Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Bachelor Year 3
8Banachruimten en de fundamentele stellingen
De functionaalanalyse bestudeert oneindigdimensionale genormeerde ruimten via de operatoren en functionalen die erop leven. Haar stichtende ontdekking is dat volledigheid, via de stelling van Baire, sterke uniformiteit afdwingt: puntsgewijs begrensde families operatoren zijn begrensd in norm (Banach–Steinhaus), continue bijecties hebben continue inversen (de open afbeelding), en grafieken sporen continuïteit op (de gesloten grafiek). De andere pijler, Hahn–Banach, heeft helemaal geen volledigheid nodig — alleen het lemma van Zorn — en garandeert dat duale ruimten rijk genoeg zijn om elke vector te zien. Dit hoofdstuk bewijst alle vier de stellingen en toetst ze aan de klassieke rijruimten , aan concrete berekeningen van duale ruimten, en aan een werkelijk verrassende toepassing: er bestaan continue -periodieke functies waarvan de fourierreeks in een punt divergeert — waarmee een vraag die bachelorjaar 2 openliet ontkennend wordt beslecht.
Overal zijn genormeerde ruimten over of ; en banachruimte betekent volledige genormeerde ruimte.
8.1 Begrensde operatoren; rijruimten
Definitie 8.1
noteert de ruimte van de begrensde (= continue, bachelorjaar 2) lineaire afbeeldingen, met de operatornorm ; die is submultiplicatief: . De duale ruimte is .
Propositie 8.2
Is een banachruimte, dan ook ; in het bijzonder is altijd een banachruimte.
Bewijs. Zij Cauchy voor . Voor elke is : dus is Cauchy in en convergent; noem de limiet . is lineair (limieten van lineaire identiteiten); en overgaan tot de limiet in (voor ) geeft : dus in operatornorm, en . ∎
Definitie 8.3
De klassieke rijruimten (over , geïndexeerd door ):
en met . Dat een norm is, volgt uit de ongelijkheid van Minkowski, in het discrete geval precies zo bewezen als in Hoofdstuk 12 (of door de eindigdimensionale ongelijkheid uit bachelorjaar 2 te sommeren). Alle zijn banachruimten, en is een gesloten deelruimte van (Oefening 8.3).
Propositie 8.4 (Neumannreeks)
Zij een banachruimte en met . Dan is inverteerbaar in , met (convergent in operatornorm). Bijgevolg is de verzameling inverteerbare operatoren open, en is het inverteren erop continu.
Bewijs. De reeks convergeert absoluut (, meetkundig) in de banachruimte (Propositie 8.2; Oefening 7.1(b)). Telescoperen geeft , en net zo aan de andere kant. Voor de openheid: is inverteerbaar en , dan is met : inverteerbaar. Continuïteit van het inverteren: de reeksuitdrukking geeft lokaal . ∎
Voorbeeld 8.5 (Een vergelijking van Volterra, met Neumann opgelost)
Beschouw op de integraalvergelijking
Hier is , dus voor is de Neumannreeks rechtstreeks van toepassing: . Berekenen geeft , dus
zoals differentiëren bevestigt. Sterker nog: (de herhaalde kern krimpt faculteitsgewijs), zodat voor elke convergeert — de operator is inverteerbaar voor alle , ook al is vanaf zeker moment: wat telt is het spectrale afnemen van de machten, niet de eerste norm. Volterra-operatoren dragen dat faculteitsgewijze afnemen in zich (Oefening 7.4(a) buitte precies dat uit), en daarom kennen beginwaardeproblemen nooit de resonantieverschijnselen van randwaardeproblemen (Hoofdstuk 15).
8.2 Hahn–Banach
Stelling 8.6 (Hahn–Banach, analytische vorm)
Zij een reële vectorruimte, sublineair ( en voor ), een deelruimte en lineair met op . Dan zet zich voort tot een lineaire met op .
Bewijs. Voortzetting in één stap. Zij ; we zetten voort tot door goed te kiezen: we hebben nodig, voor alle en ,
wat na deling door (sublineariteit) neerkomt op
Zo’n bestaat precies wanneer elk linkerlid elk rechterlid is: en inderdaad is , dat wil zeggen .
Zorn. Orden de voortzettingen van die door gedomineerd worden (paren: deelruimte, functionaal) naar voortzetting; een keten heeft de vereniging als bovengrens; en een maximaal element moet op heel gedefinieerd zijn, want anders spreekt de voortzetting in één stap de maximaliteit tegen. ∎
Gevolg 8.7
Zij een genormeerde ruimte ( of ).
- Elke (met een deelruimte) zet zich voort tot een met .
- Voor elke is er een met en . In het bijzonder scheidt de punten van , en is .
- Voor een gesloten deelruimte en is er een die op verdwijnt, met en .
Bewijs. (1) Reëel geval: pas Stelling 8.6 toe met (sublineair); de voortzetting voldoet aan , dus , en is de beperking. Complex geval: zij , een reële functionaal met ; merk op dat (controleer op reëel en imaginair deel: ). Zet reëel-lineair voort met dezelfde grens, en stel : die is -lineair (rechtstreeks na te gaan op vermenigvuldiging met ) en zet voort; norm: schrijf voor gegeven de waarde , dan is .
(2) Definieer op : , van norm op ; zet voort met (1). De dualiteitsformule: is duidelijk, en volgt uit deze .
(3) Definieer op : ; dan is voor , dus op die deelruimte; zet voort met (1). ∎
Opmerking 8.8
Volgens (2) is de kanonieke afbeelding , , een isometrie (Oefening 8.10): elke genormeerde ruimte zit in haar biduale ruimte. Ruimten waarvoor surjectief is, heten reflexief; de weekendopgave toont aan dat () reflexief is en niet.
8.3 De trilogie van Baire
Stelling 8.9 (Banach–Steinhaus, uniforme begrensdheid)
Zij een banachruimte, genormeerd, en een familie met voor elke . Dan is .
Bewijs. De verzamelingen zijn gesloten (doorsneden van originelen van gesloten ballen) en overdekken . Baire (Stelling 7.6) geeft een en een bal . Voor is , dus voor elke . ∎
Gevolg 8.10
Is een banachruimte en convergeren puntsgewijs ( voor elke ), dan is , en .
Bewijs. Convergente rijen zijn begrensd: puntsgewijze begrensdheid; Banach–Steinhaus begrenst de normen door zekere ; en dan is ( is lineair als puntsgewijze limiet), en de scherpere grens volgt door in tot de over te gaan. ∎
Stelling 8.11 (Divergente fourierreeksen)
Er bestaan continue -periodieke functies waarvan de fourierreeks in divergeert: . Zulke vormen zelfs een dichte deelverzameling van .
Bewijs. Werk in , een banachruimte, met de functionalen (de dirichletkern, bachelorjaar 2). Elke is continu met
( is duidelijk; : neem een continue met die benadert — het teken heeft eindig veel sprongen, en elke sprong afvlakken over een interval van lengte verandert de integraal met .) De lebesgueconstanten gaan naar oneindig:
(met op , en daarna de substitutie ). Snijden in bogen:
Had elke continue dat , dan dwong Banach–Steinhaus af dat : tegenspraak. Dus heeft een zekere — zelfs een niet-magere, dichte verzameling (het complement van , een aftelbare vereniging gesloten verzamelingen die wegens het bovenstaande, toegepast in elke bal, geen inwendige hebben en dus mager is) — dat . ∎
Stelling 8.12 (Open afbeelding)
Zij banachruimten en surjectief. Dan is open: voor zekere . Bijgevolg heeft een bijectieve begrensde operator tussen banachruimten een begrensde inverse.
Bewijs. Schrijf . De surjectiviteit geeft ; Baire (Stelling 7.6) geeft een inwendige: een zekere . Hercentreer in : voor zijn zowel als limieten van beelden respectievelijk met , dus met : dus , oftewel .
De afsluiting weghalen (hier komt de volledigheid van binnen): zij . Kies met (, met geschaald); inductief met . De reeks convergeert absoluut in de banachruimte , naar een (norm ), en wegens de continuïteit: dus . De openheid van op willekeurige open verzamelingen volgt door translatie en schaling; en voor het gevolg: dat open is, betekent dat continu is. ∎
Gevolg 8.13 (Gelijkwaardige normen)
Is een vectorruimte volledig voor twee vergelijkbare normen (), dan zijn de normen gelijkwaardig.
Bewijs. De identiteit is begrensd en bijectief tussen banachruimten: haar inverse is begrensd. ∎
Stelling 8.14 (Gesloten grafiek)
Zij banachruimten en lineair. Is de grafiek gesloten in (dat wil zeggen: uit en volgt ), dan is begrensd.
Bewijs. met is een banachruimte; , een gesloten deelruimte, is er ook een. De projectie is begrensd en bijectief, dus is haar inverse begrensd (Stelling 8.12): . ∎
Methode 8.15
Wanneer welke stelling. Hahn–Banach: om een functionaal met voorgeschreven gedrag te maken (een vector normeren, op een deelruimte verdwijnen, vanaf een deelruimte voortzetten) — geen volledigheid nodig. Banach–Steinhaus: om puntsgewijze informatie in uniforme grenzen om te zetten — meestal om te tonen dat een limietbewerking continu is, of (contrapositief) om divergentie voor een element te bewijzen, zoals bij de fourierreeksen. Open afbeelding / gesloten grafiek: om continuïteit gratis te krijgen uit algebraïsche bijectiviteit of uit een afsluitingseigenschap van de grafiek — typisch gebruik: twee volledige normen vergelijken, of automatische continuïteit bewijzen. Alle drie de bairestellingen vergen volledigheid van het vertrekpunt; anders zijn er tegenvoorbeelden (Oefening 8.7).
8.4 Duale ruimten, concreet
Stelling 8.16
Isometrisch geldt: en , via de paring .
Bewijs. We bewijzen ; de tweede identificatie is Oefening 8.5. Ken aan de functionaal toe (voor ): absoluut convergent, met , dus . Zij omgekeerd ; stel (met de eenheidsrijen). Toets voor elke op (norm ; gebruik in het complexe geval de factoren van modulus ): . Dus met . Ten slotte is : beide vallen samen op de en dus op de eindige rijen, die dicht liggen in (afknotten: , juist omdat ); en continue functionalen die op een dichte verzameling samenvallen, zijn gelijk. De correspondentie is lineair, bijectief en isometrisch ( uit de twee ongelijkheden). ∎
8.5 Oefeningen
Oefening 8.1 ★
Bereken de operatornormen: (a) van de verschuivingen en op ; (b) van de vermenigvuldigingsoperator op , voor ; (c) van de functionaal op — toon aan dat en dat de norm niet bereikt wordt.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.1.
(a) : is een isometrie, dus . Voor de achterwaartse verschuiving is , met gelijkheid voor : .
(b) ; en toetsen op geeft voor elke : .
(c) , dus . Zij voor de functie gelijk aan op , aan op , en affien daartussen: dan is en , dus . Niet bereikt: uit met volgt en , dat wil zeggen (continuïteit en ) op en op : tegenspraak in .
Oefening 8.2 ★
Zij een banachruimte, inverteerbaar, en met . Toon aan dat inverteerbaar is en schat . Toepassing: is een lineair stelsel oplosbaar met inverteerbaar, dan blijft het bij een voldoende kleine verstoring van eenduidig oplosbaar, met een kwantitatieve grens op de verandering van de oplossing.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.2.
Schrijf met : volgens Propositie 8.4 is inverteerbaar met , waaruit
Voor het lineaire stelsel: en verschillen hoogstens die grens maal — kleine verstoringen van een inverteerbaar stelsel blijven eenduidig oplosbaar, met lipschitz-afhankelijkheid van de oplossing van de operator.
Oefening 8.3 ★★
(a) Bewijs dat , en banachruimten zijn, en dat de afsluiting in is van de ruimte van de eindige rijen. (b) Toon aan dat met voor , en dat de inclusie strikt is.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.3.
(a) : zij Cauchy. Elke coördinaat is Cauchy (); stel . Bij gegeven is voor : voor elke ; laat en dan : , en . : Cauchy voor is uniform Cauchy, en convergeert dus uniform naar een begrensde rij. is gesloten in : convergeert uniform met , dan geeft dat : dus ; en een gesloten deelruimte van een banachruimte is een banachruimte. Eindige rijen: hun afsluiting bevat elke (de afknottingen convergeren: ) en ligt binnen het gesloten .
(b) Neem wegens de homogeniteit : dan is voor alle , dus en ; voor geldt rechtstreeks. Striktheid: met ligt in (riemannreeksen).
Oefening 8.4 ★★
Zij een gesloten deelruimte en . Bewijs met Gevolg 8.7 de dualiteitsformule
(let op: een maximum). Leid af dat : gesloten deelruimten zijn precies de doorsneden van kernen van functionalen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.4.
() Is en , dan is voor elke : ; neem het infimum. (, en bereikt) Gevolg 8.7(3) levert een met , en : het supremum is dus een maximum. Gevolg: is triviaal, en een punt wordt door de bovengenoemde functionaal uit de doorsnede uitgesloten (, want is gesloten).
Oefening 8.5 ★★
Bewijs isometrisch dat , volgens het schema van Stelling 8.16 (de eindige rijen liggen dicht in ). Waar breekt het argument voor ?
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.5.
Voor is , dus ; en toetsen op geeft : gelijkheid. Stel omgekeerd voor : dan is , dus ; en en vallen samen op de eindige rijen, die dicht liggen in (): dus . De afbeelding is lineair, isometrisch en surjectief. Voor levert hetzelfde begin een rij , maar de eindige rijen liggen niet dicht in (de constante rij ligt op afstand van alle), zodat niet door de wordt vastgelegd — en inderdaad is (Probleem 8.1).
Oefening 8.6 ★★
Zij genormeerd met een banachruimte, en bilineair en in elke veranderlijke afzonderlijk continu. Toon aan dat (gezamenlijk) continu is: . (Pas Banach–Steinhaus toe op de familie .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.6.
Voor elke vaste is continu en lineair: . Dus is de familie (elk lid continu, wegens de continuïteit in ) puntsgewijs begrensd op de banachruimte : Banach–Steinhaus (Stelling 8.9) levert een met voor alle ; en de homogeniteit in maakt het af: .
Oefening 8.7 ★★
(a) Vergelijk op de normen en : de identiteit is begrensd en bijectief, maar haar inverse is onbegrensd. Welke hypothese van Gevolg 8.13 faalt? (b) Geef een discontinue lineaire afbeelding van een dichte deelruimte van naar (bijvoorbeeld op de eindige rijen), en leg uit waarom dat de gesloten-grafiekstelling niet tegenspreekt.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.7.
(a) : de identiteit is begrensd en bijectief. Haar inverse is onbegrensd: heeft maar . Geen tegenspraak met Gevolg 8.13: is niet volledig (Oefening 7.1); het gevolg vergt volledigheid aan beide kanten.
(b) Op de ruimte van de eindige rijen (dicht in ) is lineair en onbegrensd ( met ). De gesloten-grafiekstelling is niet van toepassing: is niet volledig — en heeft geen continue voortzetting tot , wat illustreert dat dichtheid zonder uniforme continuïteit machteloos is (Stelling 7.2).
Oefening 8.8 ★★★
(Hellinger–Toeplitz) Zij lineair (overal gedefinieerd) en symmetrisch: voor alle , met . Toon aan dat begrensd is. (Gesloten grafiek: als en , toets dan tegen een willekeurige .) Moraal: onbegrensde symmetrische operatoren — de hamiltonianen van de kwantummechanica — kunnen nooit op de hele ruimte gedefinieerd worden.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.8.
We gaan de hypothese van de gesloten grafiek na. Zij en in . Dan is voor elke :
met de continuïteit van het inproduct in elke ingang (Cauchy–Schwarz) en tweemaal de symmetrie. Dus staat loodrecht op elke , en in het bijzonder op zichzelf: . De grafiek is gesloten en is een banachruimte: dus is begrensd (Stelling 8.14). Een symmetrische operator die op heel gedefinieerd is, is dus automatisch begrensd; werkelijk onbegrensde symmetrische operatoren (plaats, impuls, hamiltonianen) moeten op echte dichte deelruimten leven.
Oefening 8.9 ★★★
(Stelling van Pólya over kwadratuur) Zij voor elke de regel een kwadratuurregel op (met en ). Toon aan dat voor elke continue dan en slechts dan als: (i) voor elke veelterm , en (ii) . (Bereken ; gebruik Banach–Steinhaus en Weierstrass.) Ga na dat regels met positieve gewichten die exact zijn op de constanten, automatisch aan (ii) voldoen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.9.
Ten eerste is : is de driehoeksongelijkheid; door te toetsen op een stuksgewijs lineaire met en (interpoleer lineair tussen de eindig veel knooppunten; waar knooppunten samenvallen, vallen de tekens samen).
() Puntsgewijze convergentie in elke geeft (i), en puntsgewijze begrensdheid, dus levert Banach–Steinhaus (Stelling 8.9) op de banachruimte de uitspraak (ii).
() Zij . Kies bij gegeven en een veelterm met (Gevolg 7.16); dan is
Positieve gewichten met exactheid op de constanten: voor regels die exact zijn op de constanten — (ii) geldt dan met constante .
Oefening 8.10 ★★
Toon aan dat , , een lineaire isometrie is (gebruik Gevolg 8.7(2)), en dat ze surjectief is wanneer . Toon ook aan dat separabel is zodra dat is. (Kies die een dichte rij van bijna normeren, en toon aan dat hun gesloten opspansel is, via Gevolg 8.7(3).)
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.10.
De lineariteit van is formeel; en volgens Gevolg 8.7(2). Is , dan is (een basis geeft coördinaatfunctionalen), dus , en is de injectieve (isometrische) surjectief. Separabiliteit: zij dicht in en kies met . Stel ; was , neem dan een met die op verdwijnt (Gevolg 8.7(3)) en kies :
dus : tegenspraak. Bijgevolg is , en vormen de combinaties van de met rationale (of -)coëfficiënten een aftelbare dichte verzameling.
Oefening 8.11 ★★
(Quotiëntruimten) Zij een banachruimte en een gesloten deelruimte. Definieer op
(a) Toon aan dat dit een goed gedefinieerde norm op is (waar komt de geslotenheid van binnen?), en dat de projectie voldoet aan en de open eenheidsbal op de open eenheidsbal afbeeldt. (b) Toon aan dat volledig is. (Gebruik het reekscriterium van Oefening 7.1(b): gegeven klassen met , til elke op tot met en sommeer in .) (c) Bereken: toon voor (de convergente rijen) en aan dat isometrisch, via .
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.11.
(a) Goed gedefinieerd: hangt alleen van af ( over verschuiven verandert de afstand niet). De homogeniteit en de driehoeksongelijkheid gaan via het infimum over van . De scheiding vergt de geslotenheid: betekent , dus , dus . : . Open bal op open bal: is , dan heeft een zekere representant ; en omgekeerd is wegens de normongelijkheid — dus is open, het modelgeval van de open-afbeeldingsstelling.
(b) Zij en til op met : dan is , dus convergeert in de banachruimte (Oefening 7.1(b)), en de continuïteit van geeft : elke absoluut convergente reeks van convergeert, en dat is gelijkwaardig met volledigheid (dezelfde oefening).
(c) De afbeelding is lineair van naar en verdwijnt precies op , dus induceert ze een lineaire bijectie . Isometrie: — : trek van de rij af, zodat overblijft, van norm ; : voor is .
Oefening 8.12 ★★
(Begrensde projecties en gecomplementeerde deelruimten) Zij een banachruimte en lineair met (een algebraïsche projectie), en . (a) Stel dat begrensd is. Toon aan dat en gesloten zijn en dat met de ontbinding . (b) Stel omgekeerd dat met en beide gesloten, en zij de projectie op langs . Toon aan dat begrensd is. (Gesloten grafiek: als en , dan is en , en de eenduidigheid van de ontbinding geeft .) (c) Leid de gelijkwaardigheid af: een deelruimte laat een begrensde projectie toe dan en slechts dan als ze gesloten is en een gesloten algebraïsch complement heeft — en merk op (zonder bewijs) dat er gesloten deelruimten zonder die eigenschap bestaan ( binnen is het klassieke voorbeeld): hilbertruimten, waar altijd werkt (Hoofdstuk 13), zijn de uitzondering, niet de regel.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.12.
(a) is gesloten (origineel van onder een continue afbeelding); en (immers precies wanneer , met ), eveneens gesloten. Elke splitst als met en , en (want ): dus .
(b) Het grafiekargument: zij en . Dan is ( gesloten en ) en ( gesloten). Dus met en ; en de eenduidigheid van de ontbinding geeft . De grafiek van is gesloten en is een banachruimte: dus is begrensd (Stelling 8.14).
(c) (a) en (b) samen vormen de gelijkwaardigheid. In een hilbertruimte heeft elke gesloten het gesloten complement (Hoofdstuk 13): daar is elke gesloten deelruimte gecomplementeerd. In algemene banachruimten faalt dat — heeft in geen gesloten complement (de stelling van Phillips, buiten ons gereedschap) — zodat begrensde projecties een voorrecht zijn, en de gesloten-grafiekstelling precies de boekhouding is die meetkundige splitsingen in begrensde operatoren omzet.
8.6 Probleem: de dualiteit van de -ruimten
Probleem 8.1
Weekendopgave — , reflexiviteit, en het vreemde van
Leg vast en zij de toegevoegde exponent, met . De paring is overal .
Deel I — Hölder en Minkowski voor rijen.
- (Ongelijkheid van Young) Toon voor aan dat , met de concaviteit van of door te bestuderen.
- (Hölder) Leid af dat voor en ; bepaal het gelijkheidsgeval.
- (Minkowski) Leid de driehoeksongelijkheid voor af. (Schrijf en pas Hölder toe op elke term.)
- Bewijs dat volledig is en dat de eindige rijen er dicht in liggen.
Deel II — De dualiteit .
- Toon voor aan dat een definieert met , en, door te toetsen op (passend afgeknot en genormaliseerd), dat .
- Stel omgekeerd voor een gegeven ; toon aan dat met (toets op afknottingen zoals in vraag 5 en laat de afknotlengte groeien), en besluit dat : de afbeelding is een isometrisch isomorfisme .
- Leid af dat reflexief is voor : door de twee dualiteiten samen te stellen komt elk element van uit ; ga zorgvuldig na dat de samenstelling de kanonieke is.
Deel III — en zijn andere beesten.
- Toon aan dat () en separabel zijn, maar niet. (De overaftelbaar vele indicatorrijen van deelverzamelingen van liggen paarsgewijs op afstand .)
- Leid uit Oefening 8.10 af dat maar : is niet reflexief. (Was gelijk aan , dan was ze separabel en dus ook.)
- (Een banachlimiet, expliciet) Stel op : . Toon aan dat sublineair is, en dat op de deelruimte van de convergente rijen voldoet aan . Zet met Hahn–Banach voort tot en toon aan: is positief (uit volgt ), verschuivingsinvariant (), zet de limiet voort, en voldoet aan .
- Toon aan dat zo’n , opgevat in , niet van de vorm is voor enige ; besluit opnieuw dat . (Evalueer op de eenheidsrijen , en daarna op de constante rij .)
- Evalueer op , en toon aan dat er geen verschuivingsinvariante multiplicatieve voortzetting van de limiet kan bestaan (beschouw en , waarbij de verschuiving is).
Deel IV — Slot: waarom reflexiviteit ertoe doet.
- Toon met Gevolg 8.10 en vraag 6 aan dat elke begrensde rij van () een deelrij heeft die zwak convergeert: convergeert voor elke . (Diagonaalextractie over de aftelbaar veel coördinaten; bepaal de zwakke limiet in met de uniforme begrensdheid van de normen en Hölder.) Toon aan de hand van een voorbeeld ( in , tegen goed gekozen elementen van ) aan dat dit in faalt: zwakke compactheid is een voorrecht van reflexieve ruimten.
Deel V — De zwakke topologie aan het werk, en de verrassing van Schur. Schrijf in een genormeerde ruimte (zwakke convergentie) wanneer voor elke .
- Maak de inventaris af: toon isometrisch aan dat , volgens het schema van de vragen 5–6 (wat neemt de plaats van de toetsrijen in?). Stel de keten van opeenvolgende duale ruimten samen en markeer waar de reflexiviteit faalt.
- Toon aan dat elke zwak convergente rij van een banachruimte begrensd is: bekijk de via de kanonieke inbedding als functionalen op en pas Banach–Steinhaus toe (Stelling 8.9) — op welke banachruimte, en waarom is de volledigheid daar beschikbaar?
- Toon aan dat in met geldt: dan en slechts dan als en voor elke coördinaat (één richting gebruikt Banach–Steinhaus via de kanonieke inbedding; benader voor de andere door eindige rijen). Leid af dat in terwijl : zwakke limieten kunnen massa verliezen.
- Toon aan dat de norm zwak onderhalfcontinu is: uit volgt (kies een normerende functionaal voor , Gevolg 8.7).
- (Radon–Riesz in ) Toon aan dat in zwakke convergentie samen met convergentie van de normen normconvergentie impliceert (werk uit). Geef een tegenvoorbeeld voor dezelfde uitspraak zonder de normhypothese.
(Schur, stap 1) Zij in en stel, uit het ongerijmde, dat langs een deelrij. Toon eerst aan dat voor elke (welke functionalen?), en construeer daarna recursief indices en gehele getallen zodanig dat de massa van zich concentreert op het blok :
- (Schur, stap 2) Definieer door voor . Toon aan dat en leid een tegenspraak af met . Besluit de stelling van Schur: in convergeren zwak convergente rijen in norm.
- Leid af dat in geen zwak convergente deelrij heeft (haar enige kandidaat-limiet is , per coördinaat — pas dan Schur toe), waarmee het falen van de zwakke compactheid uit vraag 13 wordt teruggevonden; en los de schijnbare paradox op: in vallen zwakke en normconvergentie van rijen samen, en toch verschillen de zwakke en de normtopologie en zijn begrensde verzamelingen nog steeds niet zwak rijcompact — geen tegenspraak, alleen het falen van de reflexiviteit.
- (Overzichtstabel) Stel voor een tabel op met: de duale ruimte; separabiliteit; reflexiviteit; of begrensde rijen zwak convergente deelrijen toelaten; en één kenmerkende eigenschap van elke ruimte, in één regel verantwoord vanuit dit probleem.
Deel VI — Aanvullingen: dichtstbijzijnde punten, gemiddelde convergentie, de waarde van een banachlimiet.
- (Dichtstbijzijnde punten: een dividend van de reflexiviteit) Zij een gesloten deelruimte van () en . Toon aan dat bereikt wordt: haal uit een minimaliserende rij een zwak convergente deelrij (vraag 13), houd de zwakke limiet binnen door met Hahn–Banach een functionaal te bouwen die op verdwijnt maar niet in een punt daarbuiten, en besluit met vraag 17. Toon daarna aan dat dit voorrecht niet universeel is: bewijs voor op dat niet op de eenheidsbal bereikt wordt, stel de afstandsformule op, en leid af dat geen enkele een dichtstbijzijnd punt in het gesloten hypervlak heeft.
(Banach–Saks in ) Zij in met . Construeer een deelrij met voor alle , en leid af dat
na extractie convergeren de cesàromiddelen dus in norm. Controleer dat op , waarvan de middelen norm hebben: zwakke convergentie, nutteloos voor de rij zelf (vraag 16), wordt normconvergentie voor de gemiddelden.
- (De waarde van een banachlimiet) Zij een willekeurige banachlimiet (vraag 10) en . Toon aan dat en ; leid af dat alle banachlimieten op periodieke rijen samenvallen, met als waarde het gemiddelde over een periode — op , in overeenstemming met de uit vraag 12. Toon daarna aan dat die overeenstemming in het algemeen faalt: toon voor de blokrij die gelijk is aan op voor even en elders, aan dat de cesàromiddelen tussen en schommelen, en bouw twee banachlimieten met (zet voort vanaf met de uiterste toegelaten waarden : ga na dat door de sublineaire van vraag 10 wordt gedomineerd).
Oplossing
Oplossing van Probleem 8.1.
1. Voor geeft de concaviteit van : ; exponentieer. (Is , dan is de ongelijkheid triviaal.) Gelijkheid precies wanneer .
2. We mogen aannemen (homogeniteit; de nulgevallen zijn triviaal). Dan is
Gelijkheid vergt voor alle (het gelijkheidsgeval van Young) plus het uitlijnen van de fasen van .
3. ; sommeren en Hölder toepassen ( tegen , met ) geeft
is (anders triviaal), deel dan door en gebruik . (Dat eindig is, komt eerst: .)
4. Volledigheid: als voor (Oefening 8.3), met coördinaatsgewijze limieten plus de uniforme staartgrens , waarbij eerst en dan naar oneindig gaat. Dichtheid van de eindige rijen: .
5. Hölder geeft : dus . Toetsen: stel voor en daarna (met de fase van modulus , zodat ). Dan is en (want ), dus
6. Stel . Met dezelfde toetsvectoren is , waaruit voor elke : dus met . De functionalen en vallen samen op de dichte eindige rijen (vraag 4): . Met vraag 5 is dus een isometrisch isomorfisme .
7. Zij . Samengesteld met de isometrie uit vraag 6 definieert een element van , dat (vraag 6 met en verwisseld) gelijk is aan voor een unieke : voor elke is . Anderzijds is : dezelfde waarde. En omdat elk element van een is, volgt : is surjectief — is reflexief.
8. De eindige rijen met rationale ingangen (reëel en imaginair deel) zijn aftelbaar en liggen dicht in () en in . In : de familie is overaftelbaar met voor ; de ballen zijn paarsgewijs disjunct, en een dichte verzameling moet elk ervan snijden: er is dus geen aftelbare dichte verzameling.
9. Was reflexief, dan was separabel (isometrisch beeld van het separabele ); en volgens Oefening 8.10 zou de separabiliteit van de duale ruimte afdwingen dat separabel is — in strijd met vraag 8. Dus is niet reflexief (en is strikt groter dan , zoals vraag 11 concreet maakt).
10. De homogeniteit van is duidelijk; subadditiviteit: middelen is lineair, en . Op : de cesàromiddelen van een convergente rij convergeren naar haar limiet, dus is daar; in het bijzonder op . Hahn–Banach (Stelling 8.6) zet voort tot met overal . Positiviteit: voor is . Verschuivingsinvariantie: de middelen van telescoperen tot , dus en . Grenzen: (de middelen blijven achter bij de suprema), en dit op toepassen geeft de ondergrens.
11. , dus voor alle . Was met , dan was voor alle , dus ; maar . Dus : opnieuw .
12. Voor is , dus en . Was een verschuivingsinvariante multiplicatieve voortzetting van de limiet, dan geeft dat , dus ; maar geeft : tegenspraak. Middelen en vermenigvuldigen gaan niet samen.
13. Zij . De coördinaten zijn door begrensd: een diagonaalextractie geeft een deelrij (nog steeds genoemd) met voor elke . Dan is : voor alle . Zwakke convergentie: voor en willekeurige is
waarbij de eerste term naar gaat als (eindig veel coördinaten) en de tweede klein is voor grote (Hölder op de staart): dus voor elke — zwakke convergentie, want elke functionaal is een (vraag 6). In faalt dit: beschouw de begrensde rij . Elke deelrij convergeert coördinaatsgewijs naar , dus is haar enige kandidaat-limiet; maar toetsen tegen met (en elders) geeft , wat divergeert. Er is dus geen zwak convergente deelrij: zwakke rijcompactheid van de ballen kenmerkt de reflexieve wereld.
14. Voor is gedefinieerd op met , en toetsen op geeft : dus . Stel omgekeerd voor ; dezelfde toetsen geven , dus , en op de dichte eindige rijen en dus overal. De keten van duale ruimten: , (Oefening 8.10), (vragen 9–11): de reflexiviteit faalt al bij de allereerste stap — — en herstelt nooit meer.
15. is een familie begrensde functionalen op de banachruimte (duale ruimten zijn volledig, Propositie 8.2); en voor elke convergeert de rij en is ze dus begrensd. Banach–Steinhaus op geeft , en is isometrisch (Opmerking 8.8): dus .
16. () De begrensdheid is vraag 15; en de coördinaten zijn de functionalen . () Zij , en ; kies met . Dan is
en de eindige som gaat naar : dus voor elke . (Dat met , volgt uit grenzen op eindige stukken in de trant van Fatou: .) Voor in : begrensd, coördinaatsgewijs , dus , en toch : de eenheid massa ontsnapt naar oneindige index, onzichtbaar voor elke vaste functionaal.
17. Neem met en (Gevolg 8.7). Dan is . (Met : , en de ongelijkheid kan strikt zijn.)
18. In is (in het reële geval ). Zwakke convergentie toegepast op de functionaal geeft , en de normen convergeren per hypothese: het rechterlid gaat dus naar . Tegenvoorbeeld zonder normconvergentie: met .
19. Coördinaatsgewijze convergentie: pas de functionalen toe (met ). Constructie: zijn en gekozen, neem dan zo groot dat (eindig veel coördinaten, elk ), en daarna zo groot dat de staart voldoet aan (convergentie van de reeks die definieert). Het blok draagt dan op na de hele massa van .
20. Met als gedefinieerd (overal ):
waarbij de middelste ongelijkheid geldt omdat de massa buiten het blok hoogstens is (vraag 19). Maar en dwingen af: tegenspraak. Zwak naar nul convergerende rijen van convergeren dus in norm naar nul, en door translatie convergeren zwak convergente rijen in norm: de stelling van Schur.
21. Een zwak convergente deelrij van zou limiet hebben (coördinaten), dus volgens Schur — maar de normen zijn . Er is dus geen zwak convergente deelrij, zoals in vraag 13 met de hand gevonden. Geen paradox: Schur zegt dat rijen in de zwakke en de normtopologie niet kunnen onderscheiden (de topologieën zelf verschillen wel degelijk — zwakke omgevingen zijn nooit normbegrensd), en de zwakke rijcompactheid van de eenheidsbal is een andere, sterkere eigenschap, gelijkwaardig met reflexiviteit (Eberlein–Šmulian, buiten ons gereedschap; het falen hebben we althans bewezen).
22. De inventaris.
| sep. | refl. | zwak rijcpt. ballen | ||
|---|---|---|---|---|
| ja | nee | nee () | ||
| ja | nee | nee (, vr. 21) | ||
| ja | ja | ja (vr. 13) | ||
| nee | nee | nee |
Kenmerken: — haar biduale ruimte is : de eerste niet-reflexieve stap (vraag 14); — de eigenschap van Schur (vraag 20); — reflexiviteit en zwakke compactheid (vragen 7 en 13); — niet-separabel, met banachlimieten: functionalen die geen enkele rij kan voorstellen (vragen 8 en 10–11). Eén familie ruimten, vier verschillende werelden.
23. Zij met . Dan is : begrensd, dus levert vraag 13 een deelrij . Was , dan is ( is gesloten); op voldoet de lineaire vorm aan (want ), en Hahn–Banach zet die voort tot met en ; maar dan is : tegenspraak. Dus , en geeft met vraag 17
de afstand wordt in bereikt. In : voor elke (een nulrij kan niet voor alle aan voldoen), terwijl de afgeknotte rijen geven : dus , nooit bereikt. Afstandsformule: voor is , dus ; en omgekeerd ligt voor in de eenheidsbal met de vector in met : gelijkheid. Werd ze in een bereikt, dan voldeed aan , zodat haar norm in zou bereiken: onmogelijk. Een gesloten hypervlak van zonder ergens een dichtstbijzijnd punt — de reflexiviteit was geen versiering.
24. Stel . Gegeven gaat elke afbeelding naar (), dus is er voorbij de vorige index een met voor ; noem die keuze . Dan is
en delen door geeft . (Voor een zwakke limiet : pas dit toe op .) Op de orthonormale is zelfs geen extractie nodig: . Middelen zet zwakke convergentie dus om in normconvergentie: de eigenschap van Banach–Saks van .
25. , dus geven de lineariteit en de verschuivingsinvariantie . Kies voor een begrensde en een met voor ; de positiviteit toegepast op samen met geeft , en symmetrisch : dus voor elke . Is -periodiek, dan is de constante rij gelijk aan het periodegemiddelde : dus voor elke banachlimiet — op en op als in vraag 12. Voor de blokrij: bij met even bestaat het laatste blok geheel uit enen, dus is het cesàromiddel ; en bij met oneven liggen alle enen in , dus is het middel . Bijgevolg is en . Definieer op : . Dominatie door : voor geeft de sublineariteit , oftewel (merk op dat voor : de cesàromiddelen van een convergente rij convergeren naar haar limiet); voor geeft dat ; en voor is er gelijkheid. Dus is op , en Hahn–Banach zet haar voort tot op , wat precies als in vraag 10 een banachlimiet is (uit de dominatie door volgen de positiviteit, de verschuivingsinvariantie en de waarde op ), met . Dezelfde berekening met (met voor het geval ) levert een banachlimiet met . Twee banachlimieten, één rij, twee waarden: buiten de periodieke (en algemener de bijna convergente) wereld is een banachlimiet een echte keuze.