Mathematics · Boek 5 · Bachelor Year 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3

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 p\ell^p, aan concrete berekeningen van duale ruimten, en aan een werkelijk verrassende toepassing: er bestaan continue 2π2\pi-periodieke functies waarvan de fourierreeks in een punt divergeert — waarmee een vraag die bachelorjaar 2 openliet ontkennend wordt beslecht.

Overal zijn E,FE, F genormeerde ruimten over K=RK = \R of C\C; en banachruimte betekent volledige genormeerde ruimte.

8.1 Begrensde operatoren; rijruimten

Definitie 8.1

L(E,F)\mathcal L(E, F) noteert de ruimte van de begrensde (= continue, bachelorjaar 2) lineaire afbeeldingen, met de operatornorm T=supx1Tx\vertiii T = \sup_{\norm x \leq 1}\norm{Tx}; die is submultiplicatief: STST\vertiii{ST} \leq \vertiii S\,\vertiii T. De duale ruimte is E=L(E,K)E' = \mathcal L(E, K).

Propositie 8.2

Is FF een banachruimte, dan ook L(E,F)\mathcal L(E, F); in het bijzonder is EE' altijd een banachruimte.

Bewijs. Zij (Tn)(T_n) Cauchy voor \vertiii\cdot. Voor elke xx is TnxTmxTnTmx\norm{T_nx - T_mx} \leq \vertiii{T_n - T_m}\norm x: dus is (Tnx)(T_nx) Cauchy in FF en convergent; noem de limiet TxTx. TT is lineair (limieten van lineaire identiteiten); en overgaan tot de limiet in TnxTmxεx\norm{T_nx - T_mx} \leq \varepsilon\norm x (voor n,mNn, m \geq N) geeft TnxTxεx\norm{T_nx - Tx} \leq \varepsilon\norm x: dus TnTT_n \to T in operatornorm, en TTN+ε<\vertiii T \leq \vertiii{T_N} + \varepsilon < \infty.

Definitie 8.3

De klassieke rijruimten (over KK, geïndexeerd door N\N):

p={x=(xn):xp=(nxnp)1/p<}(1p<),\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),
={x:x=supxn<},\ell^\infty = \{x : \norm x_\infty = \sup\abs{x_n} < \infty\},

en c0={x:xn0}c_0 = \{x : x_n \to 0\} met \norm\cdot_\infty. Dat p\norm\cdot_p 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 c0c_0 is een gesloten deelruimte van \ell^\infty (Oefening 8.3).

Eenheidsballen van de p-normen in het vlak, genest naarmate p groeit van 1 (ruit) via 2 (schijf) en 4 (superellips) naar ∈fty (vierkant). De convexiteit van elke bal is de ongelijkheid van Minkowski; en in de hoeken bij p = 1 en p = ∈fty ontaarden strikte convexiteit, de eenduidigheid van beste benaderingen en de gelijkheidsgevallen van  tegelijk.
Eenheidsballen van de pp-normen in het vlak, genest naarmate pp groeit van 11 (ruit) via 22 (schijf) en 44 (superellips) naar \infty (vierkant). De convexiteit van elke bal is de ongelijkheid van Minkowski; en in de hoeken bij p=1p = 1 en p=p = \infty ontaarden strikte convexiteit, de eenduidigheid van beste benaderingen en de gelijkheidsgevallen van Oefening 12.12 tegelijk.

Propositie 8.4 (Neumannreeks)

Zij EE een banachruimte en TL(E)=L(E,E)T \in \mathcal L(E) = \mathcal L(E,E) met T<1\vertiii T < 1. Dan is ITI - T inverteerbaar in L(E)\mathcal L(E), met (IT)1=n0Tn(I - T)^{-1} = \sum_{n\geq0}T^n (convergent in operatornorm). Bijgevolg is de verzameling inverteerbare operatoren open, en is het inverteren erop continu.

Bewijs. De reeks convergeert absoluut (TnTn\vertiii{T^n} \leq \vertiii T^n, meetkundig) in de banachruimte L(E)\mathcal L(E) (Propositie 8.2; Oefening 7.1(b)). Telescoperen geeft (IT)nNTn=ITN+1I(I - T)\sum_{n \leq N}T^n = I - T^{N+1} \to I, en net zo aan de andere kant. Voor de openheid: is SS inverteerbaar en H<1/S1\vertiii{H} < 1/\vertiii{S^{-1}}, dan is S+H=S(I+S1H)S + H = S(I + S^{-1}H) met S1H<1\vertiii{S^{-1}H} < 1: inverteerbaar. Continuïteit van het inverteren: de reeksuitdrukking geeft lokaal (S+H)1S1=O(H)\vertiii{(S+H)^{-1} - S^{-1}} = O(\vertiii H).

Voorbeeld 8.5 (Een vergelijking van Volterra, met Neumann opgelost)

Beschouw op E=C([0,1])E = \mathcal C(\intcc01) de integraalvergelijking

u(x)=1+λ0xu(t) ⁣dt,dat wil zeggenu=1+λTu,(Tu)(x)=0xu.u(x) = 1 + \lambda\int_0^xu(t)\,\dd t, \qquad\text{dat wil zeggen}\qquad u = \mathbf 1 + \lambda Tu, \quad (Tu)(x) = \int_0^xu .

Hier is T1\vertiii T \leq 1, dus voor λ<1\abs\lambda < 1 is de Neumannreeks rechtstreeks van toepassing: u=(IλT)11=nλnTn1u = (I - \lambda T)^{-1}\mathbf 1 = \sum_n\lambda^nT^n\mathbf 1. Berekenen geeft Tn1=xnn!T^n\mathbf 1 = \frac{x^n}{n!}, dus

u(x)=n0(λx)nn!=eλx,u(x) = \sum_{n\geq0}\frac{(\lambda x)^n}{n!} = \eu^{\lambda x} ,

zoals differentiëren bevestigt. Sterker nog: Tn1n!\vertiii{T^n} \leq \frac1{n!} (de herhaalde kern krimpt faculteitsgewijs), zodat λnTn\sum\lambda^nT^n voor elke λ\lambda convergeert — de operator IλTI - \lambda T is inverteerbaar voor alle λC\lambda \in \C, ook al is λT1\vertiii{\lambda T} \geq 1 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 EE een reële vectorruimte, p ⁣:ERp \colon E \to \R sublineair (p(x+y)p(x)+p(y)p(x + y) \leq p(x) + p(y) en p(tx)=tp(x)p(tx) = tp(x) voor t0t \geq 0), FEF \subseteq E een deelruimte en f ⁣:FRf \colon F \to \R lineair met fpf \leq p op FF. Dan zet ff zich voort tot een lineaire f~ ⁣:ER\tilde f \colon E \to \R met f~p\tilde f \leq p op EE.

Bewijs. Voortzetting in één stap. Zij x0Fx_0 \notin F; we zetten ff voort tot FRx0F \oplus \R x_0 door α=f~(x0)\alpha = \tilde f(x_0) goed te kiezen: we hebben nodig, voor alle yFy \in F en t>0t > 0,

f(y)+tαp(y+tx0)enf(y)tαp(ytx0),f(y) + t\alpha \leq p(y + tx_0) \quad\text{en}\quad f(y) - t\alpha \leq p(y - tx_0),

wat na deling door tt (sublineariteit) neerkomt op

supvF [f(v)p(vx0)]    α    infuF [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].

Zo’n α\alpha bestaat precies wanneer elk linkerlid \leq elk rechterlid is: en inderdaad is f(v)+f(u)=f(u+v)p(u+v)p(u+x0)+p(vx0)f(v) + f(u) = f(u + v) \leq p(u + v) \leq p(u + x_0) + p(v - x_0), dat wil zeggen f(v)p(vx0)p(u+x0)f(u)f(v) - p(v - x_0) \leq p(u + x_0) - f(u).

Zorn. Orden de voortzettingen van ff die door pp gedomineerd worden (paren: deelruimte, functionaal) naar voortzetting; een keten heeft de vereniging als bovengrens; en een maximaal element moet op heel EE gedefinieerd zijn, want anders spreekt de voortzetting in één stap de maximaliteit tegen.

Gevolg 8.7

Zij EE een genormeerde ruimte (K=RK = \R of C\C).

  1. Elke fFf \in F' (met FF een deelruimte) zet zich voort tot een f~E\tilde f \in E' met f~E=fF\norm{\tilde f}_{E'} = \norm f_{F'}.
  2. Voor elke x0x \neq 0 is er een fEf \in E' met f=1\norm f = 1 en f(x)=xf(x) = \norm x. In het bijzonder scheidt EE' de punten van EE, en is x=supf1f(x)\norm x = \sup_{\norm f \leq 1}\abs{f(x)}.
  3. Voor een gesloten deelruimte FF en xFx \notin F is er een fEf \in E' die op FF verdwijnt, met f(x)=d(x,F)f(x) = d(x, F) en f1\norm f \leq 1.

Bewijs. (1) Reëel geval: pas Stelling 8.6 toe met p(x)=fFxp(x) = \norm f_{F'}\,\norm x (sublineair); de voortzetting voldoet aan ±f~(x)=f~(±x)p(x)\pm\tilde f(x) = \tilde f(\pm x) \leq p(x), dus f~f\norm{\tilde f} \leq \norm f, en \geq is de beperking. Complex geval: zij u=Refu = \operatorname{Re}f, een reële functionaal met uf\abs u \leq \norm f\norm\cdot; merk op dat f(x)=u(x)iu(ix)f(x) = u(x) - \iu\,u(\iu x) (controleer op reëel en imaginair deel: Imf(x)=Ref(ix)\operatorname{Im}f(x) = -\operatorname{Re}f(\iu x)). Zet uu reëel-lineair voort met dezelfde grens, en stel f~(x)=u~(x)iu~(ix)\tilde f(x) = \tilde u(x) - \iu\tilde u(\iu x): die is C\C-lineair (rechtstreeks na te gaan op vermenigvuldiging met i\iu) en zet ff voort; norm: schrijf voor gegeven xx de waarde f~(x)=reiθ\tilde f(x) = r\eu^{\iu\theta}, dan is f~(x)=f~(eiθx)=u~(eiθx)fx\abs{\tilde f(x)} = \tilde f(\eu^{-\iu\theta}x) = \tilde u(\eu^{-\iu\theta}x) \leq \norm f\,\norm x.

(2) Definieer op F=KxF = Kx: f(tx)=txf(tx) = t\norm x, van norm 11 op FF; zet voort met (1). De dualiteitsformule: \leq is duidelijk, en \geq volgt uit deze ff.

(3) Definieer op FKxF \oplus Kx: f(y+tx)=td(x,F)f(y + tx) = t\,d(x, F); dan is voor t0t \neq 0 y+tx=tx+y/ttd(x,F)=f(y+tx)\norm{y + tx} = \abs t\,\norm{x + y/t} \geq \abs t\,d(x, F) = \abs{f(y + tx)}, dus f1\norm f \leq 1 op die deelruimte; zet voort met (1).

Opmerking 8.8

Volgens (2) is de kanonieke afbeelding J ⁣:EEJ \colon E \to E'', J(x)(f)=f(x)J(x)(f) = f(x), een isometrie (Oefening 8.10): elke genormeerde ruimte zit in haar biduale ruimte. Ruimten waarvoor JJ surjectief is, heten reflexief; de weekendopgave toont aan dat p\ell^p (1<p<1 < p < \infty) reflexief is en 1\ell^1 niet.

8.3 De trilogie van Baire

Stelling 8.9 (Banach–Steinhaus, uniforme begrensdheid)

Zij EE een banachruimte, FF genormeerd, en (Ti)iIL(E,F)(T_i)_{i\in I} \subseteq \mathcal L(E, F) een familie met supiTix<\sup_i \norm{T_ix} < \infty voor elke xEx \in E. Dan is supiTi<\sup_i \vertiii{T_i} < \infty.

Bewijs. De verzamelingen Fn={x:supiTixn}F_n = \{x : \sup_i\norm{T_ix} \leq n\} zijn gesloten (doorsneden van originelen van gesloten ballen) en overdekken EE. Baire (Stelling 7.6) geeft een n0n_0 en een bal B(x0,r)Fn0B(x_0, r) \subseteq F_{n_0}. Voor z<r\norm z < r is TizTi(x0+z)+Tix02n0\norm{T_iz} \leq \norm{T_i(x_0 + z)} + \norm{T_ix_0} \leq 2n_0, dus Ti2n0/r\vertiii{T_i} \leq 2n_0/r voor elke ii.

Gevolg 8.10

Is EE een banachruimte en convergeren TnL(E,F)T_n \in \mathcal L(E,F) puntsgewijs (TnxTxT_nx \to Tx voor elke xx), dan is supnTn<\sup_n \vertiii{T_n} < \infty, TL(E,F)T \in \mathcal L(E, F) en Tlim infTn\vertiii T \leq \liminf \vertiii{T_n}.

Bewijs. Convergente rijen zijn begrensd: puntsgewijze begrensdheid; Banach–Steinhaus begrenst de normen door zekere MM; en dan is Tx=limTnxMx\norm{Tx} = \lim\norm{T_nx} \leq M\norm x (TT is lineair als puntsgewijze limiet), en de scherpere grens volgt door in TnxTnx\norm{T_nx} \leq \vertiii{T_n}\norm x tot de lim inf\liminf over te gaan.

Stelling 8.11 (Divergente fourierreeksen)

Er bestaan continue 2π2\pi-periodieke functies ff waarvan de fourierreeks in 00 divergeert: supNSN(f)(0)=\sup_N\abs{S_N(f)(0)} = \infty. Zulke ff vormen zelfs een dichte deelverzameling van C(S1)\mathcal C(S^1).

Bewijs. Werk in E=(C(S1),)E = (\mathcal C(S^1), \norm\cdot_\infty), een banachruimte, met de functionalen ΛN(f)=SN(f)(0)=12πππf(t)DN(t) ⁣dt\Lambda_N(f) = S_N(f)(0) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(t)\,D_N(t)\,\dd t (de dirichletkern, bachelorjaar 2). Elke ΛN\Lambda_N is continu met

ΛN=12πππDN(t) ⁣dt  =  LN.\norm{\Lambda_N} = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\abs{D_N(t)}\,\dd t \;=\; L_N .

(\leq is duidelijk; \geq: neem een continue ff met f1\norm f_\infty \leq 1 die signDN\operatorname{sign}D_N benadert — het teken heeft eindig veel sprongen, en elke sprong afvlakken over een interval van lengte ε\varepsilon verandert de integraal met O(Nε)O(N\varepsilon).) De lebesgueconstanten LNL_N gaan naar oneindig:

LN=12πππsin((N+12)t)sin(t/2) ⁣dt2π0πsin((N+12)t)t ⁣dt=2π0(N+12)πsinuu ⁣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

(met sin(t/2)t/2\abs{\sin(t/2)} \leq t/2 op [0,π][0, \pi], en daarna de substitutie u=(N+12)tu = (N + \tfrac12)t). Snijden in bogen:

(k1)πkπsinuu ⁣du1kπ(k1)πkπsinu ⁣du=2kπ,dusLN4π2k=1N1kN.\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{dus}\qquad L_N \geq \frac{4}{\pi^2}\sum_{k=1}^N\frac1k \xrightarrow[N\to\infty]{} \infty .

Had elke continue ff dat supNΛN(f)<\sup_N \abs{\Lambda_N(f)} < \infty, dan dwong Banach–Steinhaus af dat supNΛN<\sup_N\norm{\Lambda_N} < \infty: tegenspraak. Dus heeft een zekere ff — zelfs een niet-magere, dichte verzameling ff (het complement van M{f:supNΛNfM}\bigcup_M\{f: \sup_N\abs{\Lambda_Nf}\leq M\}, een aftelbare vereniging gesloten verzamelingen die wegens het bovenstaande, toegepast in elke bal, geen inwendige hebben en dus mager is) — dat supNSNf(0)=\sup_N\abs{S_Nf(0)} = \infty.

Stelling 8.12 (Open afbeelding)

Zij E,FE, F banachruimten en TL(E,F)T \in \mathcal L(E, F) surjectief. Dan is TT open: T(BE(0,1))BF(0,c)T(B_E(0,1)) \supseteq B_F(0, c) voor zekere c>0c > 0. Bijgevolg heeft een bijectieve begrensde operator tussen banachruimten een begrensde inverse.

Bewijs. Schrijf B=BE(0,1)B = B_E(0,1). De surjectiviteit geeft F=nT(nB)=nnT(B)F = \bigcup_n \overline{T(nB)} = \bigcup_n n\,\overline{T(B)}; Baire (Stelling 7.6) geeft T(B)\overline{T(B)} een inwendige: een zekere BF(y0,4c)T(B)B_F(y_0, 4c) \subseteq \overline{T(B)}. Hercentreer in 00: voor y<4c\norm y < 4c zijn zowel y0+yy_0 + y als y0y_0 limieten van beelden TukTu_k respectievelijk TvkTv_k met uk,vkBu_k, v_k \in B, dus y=limT(ukvk)y = \lim T(u_k - v_k) met ukvk2Bu_k - v_k \in 2B: dus BF(0,4c)T(2B)B_F(0, 4c) \subseteq \overline{T(2B)}, oftewel BF(0,2c)T(B)B_F(0, 2c) \subseteq \overline{T(B)}.

De afsluiting weghalen (hier komt de volledigheid van EE binnen): zij y<c\norm y < c. Kies x112Bx_1 \in \frac12 B met yTx1<c/2\norm{y - Tx_1} < c/2 (BF(0,2c)T(B)B_F(0,2c) \subseteq \overline{T(B)}, met 12\frac12 geschaald); inductief xk2kBx_k \in 2^{-k}B met yT(x1++xk)<c2k\norm{y - T(x_1 + \dots + x_k)} < c\,2^{-k}. De reeks xk\sum x_k convergeert absoluut in de banachruimte EE, naar een xBx \in B (norm <2k=1< \sum 2^{-k} = 1), en Tx=yTx = y wegens de continuïteit: dus BF(0,c)T(B)B_F(0, c) \subseteq T(B). De openheid van TT op willekeurige open verzamelingen volgt door translatie en schaling; en voor het gevolg: dat TT open is, betekent dat T1T^{-1} continu is.

Gevolg 8.13 (Gelijkwaardige normen)

Is een vectorruimte volledig voor twee vergelijkbare normen (aCb\norm\cdot_a \leq C\norm\cdot_b), dan zijn de normen gelijkwaardig.

Bewijs. De identiteit (E,b)(E,a)(E, \norm\cdot_b) \to (E, \norm\cdot_a) is begrensd en bijectief tussen banachruimten: haar inverse is begrensd.

Stelling 8.14 (Gesloten grafiek)

Zij E,FE, F banachruimten en T ⁣:EFT \colon E \to F lineair. Is de grafiek Γ={(x,Tx)}\Gamma = \{(x, Tx)\} gesloten in E×FE \times F (dat wil zeggen: uit xnxx_n \to x en TxnyTx_n \to y volgt y=Txy = Tx), dan is TT begrensd.

Bewijs. E×FE \times F met (x,y)=x+y\norm{(x,y)} = \norm x + \norm y is een banachruimte; Γ\Gamma, een gesloten deelruimte, is er ook een. De projectie πE ⁣:ΓE\pi_E\colon \Gamma \to E is begrensd en bijectief, dus is haar inverse x(x,Tx)x \mapsto (x, Tx) begrensd (Stelling 8.12): Tx(x,Tx)Cx\norm{Tx} \leq \norm{(x, Tx)} \leq C\norm x.

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: (c0)1(c_0)' \cong \ell^1 en (1)(\ell^1)' \cong \ell^\infty, via de paring x,y=nxnyn\langle x, y\rangle = \sum_n x_ny_n.

Bewijs. We bewijzen (c0)1(c_0)' \cong \ell^1; de tweede identificatie is Oefening 8.5. Ken aan y1y \in \ell^1 de functionaal Λy(x)=xnyn\Lambda_y(x) = \sum x_ny_n toe (voor xc0x \in c_0): absoluut convergent, met Λy(x)xy1\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_\infty\norm y_1, dus Λyy1\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_1. Zij omgekeerd Λ(c0)\Lambda \in (c_0)'; stel yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n) (met ene_n de eenheidsrijen). Toets voor elke NN op x(N)=nNsign(yn)enc0x^{(N)} = \sum_{n \leq N} \operatorname{sign}(\overline{y_n})\,e_n \in c_0 (norm 1\leq 1; gebruik in het complexe geval de factoren yˉn/yn\bar y_n/\abs{y_n} van modulus 11): Λ(x(N))=nNynΛ\Lambda(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n} \leq \norm\Lambda. Dus y1y \in \ell^1 met y1Λ\norm y_1 \leq \norm\Lambda. Ten slotte is Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y: beide vallen samen op de ene_n en dus op de eindige rijen, die dicht liggen in c0c_0 (afknotten: xnNxnen=supn>Nxn0\norm{x - \sum_{n \leq N}x_ne_n}_\infty = \sup_{n > N}\abs{x_n} \to 0, juist omdat xn0x_n \to 0); en continue functionalen die op een dichte verzameling samenvallen, zijn gelijk. De correspondentie is lineair, bijectief en isometrisch (Λy=y1\norm{\Lambda_y} = \norm y_1 uit de twee ongelijkheden).

8.5 Oefeningen

Oefening 8.1

Bereken de operatornormen: (a) van de verschuivingen S(x1,x2,)=(0,x1,x2,)S(x_1, x_2, \dots) = (0, x_1, x_2, \dots) en S(x1,x2,)=(x2,x3,)S^*(x_1, x_2, \dots) = (x_2, x_3, \dots) op 2\ell^2; (b) van de vermenigvuldigingsoperator Max=(anxn)M_a x = (a_nx_n) op 2\ell^2, voor aa \in \ell^\infty; (c) van de functionaal Λ(f)=01/2f1/21f\Lambda(f) = \int_0^{1/2}f - \int_{1/2}^1f op C([0,1])\mathcal C(\intcc01) — toon aan dat Λ=1\norm\Lambda = 1 en dat de norm niet bereikt wordt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.1.

(a) Sx2=x2\norm{Sx}_2 = \norm x_2: SS is een isometrie, dus S=1\vertiii S = 1. Voor de achterwaartse verschuiving is Sx22=n2xn2x22\norm{S^*x}_2^2 = \sum_{n \geq 2}\abs{x_n}^2 \leq \norm x_2^2, met gelijkheid voor x=e2x = e_2: S=1\vertiii{S^*} = 1.

(b) Max22=an2xn2a2x22\norm{M_ax}_2^2 = \sum\abs{a_n}^2\abs{x_n}^2 \leq \norm a_\infty^2\norm x_2^2; en toetsen op x=enx = e_n geeft Maan\vertiii{M_a} \geq \abs{a_n} voor elke nn: Ma=a\vertiii{M_a} = \norm a_\infty.

(c) Λ(f)01ff\abs{\Lambda(f)} \leq \int_0^1\abs f \leq \norm f_\infty, dus Λ1\norm\Lambda \leq 1. Zij voor ε>0\varepsilon > 0 de functie fεf_\varepsilon gelijk aan 11 op [0,12ε][0, \frac12 - \varepsilon], aan 1-1 op [12+ε,1][\frac12 + \varepsilon, 1], en affien daartussen: dan is fε=1\norm{f_\varepsilon}_\infty = 1 en Λ(fε)12ε\Lambda(f_\varepsilon) \geq 1 - 2\varepsilon, dus Λ=1\norm\Lambda = 1. Niet bereikt: uit Λ(f)=1\Lambda(f) = 1 met f1\norm f_\infty \leq 1 volgt 01/2f=12\int_0^{1/2}f = \frac12 en 1/21f=12\int_{1/2}^1 f = -\frac12, dat wil zeggen (continuïteit en f1\abs f \leq 1) f1f \equiv 1 op [0,12][0, \frac12] en f1f \equiv -1 op [12,1][\frac12, 1]: tegenspraak in 12\frac12.

Oefening 8.2

Zij EE een banachruimte, TL(E)T \in \mathcal L(E) inverteerbaar, en SS met ST<1/T1\vertiii{S - T} < 1/\vertiii{T^{-1}}. Toon aan dat SS inverteerbaar is en schat S1T1\vertiii{S^{-1} - T^{-1}}. Toepassing: is een lineair stelsel Tx=bTx = b oplosbaar met TT inverteerbaar, dan blijft het bij een voldoende kleine verstoring van TT eenduidig oplosbaar, met een kwantitatieve grens op de verandering van de oplossing.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.2.

Schrijf S=T(IT1(TS))S = T\bigl(I - T^{-1}(T - S)\bigr) met T1(TS)T1TS=θ<1\vertiii{T^{-1}(T-S)} \leq \vertiii{T^{-1}}\,\vertiii{T - S} = \theta < 1: volgens Propositie 8.4 is SS inverteerbaar met S1=n0(T1(TS))nT1S^{-1} = \sum_{n\geq0}\bigl(T^{-1}(T - S)\bigr)^nT^{-1}, waaruit

S1T1n1θnT1=T12TS1θ.\vertiii{S^{-1} - T^{-1}} \leq \sum_{n\geq1}\theta^n\,\vertiii{T^{-1}} = \frac{\vertiii{T^{-1}}^2\,\vertiii{T - S}}{1 - \theta}.

Voor het lineaire stelsel: xT=T1bx_T = T^{-1}b en xS=S1bx_S = S^{-1}b verschillen hoogstens die grens maal b\norm b — kleine verstoringen van een inverteerbaar stelsel blijven eenduidig oplosbaar, met lipschitz-afhankelijkheid van de oplossing van de operator.

Oefening 8.3 ★★

(a) Bewijs dat 1\ell^1, \ell^\infty en c0c_0 banachruimten zijn, en dat c0c_0 de afsluiting in \ell^\infty is van de ruimte van de eindige rijen. (b) Toon aan dat pq\ell^p \subseteq \ell^q met qp\norm\cdot_q \leq \norm\cdot_p voor 1pq1 \leq p \leq q \leq \infty, en dat de inclusie strikt is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.3.

(a) 1\ell^1: zij (x(k))(x^{(k)}) Cauchy. Elke coördinaat is Cauchy (xn(k)xn(l)x(k)x(l)1\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n} \leq \norm{x^{(k)} - x^{(l)}}_1); stel xn=limkxn(k)x_n = \lim_kx^{(k)}_n. Bij gegeven ε\varepsilon is voor k,lKk, l \geq K: nNxn(k)xn(l)ε\sum_{n \leq N}\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n} \leq \varepsilon voor elke NN; laat ll \to \infty en dan NN \to \infty: x(k)x1ε\norm{x^{(k)} - x}_1 \leq \varepsilon, en x=x(k)(x(k)x)1x = x^{(k)} - (x^{(k)} - x) \in \ell^1. \ell^\infty: Cauchy voor \norm\cdot_\infty is uniform Cauchy, en convergeert dus uniform naar een begrensde rij. c0c_0 is gesloten in \ell^\infty: convergeert x(k)xx^{(k)} \to x uniform met xn(k)n0x^{(k)}_n \to_n 0, dan geeft xnxx(k)+xn(k)\abs{x_n} \leq \norm{x - x^{(k)}}_\infty + \abs{x^{(k)}_n} dat lim supnxnε\limsup_n\abs{x_n} \leq \varepsilon: dus xc0x \in c_0; en een gesloten deelruimte van een banachruimte is een banachruimte. Eindige rijen: hun afsluiting bevat elke xc0x \in c_0 (de afknottingen convergeren: supn>Nxn0\sup_{n>N}\abs{x_n} \to 0) en ligt binnen het gesloten c0c_0.

(b) Neem wegens de homogeniteit xp=1\norm x_p = 1: dan is xn1\abs{x_n} \leq 1 voor alle nn, dus xnqxnp\abs{x_n}^q \leq \abs{x_n}^p en xq1=xp\norm x_q \leq 1 = \norm x_p; voor q=q = \infty geldt xnxp\abs{x_n} \leq \norm x_p rechtstreeks. Striktheid: xn=nαx_n = n^{-\alpha} met 1q<α1p\frac1q < \alpha \leq \frac1p ligt in qp\ell^q \setminus \ell^p (riemannreeksen).

Oefening 8.4 ★★

Zij FEF \subseteq E een gesloten deelruimte en xFx \notin F. Bewijs met Gevolg 8.7 de dualiteitsformule

d(x,F)=max{f(x):fE, f1, fF=0}d(x, F) = \max\bigl\{\abs{f(x)} : f \in E',\ \norm f \leq 1,\ f\restriction_F = 0\bigr\}

(let op: een maximum). Leid af dat F={kerf:fE, fF=0}F = \bigcap\{\ker f : f \in E',\ f\restriction_F = 0\}: gesloten deelruimten zijn precies de doorsneden van kernen van functionalen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.4.

(\leq) Is f1\norm f \leq 1 en fF=0f\restriction_F = 0, dan is voor elke yFy \in F: f(x)=f(xy)xy\abs{f(x)} = \abs{f(x - y)} \leq \norm{x - y}; neem het infimum. (\geq, en bereikt) Gevolg 8.7(3) levert een ff met fF=0f\restriction_F = 0, f1\norm f \leq 1 en f(x)=d(x,F)f(x) = d(x, F): het supremum is dus een maximum. Gevolg: F{kerf:fF=0}F \subseteq \bigcap\{\ker f : f\restriction_F = 0\} is triviaal, en een punt xFx \notin F wordt door de bovengenoemde functionaal uit de doorsnede uitgesloten (f(x)=d(x,F)>0f(x) = d(x,F) > 0, want FF is gesloten).

Oefening 8.5 ★★

Bewijs isometrisch dat (1)(\ell^1)' \cong \ell^\infty, volgens het schema van Stelling 8.16 (de eindige rijen liggen dicht in 1\ell^1). Waar breekt het argument voor ()(\ell^\infty)'?

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.5.

Voor yy \in \ell^\infty is Λy(x)=xnynyx1\abs{\Lambda_y(x)} = \abs{\sum x_ny_n} \leq \norm y_\infty\norm x_1, dus Λyy\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_\infty; en toetsen op ene_n geeft yn=Λy(en)Λy\abs{y_n} = \abs{\Lambda_y(e_n)} \leq \norm{\Lambda_y}: gelijkheid. Stel omgekeerd yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n) voor Λ(1)\Lambda \in (\ell^1)': dan is ynΛ\abs{y_n} \leq \norm\Lambda, dus yy \in \ell^\infty; en Λ\Lambda en Λy\Lambda_y vallen samen op de eindige rijen, die dicht liggen in 1\ell^1 (xnNxnen1=n>Nxn0\norm{x - \sum_{n\leq N}x_ne_n}_1 = \sum_{n>N}\abs{x_n} \to 0): dus Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y. De afbeelding yΛyy \mapsto \Lambda_y is lineair, isometrisch en surjectief. Voor ()(\ell^\infty)' levert hetzelfde begin een rij yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n), maar de eindige rijen liggen niet dicht in \ell^\infty (de constante rij 1\mathbf 1 ligt op afstand 11 van alle), zodat Λ\Lambda niet door de yny_n wordt vastgelegd — en inderdaad is ()1(\ell^\infty)' \neq \ell^1 (Probleem 8.1).

Oefening 8.6 ★★

Zij E,F,GE, F, G genormeerd met EE een banachruimte, en B ⁣:E×FGB \colon E \times F \to G bilineair en in elke veranderlijke afzonderlijk continu. Toon aan dat BB (gezamenlijk) continu is: B(x,y)Cxy\norm{B(x,y)} \leq C\norm x\norm y. (Pas Banach–Steinhaus toe op de familie (B(,y))y1(B(\cdot, y))_{\norm y \leq 1}.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.6.

Voor elke vaste xx is yB(x,y)y \mapsto B(x, y) continu en lineair: supy1B(x,y)<\sup_{\norm y \leq 1}\norm{B(x,y)} < \infty. Dus is de familie {B(,y):y1}L(E,G)\{B(\cdot, y) : \norm y \leq 1\} \subseteq \mathcal L(E, G) (elk lid continu, wegens de continuïteit in xx) puntsgewijs begrensd op de banachruimte EE: Banach–Steinhaus (Stelling 8.9) levert een CC met B(x,y)Cx\norm{B(x,y)} \leq C\norm x voor alle y1\norm y \leq 1; en de homogeniteit in yy maakt het af: B(x,y)Cxy\norm{B(x,y)} \leq C\norm x\norm y.

Oefening 8.7 ★★

(a) Vergelijk op E=C([0,1])E = \mathcal C(\intcc01) de normen \norm\cdot_\infty en 1\norm\cdot_1: de identiteit (E,)(E,1)(E, \norm\cdot_\infty) \to (E, \norm\cdot_1) 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 2\ell^2 naar KK (bijvoorbeeld op de eindige rijen), en leg uit waarom dat de gesloten-grafiekstelling niet tegenspreekt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.7.

(a) f1f\norm f_1 \leq \norm f_\infty: de identiteit is begrensd en bijectief. Haar inverse is onbegrensd: fn(x)=xnf_n(x) = x^n heeft fn1=1n+10\norm{f_n}_1 = \frac1{n+1} \to 0 maar fn=1\norm{f_n}_\infty = 1. Geen tegenspraak met Gevolg 8.13: (C([0,1]),1)(\mathcal C(\intcc01), \norm\cdot_1) is niet volledig (Oefening 7.1); het gevolg vergt volledigheid aan beide kanten.

(b) Op de ruimte E0E_0 van de eindige rijen (dicht in 2\ell^2) is φ(x)=nnxn\varphi(x) = \sum_n n\,x_n lineair en onbegrensd (φ(en)=n\varphi(e_n) = n met en2=1\norm{e_n}_2 = 1). De gesloten-grafiekstelling is niet van toepassing: E0E_0 is niet volledig — en φ\varphi heeft geen continue voortzetting tot 2\ell^2, wat illustreert dat dichtheid zonder uniforme continuïteit machteloos is (Stelling 7.2).

Oefening 8.8 ★★★

(Hellinger–Toeplitz) Zij T ⁣:22T \colon \ell^2 \to \ell^2 lineair (overal gedefinieerd) en symmetrisch: Tx,y=x,Ty\langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle voor alle x,yx, y, met x,y=xnyˉn\langle x, y \rangle = \sum x_n\bar y_n. Toon aan dat TT begrensd is. (Gesloten grafiek: als xkxx_k \to x en TxkzTx_k \to z, toets dan tegen een willekeurige yy.) 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 xkxx_k \to x en TxkzTx_k \to z in 2\ell^2. Dan is voor elke yy:

z,y=limkTxk,y=limkxk,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,

met de continuïteit van het inproduct in elke ingang (Cauchy–Schwarz) en tweemaal de symmetrie. Dus staat zTxz - Tx loodrecht op elke yy, en in het bijzonder op zichzelf: z=Txz = Tx. De grafiek is gesloten en 2\ell^2 is een banachruimte: dus is TT begrensd (Stelling 8.14). Een symmetrische operator die op heel 2\ell^2 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 nn de regel Λn(f)=i=0nwi,nf(xi,n)\Lambda_n(f) = \sum_{i=0}^{n} w_{i,n}f(x_{i,n}) een kwadratuurregel op C([0,1])\mathcal C(\intcc01) (met xi,n[0,1]x_{i,n} \in \intcc01 en wi,nRw_{i,n} \in \R). Toon aan dat Λn(f)01f\Lambda_n(f) \to \int_0^1f voor elke continue ff dan en slechts dan als: (i) Λn(P)01P\Lambda_n(P) \to \int_0^1P voor elke veelterm PP, en (ii) supniwi,n<\sup_n\sum_i\abs{w_{i,n}} < \infty. (Bereken Λn\norm{\Lambda_n}; 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 Λn=iwi,n\norm{\Lambda_n} = \sum_i\abs{w_{i,n}}: \leq is de driehoeksongelijkheid; \geq door te toetsen op een stuksgewijs lineaire ff met f1\norm f_\infty \leq 1 en f(xi,n)=sign(wi,n)f(x_{i,n}) = \operatorname{sign}(w_{i,n}) (interpoleer lineair tussen de eindig veel knooppunten; waar knooppunten samenvallen, vallen de tekens samen).

(\Rightarrow) Puntsgewijze convergentie in elke ff geeft (i), en puntsgewijze begrensdheid, dus levert Banach–Steinhaus (Stelling 8.9) op de banachruimte C([0,1])\mathcal C(\intcc01) de uitspraak (ii).

(\Leftarrow) Zij M=supnΛn+1M = \sup_n\norm{\Lambda_n} + 1. Kies bij gegeven ff en ε\varepsilon een veelterm PP met fP<ε/(2M)\norm{f - P}_\infty < \varepsilon/(2M) (Gevolg 7.16); dan is

Λnf01fΛn(fP)+ΛnP01P+01(Pf)ε+ΛnP01Pε.\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 .

Positieve gewichten met exactheid op de constanten: iwi,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 voor regels die exact zijn op de constanten — (ii) geldt dan met constante 11.

Oefening 8.10 ★★

Toon aan dat J ⁣:EEJ \colon E \to E'', J(x)(f)=f(x)J(x)(f) = f(x), een lineaire isometrie is (gebruik Gevolg 8.7(2)), en dat ze surjectief is wanneer dimE<\dim E < \infty. Toon ook aan dat EE separabel is zodra EE' dat is. (Kies xnx_n die een dichte rij van EE' bijna normeren, en toon aan dat hun gesloten opspansel EE is, via Gevolg 8.7(3).)

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.10.

De lineariteit van JJ is formeel; en J(x)=supf1f(x)=x\norm{J(x)} = \sup_{\norm f \leq 1}\abs{f(x)} = \norm x volgens Gevolg 8.7(2). Is dimE=n\dim E = n, dan is dimE=n\dim E' = n (een basis geeft coördinaatfunctionalen), dus dimE=n\dim E'' = n, en is de injectieve (isometrische) JJ surjectief. Separabiliteit: zij (fn)(f_n) dicht in EE' en kies xn=1\norm{x_n} = 1 met fn(xn)12fn\abs{f_n(x_n)} \geq \frac12\norm{f_n}. Stel F=Vect(xn)F = \overline{\operatorname{Vect}}(x_n); was FEF \neq E, neem dan een gEg \in E' met g0g \neq 0 die op FF verdwijnt (Gevolg 8.7(3)) en kies fnkgf_{n_k} \to g:

fnkg(fnkg)(xnk)=fnk(xnk)12fnk12(gfnkg),\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),

dus fnkg13g>0\norm{f_{n_k} - g} \geq \frac13\norm g > 0: tegenspraak. Bijgevolg is F=EF = E, en vormen de combinaties van de xnx_n met rationale (of Q+iQ\Q + \iu\Q-)coëfficiënten een aftelbare dichte verzameling.

Oefening 8.11 ★★

(Quotiëntruimten) Zij EE een banachruimte en FEF \subseteq E een gesloten deelruimte. Definieer op E/FE/F

xˉ  =  d(x,F)=infyFxy.\norm{\bar x} \;=\; d(x, F) = \inf_{y\in F}\norm{x - y} .

(a) Toon aan dat dit een goed gedefinieerde norm op E/FE/F is (waar komt de geslotenheid van FF binnen?), en dat de projectie π ⁣:EE/F\pi \colon E \to E/F voldoet aan π1\vertiii\pi \leq 1 en de open eenheidsbal op de open eenheidsbal afbeeldt. (b) Toon aan dat E/FE/F volledig is. (Gebruik het reekscriterium van Oefening 7.1(b): gegeven klassen xˉk\bar x_k met xˉk<\sum\norm{\bar x_k} < \infty, til elke op tot xkEx_k \in E met xkxˉk+2k\norm{x_k} \leq \norm{\bar x_k} + 2^{-k} en sommeer in EE.) (c) Bereken: toon voor E=cE = c (de convergente rijen) en F=c0F = c_0 aan dat c/c0Kc/c_0 \cong K isometrisch, via xˉlimnxn\bar x \mapsto \lim_nx_n.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.11.

(a) Goed gedefinieerd: d(x,F)d(x, F) hangt alleen van xˉ\bar x af (xx over FF verschuiven verandert de afstand niet). De homogeniteit en de driehoeksongelijkheid gaan via het infimum over van \norm\cdot. De scheiding vergt de geslotenheid: xˉ=0\norm{\bar x} = 0 betekent d(x,F)=0d(x, F) = 0, dus xFˉ=Fx \in \bar F = F, dus xˉ=0\bar x = 0. π1\vertiii\pi \leq 1: xˉx\norm{\bar x} \leq \norm x. Open bal op open bal: is xˉ<1\norm{\bar x} < 1, dan heeft een zekere representant xy<1\norm{x - y} < 1; en omgekeerd is π(BE(0,1))BE/F(0,1)\pi(B_E(0,1)) \subseteq B_{E/F}(0,1) wegens de normongelijkheid — dus is π\pi open, het modelgeval van de open-afbeeldingsstelling.

(b) Zij kxˉk<\sum_k\norm{\bar x_k} < \infty en til op met xkxˉk+2k\norm{x_k} \leq \norm{\bar x_k} + 2^{-k}: dan is xk<\sum\norm{x_k} < \infty, dus convergeert s=kxks = \sum_kx_k in de banachruimte EE (Oefening 7.1(b)), en de continuïteit van π\pi geeft kxˉk=sˉ\sum_k\bar x_k = \bar s: elke absoluut convergente reeks van E/FE/F convergeert, en dat is gelijkwaardig met volledigheid (dezelfde oefening).

(c) De afbeelding λ(x)=limnxn\lambda(x) = \lim_nx_n is lineair van cc naar KK en verdwijnt precies op c0c_0, dus induceert ze een lineaire bijectie c/c0Kc/c_0 \to K. Isometrie: d(x,c0)=λ(x)d(x, c_0) = \abs{\lambda(x)}\leq: trek van xx de rij xλ(x)1c0x - \lambda(x)\mathbf 1 \in c_0 af, zodat λ(x)1\lambda(x)\mathbf 1 overblijft, van norm λ(x)\abs{\lambda(x)}; \geq: voor yc0y \in c_0 is xylim supnxnyn=λ(x)\norm{x - y}_\infty \geq \limsup_n\abs{x_n - y_n} = \abs{\lambda(x)}.

Oefening 8.12 ★★

(Begrensde projecties en gecomplementeerde deelruimten) Zij EE een banachruimte en P ⁣:EEP \colon E \to E lineair met P2=PP^2 = P (een algebraïsche projectie), V=imPV = \operatorname{im}P en W=kerPW = \ker P. (a) Stel dat PP begrensd is. Toon aan dat VV en WW gesloten zijn en dat E=VWE = V \oplus W met de ontbinding x=Px+(xPx)x = Px + (x - Px). (b) Stel omgekeerd dat E=VWE = V \oplus W met VV en WW beide gesloten, en zij PP de projectie op VV langs WW. Toon aan dat PP begrensd is. (Gesloten grafiek: als xnxx_n \to x en PxnzPx_n \to z, dan is zVz \in V en xnPxnxzWx_n - Px_n \to x - z \in W, en de eenduidigheid van de ontbinding geeft z=Pxz = Px.) (c) Leid de gelijkwaardigheid af: een deelruimte VV 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 (c0c_0 binnen \ell^\infty is het klassieke voorbeeld): hilbertruimten, waar VV^\perp altijd werkt (Hoofdstuk 13), zijn de uitzondering, niet de regel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.12.

(a) W=kerPW = \ker P is gesloten (origineel van 00 onder een continue afbeelding); en V=imP=ker(IP)V = \operatorname{im}P = \ker(I - P) (immers Px=xPx = x precies wanneer ximPx \in \operatorname{im}P, met P2=PP^2 = P), eveneens gesloten. Elke xx splitst als Px+(xPx)Px + (x - Px) met PxVPx \in V en xPxWx - Px \in W, en VW=0V \cap W = 0 (want x=Px=0x = Px = 0): dus E=VWE = V \oplus W.

(b) Het grafiekargument: zij xnxx_n \to x en PxnzPx_n \to z. Dan is zVz \in V (VV gesloten en PxnVPx_n \in V) en xnPxnxzWx_n - Px_n \to x - z \in W (WW gesloten). Dus x=z+(xz)x = z + (x - z) met zVz \in V en xzWx - z \in W; en de eenduidigheid van de ontbinding geeft z=Pxz = Px. De grafiek van PP is gesloten en EE is een banachruimte: dus is PP begrensd (Stelling 8.14).

(c) (a) en (b) samen vormen de gelijkwaardigheid. In een hilbertruimte heeft elke gesloten VV het gesloten complement VV^\perp (Hoofdstuk 13): daar is elke gesloten deelruimte gecomplementeerd. In algemene banachruimten faalt dat — c0c_0 heeft in \ell^\infty 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 p\ell^p-ruimten

Probleem 8.1

Weekendopgave — (p)=q(\ell^p)' = \ell^q, reflexiviteit, en het vreemde van \ell^\infty

Leg 1<p<1 < p < \infty vast en zij qq de toegevoegde exponent, met 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1. De paring is overal x,y=nxnyn\langle x, y\rangle = \sum_n x_ny_n.

Deel I — Hölder en Minkowski voor rijen.

  1. (Ongelijkheid van Young) Toon voor a,b0a, b \geq 0 aan dat abapp+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q, met de concaviteit van log\log of door ttpp+1qtt \mapsto \frac{t^p}p + \frac1q - t te bestuderen.
  2. (Hölder) Leid af dat x,yxpyq\abs{\langle x, y\rangle} \leq \norm x_p\norm y_q voor xpx \in \ell^p en yqy \in \ell^q; bepaal het gelijkheidsgeval.
  3. (Minkowski) Leid de driehoeksongelijkheid voor p\norm\cdot_p af. (Schrijf xn+ynpxnxn+ynp1+ynxn+ynp1\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} en pas Hölder toe op elke term.)
  4. Bewijs dat p\ell^p volledig is en dat de eindige rijen er dicht in liggen.

Deel II — De dualiteit (p)=q(\ell^p)' = \ell^q.

  1. Toon voor yqy \in \ell^q aan dat Λy(x)=x,y\Lambda_y(x) = \langle x, y\rangle een Λy(p)\Lambda_y \in (\ell^p)' definieert met Λyyq\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_q, en, door te toetsen op xn=ynq1sign(yn)x_n = \abs{y_n}^{q-1}\operatorname{sign}(y_n) (passend afgeknot en genormaliseerd), dat Λy=yq\norm{\Lambda_y} = \norm y_q.
  2. Stel omgekeerd yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n) voor een gegeven Λ(p)\Lambda \in (\ell^p)'; toon aan dat yqy \in \ell^q met yqΛ\norm y_q \leq \norm\Lambda (toets op afknottingen zoals in vraag 5 en laat de afknotlengte groeien), en besluit dat Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y: de afbeelding yΛyy \mapsto \Lambda_y is een isometrisch isomorfisme q(p)\ell^q \to (\ell^p)'.
  3. Leid af dat p\ell^p reflexief is voor 1<p<1 < p < \infty: door de twee dualiteiten samen te stellen komt elk element van (p)(\ell^p)'' uit p\ell^p; ga zorgvuldig na dat de samenstelling de kanonieke JJ is.

Deel III — 1\ell^1 en \ell^\infty zijn andere beesten.

  1. Toon aan dat p\ell^p (1p<1 \leq p < \infty) en c0c_0 separabel zijn, maar \ell^\infty niet. (De overaftelbaar vele indicatorrijen van deelverzamelingen van N\N liggen paarsgewijs op afstand 11.)
  2. Leid uit Oefening 8.10 af dat (1)(\ell^1)' \cong \ell^\infty maar ()≇1(\ell^\infty)' \not\cong \ell^1: 1\ell^1 is niet reflexief. (Was ()(\ell^\infty)' gelijk aan 1\ell^1, dan was ze separabel en dus \ell^\infty ook.)
  3. (Een banachlimiet, expliciet) Stel op R\ell^\infty_\R: p(x)=lim supnx1++xnnp(x) = \limsup_n \frac{x_1 + \dots + x_n}{n}. Toon aan dat pp sublineair is, en dat op de deelruimte cc van de convergente rijen LIM(x)=limx\mathrm{LIM}(x) = \lim x voldoet aan LIMp\mathrm{LIM} \leq p. Zet met Hahn–Banach voort tot LIM ⁣:RR\mathrm{LIM} \colon \ell^\infty_\R \to \R en toon aan: LIM\mathrm{LIM} is positief (uit x0x \geq 0 volgt LIM(x)0\mathrm{LIM}(x) \geq 0), verschuivingsinvariant (LIM(x2,x3,)=LIM(x)\mathrm{LIM}(x_2, x_3, \dots) = \mathrm{LIM}(x)), zet de limiet voort, en voldoet aan lim infxLIM(x)lim supx\liminf x \leq \mathrm{LIM}(x)\leq \limsup x.
  4. Toon aan dat zo’n LIM\mathrm{LIM}, opgevat in ()(\ell^\infty)', niet van de vorm Λy\Lambda_y is voor enige y1y \in \ell^1; besluit opnieuw dat ()1(\ell^\infty)' \neq \ell^1. (Evalueer op de eenheidsrijen ene_n, en daarna op de constante rij 11.)
  5. Evalueer LIM\mathrm{LIM} op (0,1,0,1,)(0,1,0,1,\dots), en toon aan dat er geen verschuivingsinvariante multiplicatieve voortzetting van de limiet kan bestaan (beschouw x=(0,1,0,1,)x = (0,1,0,1,\dots) en xSxx\cdot Sx, waarbij SS de verschuiving is).

Deel IV — Slot: waarom reflexiviteit ertoe doet.

  1. Toon met Gevolg 8.10 en vraag 6 aan dat elke begrensde rij van p\ell^p (1<p<1 < p < \infty) een deelrij (x(k))(x^{(k)}) heeft die zwak convergeert: Λ(x(k))\Lambda(x^{(k)}) convergeert voor elke Λ(p)\Lambda \in (\ell^p)'. (Diagonaalextractie over de aftelbaar veel coördinaten; bepaal de zwakke limiet in p\ell^p met de uniforme begrensdheid van de normen en Hölder.) Toon aan de hand van een voorbeeld (ene_n in 1\ell^1, tegen goed gekozen elementen van \ell^\infty) aan dat dit in 1\ell^1 faalt: zwakke compactheid is een voorrecht van reflexieve ruimten.

Deel V — De zwakke topologie aan het werk, en de verrassing van Schur. Schrijf x(k)xx^{(k)} \rightharpoonup x in een genormeerde ruimte EE (zwakke convergentie) wanneer Λ(x(k))Λ(x)\Lambda(x^{(k)}) \to \Lambda(x) voor elke ΛE\Lambda \in E'.

  1. Maak de inventaris af: toon isometrisch aan dat (c0)1(c_0)' \cong \ell^1, volgens het schema van de vragen 5–6 (wat neemt de plaats van de toetsrijen in?). Stel de keten c01c_0 \to \ell^1 \to \ell^\infty \to \dots van opeenvolgende duale ruimten samen en markeer waar de reflexiviteit faalt.
  2. Toon aan dat elke zwak convergente rij van een banachruimte begrensd is: bekijk de x(k)x^{(k)} via de kanonieke inbedding JJ als functionalen op EE' en pas Banach–Steinhaus toe (Stelling 8.9) — op welke banachruimte, en waarom is de volledigheid daar beschikbaar?
  3. Toon aan dat in p\ell^p met 1<p<1 < p < \infty geldt: x(k)xx^{(k)} \rightharpoonup x dan en slechts dan als supkx(k)p<\sup_k\norm{x^{(k)}}_p < \infty en xn(k)xnx^{(k)}_n \to x_n voor elke coördinaat nn (één richting gebruikt Banach–Steinhaus via de kanonieke inbedding; benader voor de andere yqy \in \ell^q door eindige rijen). Leid af dat ek0e_k \rightharpoonup 0 in 2\ell^2 terwijl ek2=1\norm{e_k}_2 = 1: zwakke limieten kunnen massa verliezen.
  4. Toon aan dat de norm zwak onderhalfcontinu is: uit x(k)xx^{(k)} \rightharpoonup x volgt xlim infkx(k)\norm x \leq \liminf_k\,\norm{x^{(k)}} (kies een normerende functionaal voor xx, Gevolg 8.7).
  5. (Radon–Riesz in 2\ell^2) Toon aan dat in 2\ell^2 zwakke convergentie samen met convergentie van de normen normconvergentie impliceert (werk x(k)x22\norm{x^{(k)} - x}_2^2 uit). Geef een tegenvoorbeeld voor dezelfde uitspraak zonder de normhypothese.
  6. (Schur, stap 1) Zij x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0 in 1\ell^1 en stel, uit het ongerijmde, dat x(k)1δ>0\norm{x^{(k)}}_1 \geq \delta > 0 langs een deelrij. Toon eerst aan dat xn(k)0x^{(k)}_n \to 0 voor elke nn (welke functionalen?), en construeer daarna recursief indices k1<k2<k_1 < k_2 < \cdots en gehele getallen 0=N0<N1<N2<0 = N_0 < N_1 < N_2 < \cdots zodanig dat de massa van x(kj)x^{(k_j)} zich concentreert op het blok Bj=(Nj1,Nj]B_j = \intoc{N_{j-1}}{N_j}:

    nBjxn(kj)x(kj)1δ10.\sum_{n \in B_j}\bigl|x^{(k_j)}_n\bigr| \geq \norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac\delta{10} .
  7. (Schur, stap 2) Definieer yy \in \ell^\infty door yn=sign(xn(kj))y_n = \operatorname{sign}\bigl(x^{(k_j)}_n\bigr) voor nBjn \in B_j. Toon aan dat x(kj),yx(kj)12δ108δ10\langle x^{(k_j)}, y\rangle \geq \norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac{2\delta}{10} \geq \frac{8\delta}{10} en leid een tegenspraak af met x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0. Besluit de stelling van Schur: in 1\ell^1 convergeren zwak convergente rijen in norm.
  8. Leid af dat (ek)(e_k) in 1\ell^1 geen zwak convergente deelrij heeft (haar enige kandidaat-limiet is 00, 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 1\ell^1 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.
  9. (Overzichtstabel) Stel voor E{c0, 1, p (1<p<), }E \in \{c_0,\ \ell^1,\ \ell^p\ (1{<}p{<}\infty),\ \ell^\infty\} 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.

  1. (Dichtstbijzijnde punten: een dividend van de reflexiviteit) Zij FF een gesloten deelruimte van p\ell^p (1<p<1 < p < \infty) en xpx \in \ell^p. Toon aan dat d=dist(x,F)d = \operatorname{dist}(x, F) bereikt wordt: haal uit een minimaliserende rij een zwak convergente deelrij (vraag 13), houd de zwakke limiet binnen FF door met Hahn–Banach een functionaal te bouwen die op FF verdwijnt maar niet in een punt daarbuiten, en besluit met vraag 17. Toon daarna aan dat dit voorrecht niet universeel is: bewijs voor Λ(x)=n2nxn\Lambda(x) = \sum_n2^{-n}x_n op c0c_0 dat Λ=1\norm\Lambda = 1 niet op de eenheidsbal bereikt wordt, stel de afstandsformule dist(x,kerΛ)=Λ(x)\operatorname{dist}(x, \ker\Lambda) = \abs{\Lambda(x)} op, en leid af dat geen enkele xkerΛx \notin \ker\Lambda een dichtstbijzijnd punt in het gesloten hypervlak kerΛ\ker\Lambda heeft.
  2. (Banach–Saks in 2\ell^2) Zij x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0 in R2\ell^2_{\R} met x(k)2C\norm{x^{(k)}}_2 \leq C. Construeer een deelrij (yj)(y_j) met yi,yj1j\abs{\langle y_i, y_j\rangle} \leq \frac1j voor alle i<ji < j, en leid af dat

    y1++ymm22C2+2m0:\Bigl\lVert\frac{y_1 + \dots + y_m}m\Bigr\rVert_2^2 \leq \frac{C^2 + 2}m \longrightarrow 0 :

    na extractie convergeren de cesàromiddelen dus in norm. Controleer dat op (ek)(e_k), waarvan de middelen norm 1m\frac1{\sqrt m} hebben: zwakke convergentie, nutteloos voor de rij zelf (vraag 16), wordt normconvergentie voor de gemiddelden.

  3. (De waarde van een banachlimiet) Zij LL een willekeurige banachlimiet (vraag 10) en Amx=1m(x+Sx++Sm1x)A_mx = \frac1m(x + Sx + \dots + S^{m-1}x). Toon aan dat L(Amx)=L(x)L(A_mx) = L(x) en lim infAmxL(x)lim supAmx\liminf A_mx \leq L(x) \leq \limsup A_mx; leid af dat alle banachlimieten op periodieke rijen samenvallen, met als waarde het gemiddelde over een periode — 13\frac13 op (1,0,0,1,0,0,)(1, 0, 0, 1, 0, 0, \dots), in overeenstemming met de 12\frac12 uit vraag 12. Toon daarna aan dat die overeenstemming in het algemeen faalt: toon voor de blokrij xx die gelijk is aan 11 op (3j1,3j]\intoc{3^{j-1}}{3^j} voor even jj en 00 elders, aan dat de cesàromiddelen tussen 13\leq \frac13 en 23\geq \frac23 schommelen, en bouw twee banachlimieten L±L_\pm met L(x)13<23L+(x)L_-(x) \leq \frac13 < \frac23 \leq L_+(x) (zet voort vanaf cRxc \oplus \R x met de uiterste toegelaten waarden ±\pm: ga na dat Λ(y+tx)=limy+tp(x)\Lambda(y + tx) = \lim y + t\,p(x) door de sublineaire pp van vraag 10 wordt gedomineerd).
Oplossing

Oplossing van Probleem 8.1.

1. Voor a,b>0a, b > 0 geeft de concaviteit van log\log: log(app+bqq)1plogap+1qlogbq=log(ab)\log\bigl(\tfrac{a^p}p + \tfrac{b^q}q\bigr) \geq \tfrac1p\log a^p + \tfrac1q\log b^q = \log(ab); exponentieer. (Is ab=0ab = 0, dan is de ongelijkheid triviaal.) Gelijkheid precies wanneer ap=bqa^p = b^q.

2. We mogen xp=yq=1\norm x_p = \norm y_q = 1 aannemen (homogeniteit; de nulgevallen zijn triviaal). Dan is

x,ynxnynn(xnpp+ynqq)=1p+1q=1=xpyq.\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 .

Gelijkheid vergt xnp=ynq\abs{x_n}^p = \abs{y_n}^q voor alle nn (het gelijkheidsgeval van Young) plus het uitlijnen van de fasen van xnynx_ny_n.

3. xn+ynp(xn+yn)xn+ynp1\abs{x_n + y_n}^p \leq \bigl(\abs{x_n} + \abs{y_n}\bigr)\abs{x_n + y_n}^{p-1}; sommeren en Hölder toepassen (pp tegen qq, met (p1)q=p(p - 1)q = p) geeft

x+ypp(xp+yp)(nxn+ynp)1/q=(xp+yp)x+ypp/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};

is x+yp0\norm{x + y}_p \neq 0 (anders triviaal), deel dan door x+ypp/q\norm{x+y}_p^{p/q} en gebruik ppq=1p - \frac pq = 1. (Dat x+yp\norm{x+y}_p eindig is, komt eerst: xn+ynp2p(xnp+ynp)\abs{x_n+y_n}^p \leq 2^p(\abs{x_n}^p + \abs{y_n}^p).)

4. Volledigheid: als voor 1\ell^1 (Oefening 8.3), met coördinaatsgewijze limieten plus de uniforme staartgrens nNxn(k)xn(l)pεp\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n}^p \leq \varepsilon^p, waarbij eerst ll en dan NN naar oneindig gaat. Dichtheid van de eindige rijen: xnNxnenpp=n>Nxnp0\norm{x - \sum_{n\leq N}x_ne_n}_p^p = \sum_{n > N}\abs{x_n}^p \to 0.

5. Hölder geeft Λy(x)xpyq\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_p\norm y_q: dus Λyyq\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_q. Toetsen: stel xn(N)=ynq1sign(yn)x^{(N)}_n = \abs{y_n}^{q-1}\overline{\operatorname{sign}}(y_n) voor nNn \leq N en 00 daarna (met sign\operatorname{sign} de fase van modulus 11, zodat xnyn=ynqx_ny_n = \abs{y_n}^q). Dan is Λy(x(N))=nNynq\Lambda_y(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q en x(N)p=(nNynq)1/p\norm{x^{(N)}}_p = \bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^{q}\bigr)^{1/p} (want (q1)p=q(q-1)p = q), dus

Λy(nNynq)11/pNyq.\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. Stel yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n). Met dezelfde toetsvectoren is nNynq=Λ(x(N))Λ(nNynq)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}, waaruit (nNynq)1/qΛ\bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/q} \leq \norm\Lambda voor elke NN: dus yqy \in \ell^q met yqΛ\norm y_q \leq \norm\Lambda. De functionalen Λ\Lambda en Λy\Lambda_y vallen samen op de dichte eindige rijen (vraag 4): Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y. Met vraag 5 is yΛyy \mapsto \Lambda_y dus een isometrisch isomorfisme q(p)\ell^q \cong (\ell^p)'.

7. Zij ξ(p)\xi \in (\ell^p)''. Samengesteld met de isometrie q(p)\ell^q \cong (\ell^p)' uit vraag 6 definieert ξ\xi een element van (q)(\ell^q)', dat (vraag 6 met pp en qq verwisseld) gelijk is aan Λz\Lambda_z voor een unieke zpz \in \ell^p: voor elke yqy \in \ell^q is ξ(Λy)=nznyn\xi(\Lambda_y) = \sum_nz_ny_n. Anderzijds is J(z)(Λy)=Λy(z)=nynznJ(z)(\Lambda_y) = \Lambda_y(z) = \sum_ny_nz_n: dezelfde waarde. En omdat elk element van (p)(\ell^p)' een Λy\Lambda_y is, volgt ξ=J(z)\xi = J(z): JJ is surjectief — p\ell^p is reflexief.

8. De eindige rijen met rationale ingangen (reëel en imaginair deel) zijn aftelbaar en liggen dicht in p\ell^p (p<p < \infty) en in c0c_0. In \ell^\infty: de familie {1A:AN}\{\mathbf 1_A : A \subseteq \N\} is overaftelbaar met 1A1B=1\norm{\mathbf 1_A - \mathbf 1_B}_\infty = 1 voor ABA \neq B; de ballen B(1A,12)B(\mathbf 1_A, \frac12) zijn paarsgewijs disjunct, en een dichte verzameling moet elk ervan snijden: er is dus geen aftelbare dichte verzameling.

9. Was 1\ell^1 reflexief, dan was ()((1))=J(1)(\ell^\infty)' \cong ((\ell^1)')' = J(\ell^1) separabel (isometrisch beeld van het separabele 1\ell^1); en volgens Oefening 8.10 zou de separabiliteit van de duale ruimte ()(\ell^\infty)' afdwingen dat \ell^\infty separabel is — in strijd met vraag 8. Dus is 1\ell^1 niet reflexief (en is ()(\ell^\infty)' strikt groter dan 1\ell^1, zoals vraag 11 concreet maakt).

10. De homogeniteit van pp is duidelijk; subadditiviteit: middelen is lineair, en lim sup(un+vn)lim supun+lim supvn\limsup(u_n + v_n) \leq \limsup u_n + \limsup v_n. Op cc: de cesàromiddelen van een convergente rij convergeren naar haar limiet, dus is p(x)=limx=LIM(x)p(x) = \lim x = \mathrm{LIM}(x) daar; in het bijzonder LIMp\mathrm{LIM} \leq p op cc. Hahn–Banach (Stelling 8.6) zet LIM\mathrm{LIM} voort tot R\ell^\infty_\R met overal LIMp\mathrm{LIM} \leq p. Positiviteit: voor x0x \geq 0 is LIM(x)=LIM(x)p(x)=lim supgem(x)0-\mathrm{LIM}(x) = \mathrm{LIM}(-x) \leq p(-x) = \limsup\text{gem}(-x) \leq 0. Verschuivingsinvariantie: de middelen van xSxx - Sx telescoperen tot x1xn+1n0\frac{x_1 - x_{n+1}}n \to 0, dus p(±(xSx))=0p(\pm(x - Sx)) = 0 en LIM(xSx)=0\mathrm{LIM}(x - Sx) = 0. Grenzen: LIM(x)p(x)lim supx\mathrm{LIM}(x) \leq p(x) \leq \limsup x (de middelen blijven achter bij de suprema), en dit op x-x toepassen geeft de ondergrens.

11. enc0e_n \in c_0, dus LIM(en)=0\mathrm{LIM}(e_n) = 0 voor alle nn. Was LIM=Λy\mathrm{LIM} = \Lambda_y met y1y \in \ell^1, dan was yn=Λy(en)=0y_n = \Lambda_y(e_n) = 0 voor alle nn, dus Λy=0\Lambda_y = 0; maar LIM(1)=1\mathrm{LIM}(\mathbf 1) = 1. Dus LIM(){Λy:y1}\mathrm{LIM} \in (\ell^\infty)' \setminus \{\Lambda_y : y \in \ell^1\}: opnieuw ()1(\ell^\infty)' \neq \ell^1.

12. Voor x=(0,1,0,1,)x = (0,1,0,1,\dots) is x+Sx=1x + Sx = \mathbf 1, dus 2LIM(x)=LIM(x)+LIM(Sx)=12\,\mathrm{LIM}(x) = \mathrm{LIM}(x) + \mathrm{LIM}(Sx) = 1 en LIM(x)=12\mathrm{LIM}(x) = \frac12. Was φ\varphi een verschuivingsinvariante multiplicatieve voortzetting van de limiet, dan geeft xSx=0x\cdot Sx = 0 dat φ(x)φ(Sx)=φ(x)2=0\varphi(x)\varphi(Sx) = \varphi(x)^2 = 0, dus φ(x)=0\varphi(x) = 0; maar φ(x)+φ(Sx)=φ(1)=1\varphi(x) + \varphi(Sx) = \varphi(\mathbf 1) = 1 geeft 2φ(x)=12\varphi(x) = 1: tegenspraak. Middelen en vermenigvuldigen gaan niet samen.

13. Zij x(k)pM\norm{x^{(k)}}_p \leq M. De coördinaten zijn door MM begrensd: een diagonaalextractie geeft een deelrij (nog steeds x(k)x^{(k)} genoemd) met xn(k)xnx^{(k)}_n \to x_n voor elke nn. Dan is xpx \in \ell^p: nNxnp=limknNxn(k)pMp\sum_{n\leq N}\abs{x_n}^p = \lim_k\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n}^p \leq M^p voor alle NN. Zwakke convergentie: voor yqy \in \ell^q en willekeurige NN is

Λy(x(k)x)nN(xn(k)xn)yn+2M(n>Nynq)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},

waarbij de eerste term naar 00 gaat als kk \to \infty (eindig veel coördinaten) en de tweede klein is voor grote NN (Hölder op de staart): dus Λy(x(k))Λy(x)\Lambda_y(x^{(k)}) \to \Lambda_y(x) voor elke yy — zwakke convergentie, want elke functionaal is een Λy\Lambda_y (vraag 6). In 1\ell^1 faalt dit: beschouw de begrensde rij (en)(e_n). Elke deelrij (enk)(e_{n_k}) convergeert coördinaatsgewijs naar 00, dus is 00 haar enige kandidaat-limiet; maar toetsen tegen yy \in \ell^\infty met ynk=(1)ky_{n_k} = (-1)^k (en 00 elders) geeft Λy(enk)=(1)k\Lambda_y(e_{n_k}) = (-1)^k, wat divergeert. Er is dus geen zwak convergente deelrij: zwakke rijcompactheid van de ballen kenmerkt de reflexieve wereld.

14. Voor y1y \in \ell^1 is Λy(x)=xnyn\Lambda_y(x) = \sum x_ny_n gedefinieerd op c0c_0 met Λy(x)xy1\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_\infty\norm y_1, en toetsen op x(N)=(signy1,,signyN,0,)c0x^{(N)} = (\operatorname{sign}y_1, \dots, \operatorname{sign}y_N, 0, \dots) \in c_0 geeft Λy(x(N))=nNyny1\Lambda_y(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n} \to \norm y_1: dus Λy=y1\norm{\Lambda_y} = \norm y_1. Stel omgekeerd yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n) voor Λ(c0)\Lambda \in (c_0)'; dezelfde toetsen geven nNyn=Λ(x(N))Λ\sum_{n \leq N}\abs{y_n} = \Lambda(x^{(N)}) \leq \norm\Lambda, dus y1y \in \ell^1, en Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y op de dichte eindige rijen en dus overal. De keten van duale ruimten: (c0)=1(c_0)' = \ell^1, (1)=(\ell^1)' = \ell^\infty (Oefening 8.10), ()1(\ell^\infty)' \supsetneq \ell^1 (vragen 9–11): de reflexiviteit faalt al bij de allereerste stap — c0=c0c_0'' = \ell^\infty \neq c_0 — en herstelt nooit meer.

15. Jx(k)E=(E)J x^{(k)} \in E'' = (E')' is een familie begrensde functionalen op de banachruimte EE' (duale ruimten zijn volledig, Propositie 8.2); en voor elke ΛE\Lambda \in E' convergeert de rij Jx(k)(Λ)=Λ(x(k))Jx^{(k)}(\Lambda) = \Lambda(x^{(k)}) en is ze dus begrensd. Banach–Steinhaus op EE' geeft supkJx(k)<\sup_k\norm{Jx^{(k)}} < \infty, en JJ is isometrisch (Opmerking 8.8): dus supkx(k)<\sup_k\norm{x^{(k)}} < \infty.

16. (\Rightarrow) De begrensdheid is vraag 15; en de coördinaten zijn de functionalen Λen\Lambda_{e_n}. (\Leftarrow) Zij M=supkx(k)pM = \sup_k\norm{x^{(k)}}_p, yqy \in \ell^q en ε>0\varepsilon > 0; kies NN met (n>Nynq)1/q<ε\bigl(\sum_{n>N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/q} < \varepsilon. Dan is

Λy(x(k)x)nNxn(k)xnyn+x(k)xpεnNxn(k)xnyn+(M+xp)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,

en de eindige som gaat naar 00: dus lim sup(M+xp)ε\limsup \leq (M + \norm x_p)\varepsilon voor elke ε\varepsilon. (Dat xpx \in \ell^p met xpM\norm x_p \leq M, volgt uit grenzen op eindige stukken in de trant van Fatou: nNxnp=limknNxn(k)pMp\sum_{n \leq N}\abs{x_n}^p = \lim_k\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n}^p \leq M^p.) Voor eke_k in 2\ell^2: begrensd, coördinaatsgewijs 0\to 0, dus ek0e_k \rightharpoonup 0, en toch ek=1\norm{e_k} = 1: de eenheid massa ontsnapt naar oneindige index, onzichtbaar voor elke vaste functionaal.

17. Neem Λ\Lambda met Λ=1\norm\Lambda = 1 en Λ(x)=x\Lambda(x) = \norm x (Gevolg 8.7). Dan is x=limΛ(x(k))lim infΛx(k)=lim infx(k)\norm x = \lim\Lambda(x^{(k)}) \leq \liminf\norm\Lambda\,\norm{x^{(k)}} = \liminf\norm{x^{(k)}}. (Met ek0e_k \rightharpoonup 0: 0lim inf10 \leq \liminf 1, en de ongelijkheid kan strikt zijn.)

18. In 2\ell^2 is x(k)x22=x(k)222Rex(k),x+x22\norm{x^{(k)} - x}_2^2 = \norm{x^{(k)}}_2^2 - 2\operatorname{Re}\langle x^{(k)}, x\rangle + \norm x_2^2 (in het reële geval 2x(k),x-2\langle x^{(k)}, x\rangle). Zwakke convergentie toegepast op de functionaal Λx\Lambda_x geeft x(k),xx22\langle x^{(k)}, x\rangle \to \norm x_2^2, en de normen convergeren per hypothese: het rechterlid gaat dus naar x22x2+x2=0\norm x^2 - 2\norm x^2 + \norm x^2 = 0. Tegenvoorbeeld zonder normconvergentie: ek0e_k \rightharpoonup 0 met ek0=1↛0\norm{e_k - 0} = 1 \not\to 0.

19. Coördinaatsgewijze convergentie: pas de functionalen Λen(1)=\Lambda_{e_n} \in (\ell^1)' = \ell^\infty toe (met y=eny = e_n). Constructie: zijn kj1k_{j-1} en Nj1N_{j-1} gekozen, neem dan kj>kj1k_j > k_{j-1} zo groot dat nNj1xn(kj)<δ20\sum_{n \leq N_{j-1}}\abs{x^{(k_j)}_n} < \frac\delta{20} (eindig veel coördinaten, elk 0\to 0), en daarna Nj>Nj1N_j > N_{j-1} zo groot dat de staart voldoet aan n>Njxn(kj)<δ20\sum_{n > N_j}\abs{x^{(k_j)}_n} < \frac\delta{20} (convergentie van de reeks die x(kj)1\norm{x^{(k_j)}}_1 definieert). Het blok Bj=(Nj1,Nj]B_j = \intoc{N_{j-1}}{N_j} draagt dan op δ10\frac\delta{10} na de hele massa van x(kj)x^{(k_j)}.

20. Met yy als gedefinieerd (overal yn1\abs{y_n} \leq 1):

x(kj),y=nBjxn(kj)+nBjxn(kj)yn(x(kj)1δ10)δ10δ2δ10=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,

waarbij de middelste ongelijkheid geldt omdat de massa buiten het blok hoogstens δ10\frac\delta{10} is (vraag 19). Maar y=(1)y \in \ell^\infty = (\ell^1)' en x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0 dwingen x(kj),y0\langle x^{(k_j)}, y\rangle \to 0 af: tegenspraak. Zwak naar nul convergerende rijen van 1\ell^1 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 (ek)(e_k) zou limiet 00 hebben (coördinaten), dus volgens Schur ekj10\norm{e_{k_j}}_1 \to 0 — maar de normen zijn 11. Er is dus geen zwak convergente deelrij, zoals in vraag 13 met de hand gevonden. Geen paradox: Schur zegt dat rijen in 1\ell^1 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.

EEEE'sep.refl.zwak rijcpt. ballen
c0c_01\ell^1janeenee (e1++eke_1{+}\dots{+}e_k)
1\ell^1\ell^\inftyjaneenee (eke_k, vr. 21)
p\ell^pq\ell^qjajaja (vr. 13)
\ell^\infty1\supsetneq\ell^1neeneenee

Kenmerken: c0c_0 — haar biduale ruimte is \ell^\infty: de eerste niet-reflexieve stap (vraag 14); 1\ell^1 — de eigenschap van Schur (vraag 20); p\ell^p — reflexiviteit en zwakke compactheid (vragen 7 en 13); \ell^\infty — niet-separabel, met banachlimieten: functionalen die geen enkele rij kan voorstellen (vragen 8 en 10–11). Eén familie ruimten, vier verschillende werelden.

23. Zij (fk)F(f_k) \subseteq F met xfkd\norm{x - f_k} \to d. Dan is fkx+supkxfk\norm{f_k} \leq \norm x + \sup_k\norm{x - f_k}: begrensd, dus levert vraag 13 een deelrij fkjff_{k_j} \rightharpoonup f. Was fFf \notin F, dan is δ=dist(f,F)>0\delta = \operatorname{dist}(f, F) > 0 (FF is gesloten); op FRfF \oplus \R f voldoet de lineaire vorm λ(g+tf)=t\lambda(g + tf) = t aan λ(u)u/δ\abs{\lambda(u)} \leq \norm u/\delta (want g+tftδ\norm{g + tf} \geq \abs t\,\delta), en Hahn–Banach zet die voort tot Λ(p)\Lambda \in (\ell^p)' met ΛF=0\Lambda\restriction_F = 0 en Λ(f)=1\Lambda(f) = 1; maar dan is 0=Λ(fkj)Λ(f)=10 = \Lambda(f_{k_j}) \to \Lambda(f) = 1: tegenspraak. Dus fFf \in F, en xfkjxfx - f_{k_j} \rightharpoonup x - f geeft met vraag 17

dxflim infjxfkj=d:d \leq \norm{x - f} \leq \liminf_j\,\norm{x - f_{k_j}} = d :

de afstand wordt in ff bereikt. In c0c_0: Λ(x)n2nxn<x\abs{\Lambda(x)} \leq \sum_n2^{-n}\abs{x_n} < \norm x_\infty voor elke x0x \neq 0 (een nulrij 0\neq 0 kan niet voor alle nn aan xn=x\abs{x_n} = \norm x_\infty voldoen), terwijl de afgeknotte rijen (1,,1,0,)(1, \dots, 1, 0, \dots) geven Λ=12N1\Lambda = 1 - 2^{-N} \to 1: dus Λ=1\norm\Lambda = 1, nooit bereikt. Afstandsformule: voor fkerΛf \in \ker\Lambda is Λ(x)=Λ(xf)xf\abs{\Lambda(x)} = \abs{\Lambda(x - f)} \leq \norm{x - f}, dus dist(x,kerΛ)Λ(x)\operatorname{dist}(x, \ker\Lambda) \geq \abs{\Lambda(x)}; en omgekeerd ligt voor uu in de eenheidsbal met Λ(u)1ε\Lambda(u) \geq 1 - \varepsilon de vector f=xΛ(x)Λ(u)uf = x - \frac{\Lambda(x)}{\Lambda(u)}u in kerΛ\ker\Lambda met xfΛ(x)1ε\norm{x - f} \leq \frac{\abs{\Lambda(x)}}{1 - \varepsilon}: gelijkheid. Werd ze in een fkerΛf \in \ker\Lambda bereikt, dan voldeed z=xfz = x - f aan Λ(z)=Λ(x)=z0\abs{\Lambda(z)} = \abs{\Lambda(x)} = \norm z \neq 0, zodat Λ\Lambda haar norm in z/zz/\norm z zou bereiken: onmogelijk. Een gesloten hypervlak van c0c_0 zonder ergens een dichtstbijzijnd punt — de reflexiviteit was geen versiering.

24. Stel y1=x(1)y_1 = x^{(1)}. Gegeven y1,,yjy_1, \dots, y_j gaat elke afbeelding kyi,x(k)k \mapsto \langle y_i, x^{(k)}\rangle naar 00 (yi2=(2)y_i \in \ell^2 = (\ell^2)'), dus is er voorbij de vorige index een kj+1k_{j+1} met yi,x(kj+1)1j+1\abs{\langle y_i, x^{(k_{j+1})}\rangle} \leq \frac1{j+1} voor i=1,,ji = 1, \dots, j; noem die keuze yj+1y_{j+1}. Dan is

j=1myj22=j=1myj22+2j=2mi<jyi,yjmC2+2j=2mj1jmC2+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,

en delen door m2m^2 geeft 1mjyj22C2+2m0\norm{\frac1m\sum_jy_j}_2^2 \leq \frac{C^2 + 2}m \to 0. (Voor een zwakke limiet x0x \neq 0: pas dit toe op x(k)xx^{(k)} - x.) Op de orthonormale (ek)(e_k) is zelfs geen extractie nodig: 1m(e1++em)2=mm=1m\norm{\frac1m(e_1 + \dots + e_m)}_2 = \frac{\sqrt m}m = \frac1{\sqrt m}. Middelen zet zwakke convergentie dus om in normconvergentie: de eigenschap van Banach–Saks van 2\ell^2.

25. Amx=1mi=0m1SixA_mx = \frac1m\sum_{i=0}^{m-1}S^ix, dus geven de lineariteit en de verschuivingsinvariantie L(Amx)=L(x)L(A_mx) = L(x). Kies voor een begrensde uu en ε>0\varepsilon > 0 een NN met unlim supu+εu_n \leq \limsup u + \varepsilon voor nNn \geq N; de positiviteit toegepast op (lim supu+ε)1SNu0(\limsup u + \varepsilon)\mathbf 1 - S^Nu \geq 0 samen met L(SNu)=L(u)L(S^Nu) = L(u) geeft L(u)lim supu+εL(u) \leq \limsup u + \varepsilon, en symmetrisch L(u)lim infuεL(u) \geq \liminf u - \varepsilon: dus lim infAmxL(x)lim supAmx\liminf A_mx \leq L(x) \leq \limsup A_mx voor elke mm. Is xx TT-periodiek, dan is ATxA_Tx de constante rij gelijk aan het periodegemiddelde μ\mu: dus L(x)=μL(x) = \mu voor elke banachlimiet — 13\frac13 op (1,0,0,)(1,0,0,\dots) en 12\frac12 op (0,1,0,1,)(0,1,0,1,\dots) als in vraag 12. Voor de blokrij: bij N=3jN = 3^j met jj even bestaat het laatste blok geheel uit enen, dus is het cesàromiddel 3j3j13j=23\geq \frac{3^j - 3^{j-1}}{3^j} = \frac23; en bij N=3jN = 3^j met jj oneven liggen alle enen in (0,3j1]\intoc0{3^{j-1}}, dus is het middel 13\leq \frac13. Bijgevolg is p(x)23p(x) \geq \frac23 en p(x)=lim infnx1++xnn13-p(-x) = \liminf_n\frac{x_1 + \dots + x_n}n \leq \frac13. Definieer op M=cRxM = c \oplus \R x: Λ+(y+tx)=limy+tp(x)\Lambda_+(y + tx) = \lim y + t\,p(x). Dominatie door pp: voor t>0t > 0 geeft de sublineariteit p(tx)p(y+tx)+p(y)p(tx) \leq p(y + tx) + p(-y), oftewel p(y+tx)tp(x)+limyp(y + tx) \geq t\,p(x) + \lim y (merk op dat p(±y)=±limyp(\pm y) = \pm\lim y voor ycy \in c: de cesàromiddelen van een convergente rij convergeren naar haar limiet); voor t=s<0t = -s < 0 geeft p(y)p(ysx)+p(sx)p(y) \leq p(y - sx) + p(sx) dat p(ysx)limysp(x)p(y - sx) \geq \lim y - s\,p(x); en voor t=0t = 0 is er gelijkheid. Dus is Λ+p\Lambda_+ \leq p op MM, en Hahn–Banach zet haar voort tot L+pL_+ \leq p op R\ell^\infty_\R, wat precies als in vraag 10 een banachlimiet is (uit de dominatie door pp volgen de positiviteit, de verschuivingsinvariantie en de waarde lim\lim op cc), met L+(x)=p(x)23L_+(x) = p(x) \geq \frac23. Dezelfde berekening met Λ(y+tx)=limytp(x)\Lambda_-(y + tx) = \lim y - t\,p(-x) (met p(sx)p(ysx)+p(y)p(-sx) \leq p(y - sx) + p(-y) voor het geval t=s<0t = -s < 0) levert een banachlimiet LL_- met L(x)=p(x)13L_-(x) = -p(-x) \leq \frac13. Twee banachlimieten, één rij, twee waarden: buiten de periodieke (en algemener de bijna convergente) wereld is een banachlimiet een echte keuze.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst