y_1 dari kedua ketaksamaannya). ∎

8.5 Latihan

Latihan 8.1 ★

Hitunglah norma operatornya: (a) pergeseran S(x1,x2,… )=(0,x1,x2,… )S(x_1, x_2, \dots) = (0, x_1, x_2, \dots) dan S∗(x1,x2,… )=(x2,x3,… )S^*(x_1, x_2, \dots) = (x_2, x_3, \dots) pada ℓ2\ell^2; (b) operator perkalian Max=(anxn)M_a x = (a_nx_n) pada ℓ2\ell^2, untuk a∈ℓ∞a \in \ell^\infty; (c) fungsional Λ(f)=∫01/2f−∫1/21f\Lambda(f) = \int_0^{1/2}f - \int_{1/2}^1f pada C([0, 1])\mathcal C(\intcc01) — tunjukkan ∥Λ∥=1\norm\Lambda = 1 dan bahwa normanya tidak tercapai.

Solusi

Solusi Latihan 8.1.

(a) Berlaku ∥Sx∥2=∥x∥2\norm{Sx}_2 = \norm x_2: jadi SS merupakan isometri dan ∣∣∣S∣∣∣=1\vertiii S = 1. Untuk pergeseran mundurnya: ∥S∗x∥22=∑n≥2∣xn∣2≤∥x∥22\norm{S^*x}_2^2 = \sum_{n \geq 2}\abs{x_n}^2 \leq \norm x_2^2, dengan kesamaan pada x=e2x = e_2: sehingga ∣∣∣S∗∣∣∣=1\vertiii{S^*} = 1.

(b) ∥Max∥22=∑∣an∣2∣xn∣2≤∥a∥∞2∥x∥22\norm{M_ax}_2^2 = \sum\abs{a_n}^2\abs{x_n}^2 \leq \norm a_\infty^2\norm x_2^2; dan mengujinya pada x=enx = e_n memberikan ∣∣∣Ma∣∣∣≥∣an∣\vertiii{M_a} \geq \abs{a_n} untuk setiap nn: jadi ∣∣∣Ma∣∣∣=∥a∥∞\vertiii{M_a} = \norm a_\infty.

(c) ∣Λ(f)∣≤∫01∣f∣≤∥f∥∞\abs{\Lambda(f)} \leq \int_0^1\abs f \leq \norm f_\infty: sehingga ∥Λ∥≤1\norm\Lambda \leq 1. Untuk ε>0\varepsilon > 0 misalkan fεf_\varepsilon bernilai 11 pada [0,12−ε][0, \frac12 - \varepsilon], −1-1 pada [12+ε,1][\frac12 + \varepsilon, 1], dan afin di antaranya: maka ∥fε∥∞=1\norm{f_\varepsilon}_\infty = 1 dan Λ(fε)≥1−2ε\Lambda(f_\varepsilon) \geq 1 - 2\varepsilon: jadi ∥Λ∥=1\norm\Lambda = 1. Tidak tercapai: sebab Λ(f)=1\Lambda(f) = 1 dengan ∥f∥∞≤1\norm f_\infty \leq 1 memaksa ∫01/2f=12\int_0^{1/2}f = \frac12 dan ∫1/21f=−12\int_{1/2}^1 f = -\frac12, yakni (menurut kekontinuannya dan ∣f∣≤1\abs f \leq 1) f≡1f \equiv 1 pada [0,12][0, \frac12] dan f≡−1f \equiv -1 pada [12,1][\frac12, 1]: dan itu kontradiksi di 12\frac12.

Latihan 8.2 ★

Misalkan EE Banach, T∈L(E)T \in \mathcal L(E) terbalikkan, dan SS memenuhi ∣∣∣S−T∣∣∣<1/∣∣∣T−1∣∣∣\vertiii{S - T} < 1/\vertiii{T^{-1}}. Tunjukkan bahwa SS terbalikkan lalu taksirlah ∣∣∣S−1−T−1∣∣∣\vertiii{S^{-1} - T^{-1}}. Terapannya: jika sistem linear Tx=bTx = b terselesaikan dengan TT terbalikkan, maka usikan TT yang cukup kecil tetap membuatnya terselesaikan secara tunggal, dengan batas kuantitatif pada perubahan penyelesaiannya.

Solusi

Solusi Latihan 8.2.

Tulis S=T(I−T−1(T−S))S = T\bigl(I - T^{-1}(T - S)\bigr) dengan ∣∣∣T−1(T−S)∣∣∣≤∣∣∣T−1∣∣∣ ∣∣∣T−S∣∣∣=θ<1\vertiii{T^{-1}(T-S)} \leq \vertiii{T^{-1}}\,\vertiii{T - S} = \theta < 1: maka menurut Proposisi 8.4, SS terbalikkan dengan S−1=∑n≥0(T−1(T−S))nT−1S^{-1} = \sum_{n\geq0}\bigl(T^{-1}(T - S)\bigr)^nT^{-1}, sehingga

∣∣∣S−1−T−1∣∣∣≤∑n≥1θn ∣∣∣T−1∣∣∣=∣∣∣T−1∣∣∣2 ∣∣∣T−S∣∣∣1−θ.\vertiii{S^{-1} - T^{-1}} \leq \sum_{n\geq1}\theta^n\,\vertiii{T^{-1}} = \frac{\vertiii{T^{-1}}^2\,\vertiii{T - S}}{1 - \theta}.

Untuk sistem linearnya: xT=T−1bx_T = T^{-1}b dan xS=S−1bx_S = S^{-1}b berbeda paling banyak sebesar batas itu dikalikan ∥b∥\norm b — jadi usikan kecil pada sistem yang terbalikkan tetap terselesaikan secara tunggal, dengan kebergantungan Lipschitz penyelesaiannya pada operatornya.

Latihan 8.3 ★★

(a) Buktikan bahwa ℓ1\ell^1, ℓ∞\ell^\infty dan c0c_0 merupakan ruang Banach, dan bahwa c0c_0 adalah penutup di ℓ∞\ell^\infty dari ruang berisi barisan berhingga. (b) Tunjukkan ℓp⊆ℓq\ell^p \subseteq \ell^q dengan ∥⋅∥q≤∥⋅∥p\norm\cdot_q \leq \norm\cdot_p untuk 1≤p≤q≤∞1 \leq p \leq q \leq \infty, dan bahwa inklusinya sejati.

Solusi

Solusi Latihan 8.3.

(a) Untuk ℓ1\ell^1: misalkan (x(k))(x^{(k)}) Cauchy. Setiap koordinatnya Cauchy (sebab ∣xn(k)−xn(l)∣≤∥x(k)−x(l)∥1\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n} \leq \norm{x^{(k)} - x^{(l)}}_1): misalkan xn=lim⁡kxn(k)x_n = \lim_kx^{(k)}_n. Diberikan ε\varepsilon, untuk k,l≥Kk, l \geq K: ∑n≤N∣xn(k)−xn(l)∣≤ε\sum_{n \leq N}\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n} \leq \varepsilon untuk setiap NN; biarkan l→∞l \to \infty, lalu N→∞N \to \infty: maka ∥x(k)−x∥1≤ε\norm{x^{(k)} - x}_1 \leq \varepsilon, dan x=x(k)−(x(k)−x)∈ℓ1x = x^{(k)} - (x^{(k)} - x) \in \ell^1. Untuk ℓ∞\ell^\infty: Cauchy terhadap ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty berarti Cauchy seragam, sehingga konvergen seragam ke sebuah barisan terbatas. Sedangkan c0c_0 tertutup di ℓ∞\ell^\infty: sebab jika x(k)→xx^{(k)} \to x seragam dengan xn(k)→n0x^{(k)}_n \to_n 0, maka ∣xn∣≤∥x−x(k)∥∞+∣xn(k)∣\abs{x_n} \leq \norm{x - x^{(k)}}_\infty + \abs{x^{(k)}_n} memberikan lim sup⁡n∣xn∣≤ε\limsup_n\abs{x_n} \leq \varepsilon: jadi x∈c0x \in c_0; dan subruang tertutup dari ruang Banach juga Banach. Untuk barisan berhingga: penutupnya memuat setiap x∈c0x \in c_0 (sebab pemenggalannya konvergen: sup⁡n>N∣xn∣→0\sup_{n>N}\abs{x_n} \to 0) dan termuat di c0c_0 yang tertutup.

(b) Lewat kehomogenannya andaikan ∥x∥p=1\norm x_p = 1: maka ∣xn∣≤1\abs{x_n} \leq 1 untuk setiap nn, sehingga ∣xn∣q≤∣xn∣p\abs{x_n}^q \leq \abs{x_n}^p dan ∥x∥q≤1=∥x∥p\norm x_q \leq 1 = \norm x_p; sedangkan untuk q=∞q = \infty, ∣xn∣≤∥x∥p\abs{x_n} \leq \norm x_p secara langsung. Kesejatiannya: xn=n−αx_n = n^{-\alpha} dengan 1q<α≤1p\frac1q < \alpha \leq \frac1p terletak di ℓq∖ℓp\ell^q \setminus \ell^p (lewat deret Riemann).

Latihan 8.4 ★★

Misalkan F⊆EF \subseteq E sebuah subruang tertutup dan x∉Fx \notin F. Dengan memakai Akibat 8.7, buktikan rumus dualitas

d(x,F)=max⁡{∣f(x)∣:f∈E′, ∥f∥≤1, f↾F=0}d(x, F) = \max\bigl\{\abs{f(x)} : f \in E',\ \norm f \leq 1,\ f\restriction_F = 0\bigr\}

(perhatikan: sebuah maksimum). Simpulkan bahwa F=⋂{ker⁡f:f∈E′, f↾F=0}F = \bigcap\{\ker f : f \in E',\ f\restriction_F = 0\}: jadi subruang tertutup tepat berupa irisan kernel fungsional.

Solusi

Solusi Latihan 8.4.

(≤\leq) Jika ∥f∥≤1\norm f \leq 1 dan f↾F=0f\restriction_F = 0: maka untuk setiap y∈Fy \in F berlaku ∣f(x)∣=∣f(x−y)∣≤∥x−y∥\abs{f(x)} = \abs{f(x - y)} \leq \norm{x - y}; lalu ambil infimumnya. (≥\geq, dan tercapai) Akibat 8.7(3) menghasilkan ff dengan f↾F=0f\restriction_F = 0, ∥f∥≤1\norm f \leq 1, dan f(x)=d(x,F)f(x) = d(x, F): sehingga supremumnya merupakan maksimum. Akibatnya: F⊆⋂{ker⁡f:f↾F=0}F \subseteq \bigcap\{\ker f : f\restriction_F = 0\} secara trivial, dan titik x∉Fx \notin F tersingkir dari irisannya oleh fungsional di atas (sebab f(x)=d(x,F)>0f(x) = d(x,F) > 0, karena FF tertutup).

Latihan 8.5 ★★

Buktikan (ℓ1)′≅ℓ∞(\ell^1)' \cong \ell^\infty secara isometrik, mengikuti skema Teorema 8.16 (barisan berhingga padat di ℓ1\ell^1). Di manakah argumennya runtuh untuk (ℓ∞)′(\ell^\infty)'?

Solusi

Solusi Latihan 8.5.

Untuk y∈ℓ∞y \in \ell^\infty: ∣Λy(x)∣=∣∑xnyn∣≤∥y∥∞∥x∥1\abs{\Lambda_y(x)} = \abs{\sum x_ny_n} \leq \norm y_\infty\norm x_1, sehingga ∥Λy∥≤∥y∥∞\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_\infty; lalu mengujinya pada ene_n: ∣yn∣=∣Λy(en)∣≤∥Λy∥\abs{y_n} = \abs{\Lambda_y(e_n)} \leq \norm{\Lambda_y}: jadi kesamaan. Sebaliknya, diberikan Λ∈(ℓ1)′\Lambda \in (\ell^1)', tetapkan yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n): maka ∣yn∣≤∥Λ∥\abs{y_n} \leq \norm\Lambda, sehingga y∈ℓ∞y \in \ell^\infty; lalu Λ\Lambda dan Λy\Lambda_y bersesuaian pada barisan berhingga, yang padat di ℓ1\ell^1 (sebab ∥x−∑n≤Nxnen∥1=∑n>N∣xn∣→0\norm{x - \sum_{n\leq N}x_ne_n}_1 = \sum_{n>N}\abs{x_n} \to 0): jadi Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y. Pemetaan y↦Λyy \mapsto \Lambda_y bersifat linear, isometrik, dan surjektif. Untuk (ℓ∞)′(\ell^\infty)' awal yang sama menghasilkan barisan yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n), tetapi barisan berhingga tidak padat di ℓ∞\ell^\infty (sebab barisan konstan 1\mathbf 1 berjarak 11 dari semuanya), sehingga Λ\Lambda tidak ditentukan oleh yny_n — dan memang (ℓ∞)′≠ℓ1(\ell^\infty)' \neq \ell^1 (Soal 8.1).

Latihan 8.6 ★★

Misalkan E,F,GE, F, G bernorma dengan EE Banach, dan B ⁣:E×F→GB \colon E \times F \to G bilinear serta kontinu pada setiap variabelnya secara terpisah. Tunjukkan bahwa BB kontinu (secara bersama): ∥B(x,y)∥≤C∥x∥∥y∥\norm{B(x,y)} \leq C\norm x\norm y. (Terapkan Banach–Steinhaus pada keluarga (B(⋅,y))∥y∥≤1(B(\cdot, y))_{\norm y \leq 1}.)

Solusi

Solusi Latihan 8.6.

Untuk setiap xx yang tetap, y↦B(x,y)y \mapsto B(x, y) bersifat linear kontinu: sehingga sup⁡∥y∥≤1∥B(x,y)∥<∞\sup_{\norm y \leq 1}\norm{B(x,y)} < \infty. Jadi keluarga {B(⋅,y):∥y∥≤1}⊆L(E,G)\{B(\cdot, y) : \norm y \leq 1\} \subseteq \mathcal L(E, G) (yang setiap anggotanya kontinu, menurut kekontinuannya terhadap xx) bersifat terbatas titik demi titik pada ruang Banach EE: sehingga Banach–Steinhaus (Teorema 8.9) melahirkan CC dengan ∥B(x,y)∥≤C∥x∥\norm{B(x,y)} \leq C\norm x untuk setiap ∥y∥≤1\norm y \leq 1; lalu kehomogenannya terhadap yy menuntaskannya: ∥B(x,y)∥≤C∥x∥∥y∥\norm{B(x,y)} \leq C\norm x\norm y.

Latihan 8.7 ★★

(a) Pada E=C([0, 1])E = \mathcal C(\intcc01), bandingkan ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty dan ∥⋅∥1\norm\cdot_1: identitas (E,∥⋅∥∞)→(E,∥⋅∥1)(E, \norm\cdot_\infty) \to (E, \norm\cdot_1) bersifat terbatas dan bijektif tetapi inversnya tak terbatas. Hipotesis mana pada Akibat 8.13 yang gagal? (b) Tampilkan pemetaan linear tak kontinu dari sebuah subruang padat ℓ2\ell^2 ke KK (misalnya pada barisan berhingga), lalu jelaskan mengapa hal itu tak bertentangan dengan teorema grafik tertutup.

Solusi

Solusi Latihan 8.7.

(a) Berlaku ∥f∥1≤∥f∥∞\norm f_1 \leq \norm f_\infty: sehingga identitasnya terbatas dan bijektif. Inversnya tak terbatas: sebab fn(x)=xnf_n(x) = x^n mempunyai ∥fn∥1=1n+1→0\norm{f_n}_1 = \frac1{n+1} \to 0 tetapi ∥fn∥∞=1\norm{f_n}_\infty = 1. Tak ada kontradiksi dengan Akibat 8.13: sebab (C([0, 1]),∥⋅∥1)(\mathcal C(\intcc01), \norm\cdot_1) tidak lengkap (Latihan 7.1); dan akibat itu menuntut kelengkapan pada kedua sisinya.

(b) Pada ruang E0E_0 berisi barisan berhingga (yang padat di ℓ2\ell^2), φ(x)=∑nn xn\varphi(x) = \sum_n n\,x_n bersifat linear dan tak terbatas (sebab φ(en)=n\varphi(e_n) = n dengan ∥en∥2=1\norm{e_n}_2 = 1). Teorema grafik tertutup tak berlaku: sebab E0E_0 tidak lengkap — dan φ\varphi tak punya perluasan kontinu ke ℓ2\ell^2, sehingga menggambarkan bahwa kepadatan tanpa kekontinuan seragam tidaklah berdaya (Teorema 7.2).

Latihan 8.8 ★★★

(Hellinger–Toeplitz) Misalkan T ⁣:ℓ2→ℓ2T \colon \ell^2 \to \ell^2 linear (terdefinisi di mana-mana) dan simetris: ⟨Tx,y⟩=⟨x,Ty⟩\langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle untuk setiap x,yx, y, dengan ⟨x,y⟩=∑xnyˉn\langle x, y \rangle = \sum x_n\bar y_n. Tunjukkan bahwa TT terbatas. (Lewat grafik tertutup: jika xk→xx_k \to x dan Txk→zTx_k \to z, ujilah terhadap yy sembarang.) Pelajarannya: operator simetris yang tak terbatas — yakni Hamiltonian pada mekanika kuantum — tak pernah dapat didefinisikan pada seluruh ruangnya.

Solusi

Solusi Latihan 8.8.

Kita periksa hipotesis grafik tertutupnya. Misalkan xk→xx_k \to x dan Txk→zTx_k \to z di ℓ2\ell^2. Untuk setiap yy:

⟨z,y⟩=lim⁡k⟨Txk,y⟩=lim⁡k⟨xk,Ty⟩=⟨x,Ty⟩=⟨Tx,y⟩,\langle z, y\rangle = \lim_k\langle Tx_k, y\rangle = \lim_k \langle x_k, Ty\rangle = \langle x, Ty\rangle = \langle Tx, y\rangle,

dengan memakai kekontinuan hasil kali dalam pada setiap lubangnya (lewat Cauchy–Schwarz) dan kesimetriannya dua kali. Jadi z−Txz - Tx ortogonal terhadap setiap yy, khususnya terhadap dirinya sendiri: sehingga z=Txz = Tx. Grafiknya tertutup dan ℓ2\ell^2 bersifat Banach: jadi TT terbatas (Teorema 8.14). Karena itu operator simetris yang terdefinisi pada seluruh ℓ2\ell^2 otomatis terbatas; sedangkan operator simetris yang sungguh tak terbatas (posisi, momentum, Hamiltonian) harus hidup pada subruang padat yang sejati.

Latihan 8.9 ★★★

(Teorema Polya tentang kuadratur) Untuk setiap nn, misalkan Λn(f)=∑i=0nwi,nf(xi,n)\Lambda_n(f) = \sum_{i=0}^{n} w_{i,n}f(x_{i,n}) sebuah aturan kuadratur pada C([0, 1])\mathcal C(\intcc01) (dengan xi,n∈[0, 1]x_{i,n} \in \intcc01, wi,n∈Rw_{i,n} \in \R). Tunjukkan bahwa Λn(f)→∫01f\Lambda_n(f) \to \int_0^1f untuk setiap ff yang kontinu jika dan hanya jika: (i) Λn(P)→∫01P\Lambda_n(P) \to \int_0^1P untuk setiap polinomial PP, dan (ii) sup⁡n∑i∣wi,n∣<∞\sup_n\sum_i\abs{w_{i,n}} < \infty. (Hitunglah ∥Λn∥\norm{\Lambda_n}; lalu pakai Banach–Steinhaus dan Weierstrass.) Periksalah bahwa aturan dengan bobot positif yang eksak pada konstanta memenuhi (ii) secara otomatis.

Solusi

Solusi Latihan 8.9.

Pertama, ∥Λn∥=∑i∣wi,n∣\norm{\Lambda_n} = \sum_i\abs{w_{i,n}}: sebab ≤\leq berasal dari ketaksamaan segitiga; sedangkan ≥\geq lewat menguji sebuah ff linear sepotong-sepotong dengan ∥f∥∞≤1\norm f_\infty \leq 1 dan f(xi,n)=sign⁡(wi,n)f(x_{i,n}) = \operatorname{sign}(w_{i,n}) (interpolasikan secara linear di antara simpul yang berhingga banyak itu; dan bila simpulnya berimpit tandanya bersesuaian).

(⇒\Rightarrow) Kekonvergenan titik demi titik pada setiap ff mengakibatkan (i), sekaligus keterbatasan titik demi titik, sehingga Banach–Steinhaus (Teorema 8.9) pada C([0, 1])\mathcal C(\intcc01) yang Banach memberikan (ii).

(⇐\Leftarrow) Misalkan M=sup⁡n∥Λn∥+1M = \sup_n\norm{\Lambda_n} + 1. Diberikan ff dan ε\varepsilon, pilihlah polinomial PP dengan ∥f−P∥∞<ε/(2M)\norm{f - P}_\infty < \varepsilon/(2M) (Akibat 7.16); maka

∣Λnf−∫01f∣≤∣Λn(f−P)∣+∣ΛnP−∫01P∣+∣∫01(P−f)∣≤ε+∣ΛnP−∫01P∣→ε.\Bigl|\Lambda_n f - \int_0^1 f\Bigr| \leq \abs{\Lambda_n(f - P)} + \Bigl|\Lambda_nP - \int_0^1P\Bigr| + \Bigl|\int_0^1(P - f)\Bigr| \leq \varepsilon + \Bigl|\Lambda_nP - \int_0^1P\Bigr| \to \varepsilon .

Untuk bobot positif yang eksak pada konstanta: ∑i∣wi,n∣=∑iwi,n=Λn(1)=∫011=1\sum_i\abs{w_{i,n}} = \sum_iw_{i,n} = \Lambda_n(\mathbf 1) = \int_0^1 1 = 1 bagi aturan yang eksak pada konstanta — jadi (ii) berlaku dengan konstanta 11.

Latihan 8.10 ★★

Tunjukkan bahwa J ⁣:E→E′′J \colon E \to E'' dengan J(x)(f)=f(x)J(x)(f) = f(x) merupakan isometri linear (pakailah Akibat 8.7(2)), dan bahwa ia surjektif bila dim⁡E<∞\dim E < \infty. Tunjukkan pula bahwa jika E′E' separabel maka EE pun separabel. (Ambil xnx_n yang hampir menormakan barisan padat di E′E' lalu tunjukkan bahwa rentang tertutupnya adalah EE, lewat Akibat 8.7(3).)

Solusi

Solusi Latihan 8.10.

Kelinearan JJ bersifat formal; sedangkan ∥J(x)∥=sup⁡∥f∥≤1∣f(x)∣=∥x∥\norm{J(x)} = \sup_{\norm f \leq 1}\abs{f(x)} = \norm x menurut Akibat 8.7(2). Jika dim⁡E=n\dim E = n: maka dim⁡E′=n\dim E' = n (sebab sebuah basis memberikan fungsional koordinatnya), sehingga dim⁡E′′=n\dim E'' = n, dan JJ yang injektif (isometrik) menjadi surjektif. Keseparabelannya: misalkan (fn)(f_n) padat di E′E' lalu pilihlah ∥xn∥=1\norm{x_n} = 1 dengan ∣fn(xn)∣≥12∥fn∥\abs{f_n(x_n)} \geq \frac12\norm{f_n}. Misalkan F=Vect⁡‾(xn)F = \overline{\operatorname{Vect}}(x_n); jika F≠EF \neq E, ambillah g∈E′g \in E' dengan g≠0g \neq 0 yang lenyap pada FF (Akibat 8.7(3)); lalu pilihlah fnk→gf_{n_k} \to g:

∥fnk−g∥≥∣(fnk−g)(xnk)∣=∣fnk(xnk)∣≥12∥fnk∥≥12(∥g∥−∥fnk−g∥),\norm{f_{n_k} - g} \geq \abs{(f_{n_k} - g)(x_{n_k})} = \abs{f_{n_k}(x_{n_k})} \geq \tfrac12\norm{f_{n_k}} \geq \tfrac12\bigl(\norm g - \norm{f_{n_k} - g}\bigr),

sehingga ∥fnk−g∥≥13∥g∥>0\norm{f_{n_k} - g} \geq \frac13\norm g > 0: kontradiksi. Karena itu F=EF = E, dan kombinasi rasional (atau Q+iQ\Q + \iu\Q) atas xnx_n membentuk himpunan padat yang terbilang.

Latihan 8.11 ★★

(Ruang kuosien) Misalkan EE sebuah ruang Banach dan F⊆EF \subseteq E sebuah subruang tertutup. Pada E/FE/F definisikan

∥xˉ∥  =  d(x,F)=inf⁡y∈F∥x−y∥.\norm{\bar x} \;=\; d(x, F) = \inf_{y\in F}\norm{x - y} .

(a) Tunjukkan bahwa ini merupakan norma yang terdefinisi dengan baik pada E/FE/F (di manakah ketertutupan FF masuk?), dan bahwa proyeksi π ⁣:E→E/F\pi \colon E \to E/F mempunyai ∣∣∣π∣∣∣≤1\vertiii\pi \leq 1 serta memetakan bola satuan terbuka pada bola satuan terbuka. (b) Tunjukkan bahwa E/FE/F lengkap. (Pakailah kriteria deret pada Latihan 7.1(b): diberikan kelas xˉk\bar x_k dengan ∑∥xˉk∥<∞\sum\norm{\bar x_k} < \infty, angkatlah masing-masing ke xk∈Ex_k \in E dengan ∥xk∥≤∥xˉk∥+2−k\norm{x_k} \leq \norm{\bar x_k} + 2^{-k} lalu jumlahkan di EE.) (c) Hitunglah: untuk E=cE = c (barisan konvergen) dan F=c0F = c_0, tunjukkan c/c0≅Kc/c_0 \cong K secara isometrik lewat xˉ↦lim⁡nxn\bar x \mapsto \lim_nx_n.

Solusi

Solusi Latihan 8.11.

(a) Terdefinisi dengan baik: sebab d(x,F)d(x, F) hanya bergantung pada xˉ\bar x (menggeser xx oleh FF tak mengubah jaraknya). Kehomogenan dan ketaksamaan segitiganya beralih dari ∥⋅∥\norm\cdot melalui infimumnya. Pemisahannya memerlukan ketertutupan: sebab ∥xˉ∥=0\norm{\bar x} = 0 berarti d(x,F)=0d(x, F) = 0, yakni x∈Fˉ=Fx \in \bar F = F, yakni xˉ=0\bar x = 0. Lalu ∣∣∣π∣∣∣≤1\vertiii\pi \leq 1: sebab ∥xˉ∥≤∥x∥\norm{\bar x} \leq \norm x. Bola terbuka pada bola terbuka: jika ∥xˉ∥<1\norm{\bar x} < 1, maka suatu wakilnya mempunyai ∥x−y∥<1\norm{x - y} < 1; sebaliknya π(BE(0,1))⊆BE/F(0,1)\pi(B_E(0,1)) \subseteq B_{E/F}(0,1) menurut ketaksamaan normanya — jadi π\pi terbuka, yakni kasus panutan bagi teorema pemetaan terbuka.

(b) Misalkan ∑k∥xˉk∥<∞\sum_k\norm{\bar x_k} < \infty lalu angkatlah dengan ∥xk∥≤∥xˉk∥+2−k\norm{x_k} \leq \norm{\bar x_k} + 2^{-k}: maka ∑∥xk∥<∞\sum\norm{x_k} < \infty, sehingga s=∑kxks = \sum_kx_k konvergen di EE yang Banach (Latihan 7.1(b)), dan kekontinuan π\pi memberikan ∑kxˉk=sˉ\sum_k\bar x_k = \bar s: jadi setiap deret E/FE/F yang konvergen mutlak akan konvergen, dan itu setara dengan kelengkapannya (lihat latihan yang sama).

(c) Pemetaan λ(x)=lim⁡nxn\lambda(x) = \lim_nx_n bersifat linear c→Kc \to K dan lenyap tepat pada c0c_0, sehingga ia menginduksikan bijeksi linear c/c0→Kc/c_0 \to K. Keisometriannya: d(x,c0)=∣λ(x)∣d(x, c_0) = \abs{\lambda(x)} — untuk ≤\leq: kurangkan dari xx barisan x−λ(x)1∈c0x - \lambda(x)\mathbf 1 \in c_0, sehingga tersisa λ(x)1\lambda(x)\mathbf 1 yang bernorma ∣λ(x)∣\abs{\lambda(x)}; untuk ≥\geq: untuk y∈c0y \in c_0, ∥x−y∥∞≥lim sup⁡n∣xn−yn∣=∣λ(x)∣\norm{x - y}_\infty \geq \limsup_n\abs{x_n - y_n} = \abs{\lambda(x)}.

Latihan 8.12 ★★

(Proyeksi terbatas dan subruang berkomplemen) Misalkan EE sebuah ruang Banach dan P ⁣:E→EP \colon E \to E linear dengan P2=PP^2 = P (yakni proyeksi aljabar), V=im⁡PV = \operatorname{im}P, dan W=ker⁡PW = \ker P. (a) Andaikan PP terbatas. Tunjukkan bahwa VV dan WW tertutup dan E=V⊕WE = V \oplus W dengan penguraian x=Px+(x−Px)x = Px + (x - Px). (b) Sebaliknya, andaikan E=V⊕WE = V \oplus W dengan keduanya, yakni V,WV, W, tertutup, lalu misalkan PP proyeksi pada VV sepanjang WW. Tunjukkan bahwa PP terbatas. (Lewat grafik tertutup: jika xn→xx_n \to x dan Pxn→zPx_n \to z, maka z∈Vz \in V, xn−Pxn→x−z∈Wx_n - Px_n \to x - z \in W, dan ketunggalan penguraiannya mengenali z=Pxz = Px.) (c) Simpulkan kesetaraannya: sebuah subruang VV mempunyai proyeksi terbatas jika dan hanya jika ia tertutup dan mempunyai komplemen aljabar yang tertutup — lalu catat (tanpa bukti) bahwa ada subruang tertutup tanpa sifat itu (c0c_0 di dalam ℓ∞\ell^\infty merupakan contoh klasiknya): jadi ruang Hilbert, tempat V⊥V^\perp selalu berhasil (Bab 13), merupakan perkecualian, bukan aturannya.

Solusi

Solusi Latihan 8.12.

(a) Kernel W=ker⁡PW = \ker P tertutup (sebagai prapeta 00 di bawah pemetaan kontinu); sedangkan V=im⁡P=ker⁡(I−P)V = \operatorname{im}P = \ker(I - P) (sebab Px=xPx = x jika dan hanya jika x∈im⁡Px \in \operatorname{im}P, dengan memakai P2=PP^2 = P), yang juga tertutup. Setiap xx terpecah sebagai Px+(x−Px)Px + (x - Px) dengan Px∈VPx \in V dan x−Px∈Wx - Px \in W, dan V∩W=0V \cap W = 0 (sebab x=Px=0x = Px = 0): jadi E=V⊕WE = V \oplus W.

(b) Argumen grafiknya: misalkan xn→xx_n \to x dan Pxn→zPx_n \to z. Maka z∈Vz \in V (sebab VV tertutup dan Pxn∈VPx_n \in V) dan xn−Pxn→x−z∈Wx_n - Px_n \to x - z \in W (sebab WW tertutup). Jadi x=z+(x−z)x = z + (x - z) dengan z∈Vz \in V dan x−z∈Wx - z \in W; lalu menurut ketunggalan penguraiannya, z=Pxz = Px. Grafik PP tertutup dan EE bersifat Banach: sehingga PP terbatas (Teorema 8.14).

(c) Bagian (a) dan (b) bersama-sama merupakan kesetaraannya. Di ruang Hilbert setiap VV yang tertutup mempunyai komplemen tertutup V⊥V^\perp (Bab 13): jadi setiap subruang tertutup bersifat berkomplemen. Pada ruang Banach umum hal ini gagal — sebab c0c_0 tak punya komplemen tertutup di ℓ∞\ell^\infty (yakni teorema Phillips, yang melampaui perkakas kita) — sehingga proyeksi terbatas merupakan hak istimewa, dan teorema grafik tertutup tepat merupakan pembukuan yang mengubah pemecahan geometri menjadi operator yang terbatas.

8.6 Soal: dualitas ruang ℓp\ell^p

Soal 8.1

Soal akhir pekan — (ℓp)′=ℓq(\ell^p)' = \ell^q, kerefleksifan, dan keanehan ℓ∞\ell^\infty

Tetapkan 1<p<∞1 < p < \infty dan misalkan qq eksponen sekawannya, yakni 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1. Pemasangannya sepanjang soal ini adalah ⟨x,y⟩=∑nxnyn\langle x, y\rangle = \sum_n x_ny_n.

Bagian I — Hölder dan Minkowski untuk barisan.

  1. (Ketaksamaan Young) Untuk a,b≥0a, b \geq 0 tunjukkan ab≤app+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q, dengan memakai kekonkafan log⁡\log atau dengan mempelajari t↦tpp+1q−tt \mapsto \frac{t^p}p + \frac1q - t.
  2. (Hölder) Simpulkan: ∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥p∥y∥q\abs{\langle x, y\rangle} \leq \norm x_p\norm y_q untuk x∈ℓpx \in \ell^p, y∈ℓqy \in \ell^q; lalu kenali kasus kesamaannya.
  3. (Minkowski) Simpulkan ketaksamaan segitiga bagi ∥⋅∥p\norm\cdot_p. (Tulis ∣xn+yn∣p≤∣xn∣ ∣xn+yn∣p−1+∣yn∣ ∣xn+yn∣p−1\abs{x_n + y_n}^p \leq \abs{x_n}\,\abs{x_n{+}y_n}^{p-1} + \abs{y_n}\,\abs{x_n{+}y_n}^{p-1} lalu terapkan Hölder pada setiap sukunya.)
  4. Buktikan bahwa ℓp\ell^p lengkap dan bahwa barisan berhingga padat di dalamnya.

Bagian II — Dualitas (ℓp)′=ℓq(\ell^p)' = \ell^q.

  1. Untuk y∈ℓqy \in \ell^q, tunjukkan bahwa Λy(x)=⟨x,y⟩\Lambda_y(x) = \langle x, y\rangle mendefinisikan Λy∈(ℓp)′\Lambda_y \in (\ell^p)' dengan ∥Λy∥≤∥y∥q\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_q, lalu, dengan mengujinya pada xn=∣yn∣q−1sign⁡(yn)x_n = \abs{y_n}^{q-1}\operatorname{sign}(y_n) (yang dipenggal dan dinormalkan secukupnya), bahwa ∥Λy∥=∥y∥q\norm{\Lambda_y} = \norm y_q.
  2. Sebaliknya, diberikan Λ∈(ℓp)′\Lambda \in (\ell^p)', tetapkan yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n); tunjukkan y∈ℓqy \in \ell^q dengan ∥y∥q≤∥Λ∥\norm y_q \leq \norm\Lambda (ujilah pada pemenggalannya seperti pada pertanyaan 5 lalu biarkan panjang pemenggalannya tumbuh), dan simpulkan Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y: jadi pemetaan y↦Λyy \mapsto \Lambda_y merupakan isomorfisma isometrik ℓq→(ℓp)′\ell^q \to (\ell^p)'.
  3. Simpulkan bahwa ℓp\ell^p bersifat refleksif untuk 1<p<∞1 < p < \infty: sebab dengan mengomposisikan kedua dualitasnya, setiap unsur (ℓp)′′(\ell^p)'' berasal dari ℓp\ell^p; lalu periksalah dengan cermat bahwa komposisinya memang JJ yang kanonik.

Bagian III — ℓ1\ell^1 dan ℓ∞\ell^\infty adalah hewan yang berbeda.

  1. Tunjukkan bahwa ℓp\ell^p (untuk 1≤p<∞1 \leq p < \infty) dan c0c_0 bersifat separabel, tetapi ℓ∞\ell^\infty tidak. (Sebab barisan indikator dari himpunan bagian N\N yang tak terbilang banyaknya saling berjarak 11 berpasangan.)
  2. Simpulkan dari Latihan 8.10 bahwa (ℓ1)′≅ℓ∞(\ell^1)' \cong \ell^\infty tetapi (ℓ∞)′≇ℓ1(\ell^\infty)' \not\cong \ell^1: jadi ℓ1\ell^1 tidak refleksif. (Sebab jika (ℓ∞)′(\ell^\infty)' adalah ℓ1\ell^1, ia akan separabel, sehingga memaksa ℓ∞\ell^\infty separabel.)
  3. (Limit Banach, secara eksplisit) Pada ℓR∞\ell^\infty_\R, misalkan p(x)=lim sup⁡nx1+⋯+xnnp(x) = \limsup_n \frac{x_1 + \dots + x_n}{n}. Tunjukkan bahwa pp sublinear, dan bahwa pada subruang cc berisi barisan konvergen, LIM(x)=lim⁡x\mathrm{LIM}(x) = \lim x memenuhi LIM≤p\mathrm{LIM} \leq p. Perluaslah lewat Hahn–Banach menjadi LIM ⁣:ℓR∞→R\mathrm{LIM} \colon \ell^\infty_\R \to \R lalu tunjukkan: LIM\mathrm{LIM} bersifat positif (yakni x≥0⇒LIM(x)≥0x \geq 0 \Rightarrow \mathrm{LIM}(x) \geq 0), invarian terhadap pergeseran (yakni LIM(x2,x3,… )=LIM(x)\mathrm{LIM}(x_2, x_3, \dots) = \mathrm{LIM}(x)), memperluas limitnya, serta memenuhi lim inf⁡x≤LIM(x)≤lim sup⁡x\liminf x \leq \mathrm{LIM}(x)\leq \limsup x.
  4. Tunjukkan bahwa LIM\mathrm{LIM} semacam itu, dipandang di (ℓ∞)′(\ell^\infty)', bukan berbentuk Λy\Lambda_y untuk y∈ℓ1y \in \ell^1 mana pun; lalu simpulkan lagi (ℓ∞)′≠ℓ1(\ell^\infty)' \neq \ell^1. (Nilaikan pada barisan satuan ene_n, lalu pada barisan konstan 11.)
  5. Nilaikan LIM\mathrm{LIM} pada (0,1,0,1,… )(0,1,0,1,\dots), lalu tunjukkan bahwa tak ada perluasan limit yang multiplikatif dan invarian terhadap pergeseran (tinjaulah x=(0,1,0,1,… )x = (0,1,0,1,\dots) dan x⋅Sxx\cdot Sx dengan SS berupa pergeserannya).

Bagian IV — Penutup: mengapa kerefleksifan penting.

  1. Dengan memakai Akibat 8.10 dan pertanyaan 6, tunjukkan bahwa setiap barisan terbatas di ℓp\ell^p (untuk 1<p<∞1 < p < \infty) mempunyai subbarisan (x(k))(x^{(k)}) yang konvergen secara lemah: yakni Λ(x(k))\Lambda(x^{(k)}) konvergen untuk setiap Λ∈(ℓp)′\Lambda \in (\ell^p)'. (Lewat ekstraksi diagonal pada koordinatnya yang terbilang; lalu kenali limit lemahnya di ℓp\ell^p dengan memakai keterbatasan seragam normanya dan Hölder.) Tunjukkan lewat contoh (ene_n di ℓ1\ell^1, terhadap unsur ℓ∞\ell^\infty yang dipilih baik-baik) bahwa hal ini gagal di ℓ1\ell^1: jadi kekompakan lemah merupakan hak istimewa ruang refleksif.

Bagian V — Topologi lemah yang bekerja, dan kejutan Schur. Tulis x(k)⇀xx^{(k)} \rightharpoonup x di dalam sebuah ruang bernorma EE (yakni kekonvergenan lemah) bila Λ(x(k))→Λ(x)\Lambda(x^{(k)}) \to \Lambda(x) untuk setiap Λ∈E′\Lambda \in E'.

  1. Lengkapilah sensusnya: tunjukkan (c0)′≅ℓ1(c_0)' \cong \ell^1 secara isometrik, lewat skema pertanyaan 5–6 (apa yang menggantikan barisan pengujinya?). Lalu rangkailah rantai c0→ℓ1→ℓ∞→…c_0 \to \ell^1 \to \ell^\infty \to \dots berisi dual berturutan dan tandai di mana kerefleksifannya gagal.
  2. Tunjukkan bahwa setiap barisan yang konvergen lemah di ruang Banach bersifat terbatas: pandanglah x(k)x^{(k)} lewat pembenaman kanonik JJ sebagai fungsional pada E′E' lalu terapkan Banach–Steinhaus (Teorema 8.9) — pada ruang Banach yang mana, dan mengapa kelengkapannya tersedia di sana?
  3. Tunjukkan bahwa di ℓp\ell^p dengan 1<p<∞1 < p < \infty: x(k)⇀xx^{(k)} \rightharpoonup x jika dan hanya jika sup⁡k∥x(k)∥p<∞\sup_k\norm{x^{(k)}}_p < \infty dan xn(k)→xnx^{(k)}_n \to x_n untuk setiap koordinat nn (satu arahnya memakai Banach–Steinhaus lewat pembenaman kanoniknya; sedangkan untuk arah lainnya, hampiri y∈ℓqy \in \ell^q dengan barisan berhingga). Lalu simpulkan ek⇀0e_k \rightharpoonup 0 di ℓ2\ell^2 padahal ∥ek∥2=1\norm{e_k}_2 = 1: jadi limit lemah dapat kehilangan massa.
  4. Tunjukkan bahwa normanya semikontinu bawah secara lemah: yakni x(k)⇀xx^{(k)} \rightharpoonup x mengakibatkan ∥x∥≤lim inf⁡k ∥x(k)∥\norm x \leq \liminf_k\,\norm{x^{(k)}} (ambillah fungsional penormaan bagi xx, Akibat 8.7).
  5. (Radon–Riesz di ℓ2\ell^2) Tunjukkan bahwa di ℓ2\ell^2, kekonvergenan lemah bersama kekonvergenan normanya mengakibatkan kekonvergenan norma (jabarkan ∥x(k)−x∥22\norm{x^{(k)} - x}_2^2). Berilah contoh penyangkal bagi pernyataan yang sama tanpa hipotesis normanya.
  6. (Schur, langkah 1) Misalkan x(k)⇀0x^{(k)} \rightharpoonup 0 di ℓ1\ell^1 dan andaikan, demi kontradiksi, bahwa ∥x(k)∥1≥δ>0\norm{x^{(k)}}_1 \geq \delta > 0 sepanjang sebuah subbarisan. Tunjukkan lebih dahulu bahwa xn(k)→0x^{(k)}_n \to 0 untuk setiap nn (lewat fungsional yang mana?), lalu bangunlah secara rekursif indeks k1<k2<⋯k_1 < k_2 < \cdots dan bilangan bulat 0=N0<N1<N2<⋯0 = N_0 < N_1 < N_2 < \cdots sedemikian sehingga massa x(kj)x^{(k_j)} memusat pada blok Bj=(Nj−1, Nj]B_j = \intoc{N_{j-1}}{N_j}:

    ∑n∈Bj∣xn(kj)∣≥∥x(kj)∥1−δ10.\sum_{n \in B_j}\bigl|x^{(k_j)}_n\bigr| \geq \norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac\delta{10} .
  7. (Schur, langkah 2) Definisikan y∈ℓ∞y \in \ell^\infty dengan yn=sign⁡(xn(kj))y_n = \operatorname{sign}\bigl(x^{(k_j)}_n\bigr) untuk n∈Bjn \in B_j. Tunjukkan ⟨x(kj),y⟩≥∥x(kj)∥1−2δ10≥8δ10\langle x^{(k_j)}, y\rangle \geq \norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac{2\delta}{10} \geq \frac{8\delta}{10} lalu turunkan kontradiksi dengan x(k)⇀0x^{(k)} \rightharpoonup 0. Simpulkan teorema Schur: bahwa di ℓ1\ell^1, barisan yang konvergen lemah konvergen dalam norma.
  8. Simpulkan bahwa (ek)(e_k) tak punya subbarisan yang konvergen lemah di ℓ1\ell^1 (sebab satu-satunya calon limitnya adalah 00 secara koordinat — lalu terapkan Schur), sehingga memperoleh kembali kegagalan kekompakan lemah pada pertanyaan 13; lalu selesaikanlah paradoks yang tampak itu: di ℓ1\ell^1 kekonvergenan lemah dan norma bagi barisan berimpit, namun topologi lemah dan normanya berbeda dan himpunan terbatas tetap gagal kompak barisan secara lemah — jadi tak ada kontradiksi, hanya kegagalan kerefleksifan.
  9. (Tabel sintesis) Untuk E∈{c0, ℓ1, ℓp (1<p<∞), ℓ∞}E \in \{c_0,\ \ell^1,\ \ell^p\ (1{<}p{<}\infty),\ \ell^\infty\}, tabulasikan: dualnya; keseparabelannya; kerefleksifannya; apakah barisan terbatasnya mempunyai subbarisan yang konvergen lemah; dan satu sifat khas setiap ruang, yang dibenarkan dalam satu baris dari soal ini.

Bagian VI — Pelengkap: titik terdekat, kekonvergenan rata-rata, dan nilai sebuah limit Banach.

  1. (Titik terdekat: hasil panen kerefleksifan) Misalkan FF sebuah subruang tertutup ℓp\ell^p (dengan 1<p<∞1 < p < \infty) dan x∈ℓpx \in \ell^p. Tunjukkan bahwa d=dist⁡(x,F)d = \operatorname{dist}(x, F) tercapai: ekstraklah dari sebuah barisan peminimum sebuah subbarisan yang konvergen lemah (pertanyaan 13), tahanlah limit lemahnya tetap di dalam FF dengan membangun, lewat Hahn–Banach, sebuah fungsional yang lenyap pada FF tetapi tidak di sebuah titik di luarnya, lalu simpulkan dengan pertanyaan 17. Lalu tunjukkan bahwa hak istimewa itu tidak universal: di c0c_0, untuk Λ(x)=∑n2−nxn\Lambda(x) = \sum_n2^{-n}x_n, buktikan bahwa ∥Λ∥=1\norm\Lambda = 1 tidak tercapai pada bola satuannya, tegakkan rumus jaraknya dist⁡(x,ker⁡Λ)=∣Λ(x)∣\operatorname{dist}(x, \ker\Lambda) = \abs{\Lambda(x)}, lalu simpulkan bahwa tak ada x∉ker⁡Λx \notin \ker\Lambda yang mempunyai titik terdekat di hiperbidang tertutup ker⁡Λ\ker\Lambda.
  2. (Banach–Saks di ℓ2\ell^2) Misalkan x(k)⇀0x^{(k)} \rightharpoonup 0 di ℓR2\ell^2_{\R} dengan ∥x(k)∥2≤C\norm{x^{(k)}}_2 \leq C. Bangunlah sebuah subbarisan (yj)(y_j) dengan ∣⟨yi,yj⟩∣≤1j\abs{\langle y_i, y_j\rangle} \leq \frac1j untuk setiap i<ji < j, lalu simpulkan

    ∥y1+⋯+ymm∥22≤C2+2m⟶0:\Bigl\lVert\frac{y_1 + \dots + y_m}m\Bigr\rVert_2^2 \leq \frac{C^2 + 2}m \longrightarrow 0 :

    jadi setelah ekstraksi, rata-rata Cesàronya konvergen dalam norma. Periksalah pada (ek)(e_k), yang rata-ratanya bernorma 1m\frac1{\sqrt m}: jadi kekonvergenan lemah, yang tak berguna bagi barisannya sendiri (pertanyaan 16), menjadi kekonvergenan norma bagi rata-ratanya.

  3. (Nilai sebuah limit Banach) Misalkan LL sembarang limit Banach (pertanyaan 10) dan Amx=1m(x+Sx+⋯+Sm−1x)A_mx = \frac1m(x + Sx + \dots + S^{m-1}x). Tunjukkan L(Amx)=L(x)L(A_mx) = L(x) dan lim inf⁡Amx≤L(x)≤lim sup⁡Amx\liminf A_mx \leq L(x) \leq \limsup A_mx; lalu simpulkan bahwa semua limit Banach bersesuaian pada barisan periodik, dengan nilai berupa rata-rata atas satu periodenya — yakni 13\frac13 pada (1,0,0,1,0,0,… )(1, 0, 0, 1, 0, 0, \dots), sejalan dengan 12\frac12 pada pertanyaan 12. Lalu tunjukkan bahwa kesesuaiannya gagal secara umum: untuk barisan blok xx yang bernilai 11 pada (3j−1, 3j]\intoc{3^{j-1}}{3^j} untuk jj genap dan 00 selainnya, tunjukkan bahwa rata-rata Cesàronya berayun antara ≤13\leq \frac13 dan ≥23\geq \frac23, lalu bangunlah dua limit Banach L±L_\pm dengan L−(x)≤13<23≤L+(x)L_-(x) \leq \frac13 < \frac23 \leq L_+(x) (perluaslah dari c⊕Rxc \oplus \R x dengan nilai ekstrem ±\pm yang diperbolehkan: periksalah bahwa Λ(y+tx)=lim⁡y+t p(x)\Lambda(y + tx) = \lim y + t\,p(x) didominasi oleh pp yang sublinear pada pertanyaan 10).
Solusi

Solusi Soal 8.1.

1. Untuk a,b>0a, b > 0: menurut kekonkafan log⁡\log berlaku log⁡(app+bqq)≥1plog⁡ap+1qlog⁡bq=log⁡(ab)\log\bigl(\tfrac{a^p}p + \tfrac{b^q}q\bigr) \geq \tfrac1p\log a^p + \tfrac1q\log b^q = \log(ab); lalu eksponenkan. (Jika ab=0ab = 0 ketaksamaannya trivial.) Kesamaannya terjadi jika dan hanya jika ap=bqa^p = b^q.

2. Kita boleh menganggap ∥x∥p=∥y∥q=1\norm x_p = \norm y_q = 1 (lewat kehomogenannya; kasus nolnya trivial). Maka

∣⟨x,y⟩∣≤∑n∣xn∣∣yn∣≤∑n(∣xn∣pp+∣yn∣qq)=1p+1q=1=∥x∥p∥y∥q.\abs{\langle x, y\rangle} \leq \sum_n\abs{x_n}\abs{y_n} \leq \sum_n\Bigl(\frac{\abs{x_n}^p}p + \frac{\abs{y_n}^q}q\Bigr) = \frac1p + \frac1q = 1 = \norm x_p\norm y_q .

Kesamaannya menuntut ∣xn∣p=∣yn∣q\abs{x_n}^p = \abs{y_n}^q untuk setiap nn (yakni kasus kesamaan Young) beserta kesejajaran fasa xnynx_ny_n.

3. ∣xn+yn∣p≤(∣xn∣+∣yn∣)∣xn+yn∣p−1\abs{x_n + y_n}^p \leq \bigl(\abs{x_n} + \abs{y_n}\bigr)\abs{x_n + y_n}^{p-1}; lalu menjumlahkannya dan menerapkan Hölder (pp terhadap qq, dengan mencatat (p−1)q=p(p - 1)q = p):

∥x+y∥pp≤(∥x∥p+∥y∥p) (∑n∣xn+yn∣p)1/q=(∥x∥p+∥y∥p) ∥x+y∥pp/q;\norm{x + y}_p^p \leq \bigl(\norm x_p + \norm y_p\bigr)\,\Bigl(\sum_n\abs{x_n + y_n}^{p}\Bigr)^{1/q} = \bigl(\norm x_p + \norm y_p\bigr)\,\norm{x+y}_p^{p/q};

jika ∥x+y∥p≠0\norm{x + y}_p \neq 0 (kalau nol maka trivial), bagilah dengan ∥x+y∥pp/q\norm{x+y}_p^{p/q} lalu pakai p−pq=1p - \frac pq = 1. (Keberhinggaan ∥x+y∥p\norm{x+y}_p lebih dahulu: ∣xn+yn∣p≤2p(∣xn∣p+∣yn∣p)\abs{x_n+y_n}^p \leq 2^p(\abs{x_n}^p + \abs{y_n}^p).)

4. Kelengkapannya: seperti untuk ℓ1\ell^1 (Latihan 8.3), lewat limit koordinat demi koordinat ditambah batas ekor seragam ∑n≤N∣xn(k)−xn(l)∣p≤εp\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n}^p \leq \varepsilon^p, dengan membiarkan ll lalu NN menuju tak hingga. Kepadatan barisan berhingga: ∥x−∑n≤Nxnen∥pp=∑n>N∣xn∣p→0\norm{x - \sum_{n\leq N}x_ne_n}_p^p = \sum_{n > N}\abs{x_n}^p \to 0.

5. Hölder memberikan ∣Λy(x)∣≤∥x∥p∥y∥q\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_p\norm y_q: jadi ∥Λy∥≤∥y∥q\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_q. Untuk mengujinya: misalkan xn(N)=∣yn∣q−1sign⁡‾(yn)x^{(N)}_n = \abs{y_n}^{q-1}\overline{\operatorname{sign}}(y_n) untuk n≤Nn \leq N dan 00 selebihnya (dengan sign⁡\operatorname{sign} berupa fasa unimodularnya, sehingga xnyn=∣yn∣qx_ny_n = \abs{y_n}^q). Maka Λy(x(N))=∑n≤N∣yn∣q\Lambda_y(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q dan ∥x(N)∥p=(∑n≤N∣yn∣q)1/p\norm{x^{(N)}}_p = \bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^{q}\bigr)^{1/p} (sebab (q−1)p=q(q-1)p = q), sehingga

∥Λy∥≥(∑n≤N∣yn∣q)1−1/p→N→∞∥y∥q.\norm{\Lambda_y} \geq \Bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q\Bigr)^{1 - 1/p} \xrightarrow[N\to\infty]{} \norm y_q .

6. Tetapkan yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n). Dengan vektor uji yang sama, ∑n≤N∣yn∣q=Λ(x(N))≤∥Λ∥ (∑n≤N∣yn∣q)1/p\sum_{n \leq N}\abs{y_n}^q = \Lambda(x^{(N)}) \leq \norm\Lambda\,\bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/p}, sehingga (∑n≤N∣yn∣q)1/q≤∥Λ∥\bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/q} \leq \norm\Lambda untuk setiap NN: jadi y∈ℓqy \in \ell^q dengan ∥y∥q≤∥Λ∥\norm y_q \leq \norm\Lambda. Fungsional Λ\Lambda dan Λy\Lambda_y bersesuaian pada barisan berhingga yang padat (pertanyaan 4): sehingga Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y. Bersama pertanyaan 5, y↦Λyy \mapsto \Lambda_y merupakan isomorfisma isometrik ℓq≅(ℓp)′\ell^q \cong (\ell^p)'.

7. Misalkan ξ∈(ℓp)′′\xi \in (\ell^p)''. Dengan mengomposisikannya dengan isometri ℓq≅(ℓp)′\ell^q \cong (\ell^p)' pada pertanyaan 6, ξ\xi mendefinisikan sebuah unsur (ℓq)′(\ell^q)', yang (menurut pertanyaan 6 dengan p,qp, q ditukar) berupa Λz\Lambda_z untuk z∈ℓpz \in \ell^p yang tunggal: jadi untuk setiap y∈ℓqy \in \ell^q, ξ(Λy)=∑nznyn\xi(\Lambda_y) = \sum_nz_ny_n. Di pihak lain J(z)(Λy)=Λy(z)=∑nynznJ(z)(\Lambda_y) = \Lambda_y(z) = \sum_ny_nz_n: yaitu nilai yang sama. Karena setiap unsur (ℓp)′(\ell^p)' berupa suatu Λy\Lambda_y, maka ξ=J(z)\xi = J(z): jadi JJ surjektif — sehingga ℓp\ell^p refleksif.

8. Barisan berhingga yang entrinya rasional (pada bagian real dan imajinernya) bersifat terbilang dan padat di ℓp\ell^p (untuk p<∞p < \infty) dan di c0c_0. Di ℓ∞\ell^\infty: keluarga {1A:A⊆N}\{\mathbf 1_A : A \subseteq \N\} bersifat tak terbilang dengan ∥1A−1B∥∞=1\norm{\mathbf 1_A - \mathbf 1_B}_\infty = 1 untuk A≠BA \neq B; sehingga bola B(1A,12)B(\mathbf 1_A, \frac12) saling lepas berpasangan, dan himpunan padat harus memotong masing-masingnya: jadi tak ada himpunan padat yang terbilang.

9. Seandainya ℓ1\ell^1 refleksif, maka (ℓ∞)′≅((ℓ1)′)′=J(ℓ1)(\ell^\infty)' \cong ((\ell^1)')' = J(\ell^1) akan separabel (sebagai peta isometrik dari ℓ1\ell^1 yang separabel); lalu menurut Latihan 8.10, keseparabelan dual (ℓ∞)′(\ell^\infty)' akan memaksa ℓ∞\ell^\infty separabel — dan itu bertentangan dengan pertanyaan 8. Jadi ℓ1\ell^1 tidak refleksif (dan (ℓ∞)′(\ell^\infty)' sungguh lebih besar daripada ℓ1\ell^1, seperti dikonkretkan pertanyaan 11).

10. Kehomogenan pp jelas; sedangkan keaditifan bawahnya: rata-rata bersifat linear, dan lim sup⁡(un+vn)≤lim sup⁡un+lim sup⁡vn\limsup(u_n + v_n) \leq \limsup u_n + \limsup v_n. Pada cc: rata-rata Cesàro sebuah barisan konvergen konvergen ke limitnya, sehingga p(x)=lim⁡x=LIM(x)p(x) = \lim x = \mathrm{LIM}(x) di sana; khususnya LIM≤p\mathrm{LIM} \leq p pada cc. Lalu Hahn–Banach (Teorema 8.6) memperluas LIM\mathrm{LIM} ke ℓR∞\ell^\infty_\R dengan LIM≤p\mathrm{LIM} \leq p secara global. Kepositifannya: untuk x≥0x \geq 0, −LIM(x)=LIM(−x)≤p(−x)=lim sup⁡rata-rata(−x)≤0-\mathrm{LIM}(x) = \mathrm{LIM}(-x) \leq p(-x) = \limsup\text{rata-rata}(-x) \leq 0. Keinvarianan pergeserannya: rata-rata x−Sxx - Sx berteleskop menjadi x1−xn+1n→0\frac{x_1 - x_{n+1}}n \to 0, sehingga p(±(x−Sx))=0p(\pm(x - Sx)) = 0 dan LIM(x−Sx)=0\mathrm{LIM}(x - Sx) = 0. Batasnya: LIM(x)≤p(x)≤lim sup⁡x\mathrm{LIM}(x) \leq p(x) \leq \limsup x (sebab rata-rata tertinggal di belakang supremumnya), lalu menerapkan hal ini pada −x-x memberikan batas bawahnya.

11. Karena en∈c0e_n \in c_0, maka LIM(en)=0\mathrm{LIM}(e_n) = 0 untuk setiap nn. Jika LIM=Λy\mathrm{LIM} = \Lambda_y dengan y∈ℓ1y \in \ell^1, maka yn=Λy(en)=0y_n = \Lambda_y(e_n) = 0 untuk setiap nn: sehingga Λy=0\Lambda_y = 0; padahal LIM(1)=1\mathrm{LIM}(\mathbf 1) = 1. Jadi LIM∈(ℓ∞)′∖{Λy:y∈ℓ1}\mathrm{LIM} \in (\ell^\infty)' \setminus \{\Lambda_y : y \in \ell^1\}: sekali lagi (ℓ∞)′≠ℓ1(\ell^\infty)' \neq \ell^1.

12. Untuk x=(0,1,0,1,… )x = (0,1,0,1,\dots): x+Sx=1x + Sx = \mathbf 1, sehingga 2 LIM(x)=LIM(x)+LIM(Sx)=12\,\mathrm{LIM}(x) = \mathrm{LIM}(x) + \mathrm{LIM}(Sx) = 1: jadi LIM(x)=12\mathrm{LIM}(x) = \frac12. Seandainya φ\varphi sebuah perluasan limit yang multiplikatif dan invarian terhadap pergeseran: maka x⋅Sx=0x\cdot Sx = 0 memberikan φ(x)φ(Sx)=φ(x)2=0\varphi(x)\varphi(Sx) = \varphi(x)^2 = 0, sehingga φ(x)=0\varphi(x) = 0; padahal φ(x)+φ(Sx)=φ(1)=1\varphi(x) + \varphi(Sx) = \varphi(\mathbf 1) = 1 memberikan 2φ(x)=12\varphi(x) = 1: kontradiksi. Jadi perata-rataan dan perkalian tak dapat hidup berdampingan.

13. Misalkan ∥x(k)∥p≤M\norm{x^{(k)}}_p \leq M. Koordinatnya terbatas oleh MM: sehingga ekstraksi diagonal memberikan subbarisan (yang masih ditulis x(k)x^{(k)}) dengan xn(k)→xnx^{(k)}_n \to x_n untuk setiap nn. Lalu x∈ℓpx \in \ell^p: sebab ∑n≤N∣xn∣p=lim⁡k∑n≤N∣xn(k)∣p≤Mp\sum_{n\leq N}\abs{x_n}^p = \lim_k\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n}^p \leq M^p untuk setiap NN. Kekonvergenan lemahnya: untuk y∈ℓqy \in \ell^q dan NN sembarang,

∣Λy(x(k)−x)∣≤∣∑n≤N(xn(k)−xn)yn∣+2M(∑n>N∣yn∣q)1/q,\abs{\Lambda_y(x^{(k)} - x)} \leq \Bigl|\sum_{n \leq N}(x^{(k)}_n - x_n)y_n\Bigr| + 2M\Bigl(\sum_{n>N}\abs{y_n}^q\Bigr)^{1/q},

dengan suku pertamanya menuju 00 ketika k→∞k \to \infty (sebab koordinatnya berhingga banyak) dan suku keduanya kecil untuk NN besar (lewat Hölder pada ekornya): jadi Λy(x(k))→Λy(x)\Lambda_y(x^{(k)}) \to \Lambda_y(x) untuk setiap yy — yakni kekonvergenan lemah, sebab setiap fungsionalnya berupa Λy\Lambda_y (pertanyaan 6). Di ℓ1\ell^1 hal ini gagal: tinjaulah (en)(e_n) yang terbatas. Setiap subbarisan (enk)(e_{n_k}) konvergen koordinat demi koordinat ke 00, sehingga satu-satunya calon limit lemahnya adalah 00; padahal menguji terhadap y∈ℓ∞y \in \ell^\infty yang didefinisikan oleh ynk=(−1)ky_{n_k} = (-1)^k (dan 00 selebihnya) memberikan Λy(enk)=(−1)k\Lambda_y(e_{n_k}) = (-1)^k yang divergen. Jadi tak ada subbarisan yang konvergen lemah: sehingga kekompakan barisan secara lemah pada bolanya mencirikan dunia yang refleksif.

14. Untuk y∈ℓ1y \in \ell^1, Λy(x)=∑xnyn\Lambda_y(x) = \sum x_ny_n terdefinisi pada c0c_0 dengan ∣Λy(x)∣≤∥x∥∞∥y∥1\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_\infty\norm y_1, dan mengujinya pada x(N)=(sign⁡y1,…,sign⁡yN,0,… )∈c0x^{(N)} = (\operatorname{sign}y_1, \dots, \operatorname{sign}y_N, 0, \dots) \in c_0 memberikan Λy(x(N))=∑n≤N∣yn∣→∥y∥1\Lambda_y(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n} \to \norm y_1: jadi ∥Λy∥=∥y∥1\norm{\Lambda_y} = \norm y_1. Sebaliknya, untuk Λ∈(c0)′\Lambda \in (c_0)' tetapkan yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n); maka uji yang sama memberikan ∑n≤N∣yn∣=Λ(x(N))≤∥Λ∥\sum_{n \leq N}\abs{y_n} = \Lambda(x^{(N)}) \leq \norm\Lambda, sehingga y∈ℓ1y \in \ell^1, dan Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y pada barisan berhingga yang padat, jadi di mana-mana. Rantai dualnya: (c0)′=ℓ1(c_0)' = \ell^1, (ℓ1)′=ℓ∞(\ell^1)' = \ell^\infty (Latihan 8.10), dan (ℓ∞)′⊋ℓ1(\ell^\infty)' \supsetneq \ell^1 (pertanyaan 9–11): jadi kerefleksifannya gagal sejak langkah pertama — sebab c0′′=ℓ∞≠c0c_0'' = \ell^\infty \neq c_0 — dan tak pernah pulih.

15. Keluarga Jx(k)∈E′′=(E′)′J x^{(k)} \in E'' = (E')' berisi fungsional terbatas pada ruang Banach E′E' (sebab dual selalu lengkap, Proposisi 8.2); dan untuk setiap Λ∈E′\Lambda \in E', barisan Jx(k)(Λ)=Λ(x(k))Jx^{(k)}(\Lambda) = \Lambda(x^{(k)}) konvergen, sehingga terbatas. Lalu Banach–Steinhaus pada E′E' memberikan sup⁡k∥Jx(k)∥<∞\sup_k\norm{Jx^{(k)}} < \infty, dan JJ bersifat isometrik (Catatan 8.8): jadi sup⁡k∥x(k)∥<∞\sup_k\norm{x^{(k)}} < \infty.

16. (⇒\Rightarrow) Keterbatasannya adalah pertanyaan 15; sedangkan koordinatnya berupa fungsional Λen\Lambda_{e_n}. (⇐\Leftarrow) Misalkan M=sup⁡k∥x(k)∥pM = \sup_k\norm{x^{(k)}}_p, y∈ℓqy \in \ell^q, dan ε>0\varepsilon > 0; pilihlah NN dengan (∑n>N∣yn∣q)1/q<ε\bigl(\sum_{n>N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/q} < \varepsilon. Maka

∣Λy(x(k)−x)∣≤∑n≤N∣xn(k)−xn∣ ∣yn∣+∥x(k)−x∥p ε≤∑n≤N∣xn(k)−xn∣∣yn∣+(M+∥x∥p) ε,\abs{\Lambda_y(x^{(k)} - x)} \leq \sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n - x_n}\,\abs{y_n} + \norm{x^{(k)} - x}_p\,\varepsilon \leq \sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n - x_n}\abs{y_n} + (M + \norm x_p)\,\varepsilon,

dan jumlah berhingganya menuju 00: sehingga lim sup⁡≤(M+∥x∥p)ε\limsup \leq (M + \norm x_p)\varepsilon untuk setiap ε\varepsilon. (Bahwa x∈ℓpx \in \ell^p dengan ∥x∥p≤M\norm x_p \leq M menyusul dari batas penggalan berhingga bergaya Fatou: ∑n≤N∣xn∣p=lim⁡k∑n≤N∣xn(k)∣p≤Mp\sum_{n \leq N}\abs{x_n}^p = \lim_k\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n}^p \leq M^p.) Untuk eke_k di ℓ2\ell^2: terbatas dan koordinatnya →0\to 0, sehingga ek⇀0e_k \rightharpoonup 0, padahal ∥ek∥=1\norm{e_k} = 1: jadi satu satuan massanya lolos ke indeks tak berhingga, tak terlihat oleh fungsional mana pun yang tetap.

17. Ambil Λ\Lambda dengan ∥Λ∥=1\norm\Lambda = 1 dan Λ(x)=∥x∥\Lambda(x) = \norm x (Akibat 8.7). Maka ∥x∥=lim⁡Λ(x(k))≤lim inf⁡∥Λ∥ ∥x(k)∥=lim inf⁡∥x(k)∥\norm x = \lim\Lambda(x^{(k)}) \leq \liminf\norm\Lambda\,\norm{x^{(k)}} = \liminf\norm{x^{(k)}}. (Dengan ek⇀0e_k \rightharpoonup 0: 0≤lim inf⁡10 \leq \liminf 1, dan ketaksamaannya dapat sejati.)

18. Di ℓ2\ell^2, ∥x(k)−x∥22=∥x(k)∥22−2Re⁡⟨x(k),x⟩+∥x∥22\norm{x^{(k)} - x}_2^2 = \norm{x^{(k)}}_2^2 - 2\operatorname{Re}\langle x^{(k)}, x\rangle + \norm x_2^2 (pada kasus realnya: −2⟨x(k),x⟩-2\langle x^{(k)}, x\rangle). Kekonvergenan lemah yang diterapkan pada fungsional Λx\Lambda_x memberikan ⟨x(k),x⟩→∥x∥22\langle x^{(k)}, x\rangle \to \norm x_2^2, sedangkan normanya konvergen menurut hipotesis: sehingga ruas kanannya menuju ∥x∥2−2∥x∥2+∥x∥2=0\norm x^2 - 2\norm x^2 + \norm x^2 = 0. Contoh penyangkal tanpa kekonvergenan normanya: ek⇀0e_k \rightharpoonup 0 dengan ∥ek−0∥=1↛0\norm{e_k - 0} = 1 \not\to 0.

19. Kekonvergenan koordinatnya: terapkan fungsional Λen∈(ℓ1)′=ℓ∞\Lambda_{e_n} \in (\ell^1)' = \ell^\infty (dengan y=eny = e_n). Konstruksinya: setelah kj−1,Nj−1k_{j-1}, N_{j-1} dipilih, ambillah kj>kj−1k_j > k_{j-1} sedemikian besar sehingga ∑n≤Nj−1∣xn(kj)∣<δ20\sum_{n \leq N_{j-1}}\abs{x^{(k_j)}_n} < \frac\delta{20} (sebab koordinatnya berhingga banyak dan masing-masing →0\to 0), lalu Nj>Nj−1N_j > N_{j-1} sedemikian besar sehingga ekornya memenuhi ∑n>Nj∣xn(kj)∣<δ20\sum_{n > N_j}\abs{x^{(k_j)}_n} < \frac\delta{20} (menurut kekonvergenan deret yang mendefinisikan ∥x(kj)∥1\norm{x^{(k_j)}}_1). Blok Bj=(Nj−1, Nj]B_j = \intoc{N_{j-1}}{N_j} lalu membawa segalanya kecuali δ10\frac\delta{10} dari massa x(kj)x^{(k_j)}.

20. Dengan yy seperti didefinisikan (sehingga ∣yn∣≤1\abs{y_n} \leq 1 di mana-mana):

⟨x(kj),y⟩=∑n∈Bj∣xn(kj)∣+∑n∉Bjxn(kj)yn≥(∥x(kj)∥1−δ10)−δ10≥δ−2δ10=4δ5>0,\langle x^{(k_j)}, y\rangle = \sum_{n \in B_j}\abs{x^{(k_j)}_n} + \sum_{n \notin B_j}x^{(k_j)}_ny_n \geq \Bigl(\norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac\delta{10}\Bigr) - \frac\delta{10} \geq \delta - \frac{2\delta}{10} = \frac{4\delta}5 > 0,

dengan ketaksamaan di tengahnya karena massa di luar bloknya paling banyak δ10\frac\delta{10} (pertanyaan 19). Padahal y∈ℓ∞=(ℓ1)′y \in \ell^\infty = (\ell^1)' dan x(k)⇀0x^{(k)} \rightharpoonup 0 memaksa ⟨x(kj),y⟩→0\langle x^{(k_j)}, y\rangle \to 0: kontradiksi. Karena itu barisan ℓ1\ell^1 yang nol secara lemah juga nol dalam norma, dan lewat translasi barisan yang konvergen lemah akan konvergen dalam norma: itulah teorema Schur.

21. Subbarisan (ek)(e_k) yang konvergen lemah akan berlimit 00 (menurut koordinatnya), sehingga menurut Schur ∥ekj∥1→0\norm{e_{k_j}}_1 \to 0 — padahal normanya 11. Jadi tak ada subbarisan yang konvergen lemah, seperti ditemukan dengan tangan pada pertanyaan 13. Tak ada paradoks: Schur mengatakan bahwa barisan tak dapat membedakan topologi lemah dari topologi norma di ℓ1\ell^1 (sedangkan topologinya sendiri memang berbeda — persekitaran lemahnya tak pernah terbatas normanya), dan kekompakan barisan secara lemah pada bola satuannya merupakan sifat lain yang lebih kuat, yang setara dengan kerefleksifan (Eberlein–Šmulian, yang melampaui perkakas kita; kegagalannya, setidaknya, sudah kita buktikan).

22. Sensusnya.

EEE′E'sep.refl.bola kompak barisan lemah
c0c_0ℓ1\ell^1yatidaktidak (e1+…+eke_1{+}\dots{+}e_k)
ℓ1\ell^1ℓ∞\ell^\inftyyatidaktidak (eke_k, p. 21)
ℓp\ell^pℓq\ell^qyayaya (p. 13)
ℓ∞\ell^\infty⊋ℓ1\supsetneq\ell^1tidaktidaktidak

Ciri khasnya: c0c_0 — bidualnya ℓ∞\ell^\infty, yakni langkah tak refleksif yang pertama (pertanyaan 14); ℓ1\ell^1 — sifat Schur (pertanyaan 20); ℓp\ell^p — kerefleksifan dan kekompakan lemah (pertanyaan 7 dan 13); ℓ∞\ell^\infty — ketakseparabelan dan limit Banach: yakni fungsional yang tak dapat diwakili barisan mana pun (pertanyaan 8 dan 10–11). Satu keluarga ruang, empat dunia yang berbeda.

23. Misalkan (fk)⊆F(f_k) \subseteq F dengan ∥x−fk∥→d\norm{x - f_k} \to d. Maka ∥fk∥≤∥x∥+sup⁡k∥x−fk∥\norm{f_k} \leq \norm x + \sup_k\norm{x - f_k}: jadi terbatas, sehingga menurut pertanyaan 13 ada subbarisan fkj⇀ff_{k_j} \rightharpoonup f. Jika f∉Ff \notin F, maka δ=dist⁡(f,F)>0\delta = \operatorname{dist}(f, F) > 0 (sebab FF tertutup); lalu pada F⊕RfF \oplus \R f bentuk linear λ(g+tf)=t\lambda(g + tf) = t memenuhi ∣λ(u)∣≤∥u∥/δ\abs{\lambda(u)} \leq \norm u/\delta (sebab ∥g+tf∥≥∣t∣ δ\norm{g + tf} \geq \abs t\,\delta), dan Hahn–Banach memperluasnya menjadi Λ∈(ℓp)′\Lambda \in (\ell^p)' dengan Λ↾F=0\Lambda\restriction_F = 0 dan Λ(f)=1\Lambda(f) = 1; tetapi lalu 0=Λ(fkj)→Λ(f)=10 = \Lambda(f_{k_j}) \to \Lambda(f) = 1: kontradiksi. Jadi f∈Ff \in F, dan x−fkj⇀x−fx - f_{k_j} \rightharpoonup x - f memberikan, menurut pertanyaan 17,

d≤∥x−f∥≤lim inf⁡j ∥x−fkj∥=d:d \leq \norm{x - f} \leq \liminf_j\,\norm{x - f_{k_j}} = d :

jadi jaraknya tercapai di ff. Di c0c_0: ∣Λ(x)∣≤∑n2−n∣xn∣<∥x∥∞\abs{\Lambda(x)} \leq \sum_n2^{-n}\abs{x_n} < \norm x_\infty untuk setiap x≠0x \neq 0 (sebab barisan nol yang tak nol tak mungkin memenuhi ∣xn∣=∥x∥∞\abs{x_n} = \norm x_\infty untuk setiap nn), sedangkan pemenggalan (1,…,1,0,… )(1, \dots, 1, 0, \dots) memberikan Λ=1−2−N→1\Lambda = 1 - 2^{-N} \to 1: jadi ∥Λ∥=1\norm\Lambda = 1, yang tak pernah tercapai. Rumus jaraknya: untuk f∈ker⁡Λf \in \ker\Lambda, ∣Λ(x)∣=∣Λ(x−f)∣≤∥x−f∥\abs{\Lambda(x)} = \abs{\Lambda(x - f)} \leq \norm{x - f}, sehingga dist⁡(x,ker⁡Λ)≥∣Λ(x)∣\operatorname{dist}(x, \ker\Lambda) \geq \abs{\Lambda(x)}; sebaliknya, untuk uu di bola satuannya dengan Λ(u)≥1−ε\Lambda(u) \geq 1 - \varepsilon, vektor f=x−Λ(x)Λ(u)uf = x - \frac{\Lambda(x)}{\Lambda(u)}u terletak di ker⁡Λ\ker\Lambda dengan ∥x−f∥≤∣Λ(x)∣1−ε\norm{x - f} \leq \frac{\abs{\Lambda(x)}}{1 - \varepsilon}: jadi kesamaan. Seandainya suatu f∈ker⁡Λf \in \ker\Lambda mencapainya, maka z=x−fz = x - f akan memenuhi ∣Λ(z)∣=∣Λ(x)∣=∥z∥≠0\abs{\Lambda(z)} = \abs{\Lambda(x)} = \norm z \neq 0, sehingga Λ\Lambda akan mencapai normanya di z/∥z∥z/\norm z: mustahil. Jadi ada hiperbidang tertutup c0c_0 yang tak punya titik terdekat di mana pun — sehingga kerefleksifan bukanlah hiasan.

24. Tetapkan y1=x(1)y_1 = x^{(1)}. Diberikan y1,…,yjy_1, \dots, y_j, setiap pemetaan k↦⟨yi,x(k)⟩k \mapsto \langle y_i, x^{(k)}\rangle menuju 00 (sebab yi∈ℓ2=(ℓ2)′y_i \in \ell^2 = (\ell^2)'), sehingga ada kj+1k_{j+1} melewati indeks sebelumnya dengan ∣⟨yi,x(kj+1)⟩∣≤1j+1\abs{\langle y_i, x^{(k_{j+1})}\rangle} \leq \frac1{j+1} untuk i=1,…,ji = 1, \dots, j; sebutlah pilihan itu yj+1y_{j+1}. Maka

∥∑j=1myj∥22=∑j=1m∥yj∥22+2∑j=2m∑i<j⟨yi,yj⟩≤mC2+2∑j=2mj−1j≤mC2+2m,\Bigl\lVert\sum_{j=1}^my_j\Bigr\rVert_2^2 = \sum_{j=1}^m\norm{y_j}_2^2 + 2\sum_{j=2}^m\sum_{i<j}\langle y_i, y_j\rangle \leq mC^2 + 2\sum_{j=2}^m\frac{j-1}j \leq mC^2 + 2m,

lalu dengan membaginya dengan m2m^2: ∥1m∑jyj∥22≤C2+2m→0\norm{\frac1m\sum_jy_j}_2^2 \leq \frac{C^2 + 2}m \to 0. (Untuk limit lemah x≠0x \neq 0, terapkan hal ini pada x(k)−xx^{(k)} - x.) Pada (ek)(e_k) yang ortonormal bahkan tak perlu ekstraksi: ∥1m(e1+⋯+em)∥2=mm=1m\norm{\frac1m(e_1 + \dots + e_m)}_2 = \frac{\sqrt m}m = \frac1{\sqrt m}. Jadi rata-ratanya mengubah kekonvergenan lemah menjadi kekonvergenan norma: itulah sifat Banach–Saks pada ℓ2\ell^2.

25. Karena Amx=1m∑i=0m−1SixA_mx = \frac1m\sum_{i=0}^{m-1}S^ix, maka kelinearan dan keinvarianan pergeserannya memberikan L(Amx)=L(x)L(A_mx) = L(x). Untuk sembarang uu yang terbatas dan ε>0\varepsilon > 0, pilihlah NN dengan un≤lim sup⁡u+εu_n \leq \limsup u + \varepsilon untuk n≥Nn \geq N; lalu kepositifan yang diterapkan pada (lim sup⁡u+ε)1−SNu≥0(\limsup u + \varepsilon)\mathbf 1 - S^Nu \geq 0 beserta L(SNu)=L(u)L(S^Nu) = L(u) memberikan L(u)≤lim sup⁡u+εL(u) \leq \limsup u + \varepsilon, dan secara simetris L(u)≥lim inf⁡u−εL(u) \geq \liminf u - \varepsilon: sehingga lim inf⁡Amx≤L(x)≤lim sup⁡Amx\liminf A_mx \leq L(x) \leq \limsup A_mx untuk setiap mm. Jika xx berperiode TT, maka ATxA_Tx berupa barisan konstan yang sama dengan rata-rata periodenya μ\mu: jadi L(x)=μL(x) = \mu untuk setiap limit Banach — yakni 13\frac13 pada (1,0,0,… )(1,0,0,\dots) dan 12\frac12 pada (0,1,0,1,… )(0,1,0,1,\dots) seperti pada pertanyaan 12. Untuk barisan bloknya: di N=3jN = 3^j dengan jj genap blok terakhirnya seluruhnya satu, sehingga rata-rata Cesàronya ≥3j−3j−13j=23\geq \frac{3^j - 3^{j-1}}{3^j} = \frac23; sedangkan di N=3jN = 3^j dengan jj ganjil semua angka satunya duduk di (0, 3j−1]\intoc0 {3^{j-1}}, sehingga rata-ratanya ≤13\leq \frac13. Karena itu p(x)≥23p(x) \geq \frac23 dan −p(−x)=lim inf⁡nx1+⋯+xnn≤13-p(-x) = \liminf_n\frac{x_1 + \dots + x_n}n \leq \frac13. Pada M=c⊕RxM = c \oplus \R x definisikan Λ+(y+tx)=lim⁡y+t p(x)\Lambda_+(y + tx) = \lim y + t\,p(x). Dominasinya oleh pp: untuk t>0t > 0, kesublinearannya memberikan p(tx)≤p(y+tx)+p(−y)p(tx) \leq p(y + tx) + p(-y), yakni p(y+tx)≥t p(x)+lim⁡yp(y + tx) \geq t\,p(x) + \lim y (perhatikan p(±y)=±lim⁡yp(\pm y) = \pm\lim y untuk y∈cy \in c: sebab rata-rata Cesàro barisan konvergen konvergen ke limitnya); untuk t=−s<0t = -s < 0, p(y)≤p(y−sx)+p(sx)p(y) \leq p(y - sx) + p(sx) memberikan p(y−sx)≥lim⁡y−s p(x)p(y - sx) \geq \lim y - s\,p(x); sedangkan untuk t=0t = 0 terjadi kesamaan. Jadi Λ+≤p\Lambda_+ \leq p pada MM, dan Hahn–Banach memperluasnya menjadi L+≤pL_+ \leq p pada ℓR∞\ell^\infty_\R, yang merupakan limit Banach persis seperti pada pertanyaan 10 (sebab dominasi oleh pp melahirkan kepositifan, keinvarianan pergeseran, dan nilai lim⁡\lim pada cc), dengan L+(x)=p(x)≥23L_+(x) = p(x) \geq \frac23. Perhitungan yang sama dengan Λ−(y+tx)=lim⁡y−t p(−x)\Lambda_-(y + tx) = \lim y - t\,p(-x) (memakai p(−sx)≤p(y−sx)+p(−y)p(-sx) \leq p(y - sx) + p(-y) untuk kasus t=−s<0t = -s < 0) melahirkan limit Banach L−L_- dengan L−(x)=−p(−x)≤13L_-(x) = -p(-x) \leq \frac13. Dua limit Banach, satu barisan, dua nilai: jadi di luar dunia periodik (dan, lebih umum, dunia yang hampir konvergen), sebuah limit Banach merupakan pilihan yang sesungguhnya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium