Теоретический минимум по функциональному анализу за 5 семестр

Материал из Викиконспекты
Версия от 15:48, 13 января 2013; 94.25.229.82 (обсуждение) (15 Теорема Рисса-Фишера, равенство Парсеваля.)
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

1 Определение МП, замыкание в МП.

Определение:
Для некоторого множества [math]X[/math], отображение [math] \rho : X \times X \rightarrow \mathbb{R^+} [/math] — называется метрикой на [math]X[/math], если выполняются аксиомы
  1. [math] \rho (x, y) \ge 0 ;\ \rho (x, y) = 0 \iff x = y [/math]
  2. [math] \rho (x, y) = \rho (y, x) [/math]
  3. [math] \rho (x, y) \le \rho (x, z) + \rho (z, y) [/math] — неравенство треугольника
Пару [math](X, \rho)[/math] называют метрическим пространством.


Определение:
Замыкание (closure) множества [math]A[/math] называется множество [math]\mathrm{Cl} A = \bigcap\limits_{A \subset F } F[/math], где [math] F [/math] — замкнутые множества.


2 Принцип вложенных шаров в полном МП.

Утверждение (принцип вложенных шаров):
Пусть [math](X, \rho)[/math] — полное. [math]\overline V_n[/math] — замкнутые шары. [math]\overline V_{n + 1} \subset \overline V_n[/math], [math]r_n \to 0[/math]. Тогда [math]\bigcap\limits_{n=1}^{\infty} \overline V_n \ne \emptyset[/math], и состоит из одной точки.

3 Теорема Бэра о категориях.

Теорема (Бэр):
Полное МП является множеством II категории в себе.

4 Критерий компактности Хаусдорфа в МП.

Теорема (Хаусдорф):
Пусть [math]X[/math] — полное метрическое пространство, [math]K \subset X[/math], [math]K[/math] — замкнуто. Тогда [math]K[/math] — компакт [math]\iff[/math] [math]K[/math] — вполне ограниченно.

5 Пространство [math]R^{\infty}[/math] : метрика, покоординатная сходимость.

  • [math]X = \mathbb{R}^{\infty}[/math]. Превращение в МП должно быть связано с желаемой операцией предельного перехода. В случае конечномерного пространства сходимость совпадает с покоординатной сходимостью, хотим того же самого для бесконечномерного. Введем метрику: [math]\rho(\overline x, \overline y) = \sum\limits_{n = 1}^{\infty} {1 \over 2^n}{|x_n - y_n| \over 1 + |x_n - y_n|}[/math] (стандартный способ превратить в метрическое пространство счетное произведение метрических пространств, коим и является [math]R^{\infty}[/math]). Проверим, что эта метрика удовлетворяет аксиомам:
    • этот ряд всегда сходящийся, так как мажорируется убывающей геометрической прогрессией [math]\sum\limits_{n=1}^{\infty} {1 \over 2^n} = 1[/math], соответственно, расстояние ограничено единицей.
    • первая аксиома: неотрицательность очевидна, равенство метрики нулю в обе стороны очевидно
    • вторая аксиома: еще очевиднее
    • третья аксиома легко вытекает из следующего утверждения:
Утверждение:
[math] {|x - z| \over 1 + |x - z|} \le {|x - y| \over 1 + |x - y|} + {|y - z| \over 1 + |y - z|}[/math]
Утверждение:
Сходимость в метрике [math] \mathbb{R}^{\infty} [/math] эквивалентна покоординатной.

6 Норма в линейном множестве, определение предела по норме, арифметика предела.

Определение:
Функция [math]\| \cdot \|: L \to \mathbb{R}[/math] называется нормой в пространстве [math]L[/math], если для нее выполняется:
  1. [math]\forall x \in L: \| x \| \ge 0[/math], [math]\| x \| = 0 \Leftrightarrow x = \mathrm{0}[/math]
  2. [math]\forall \alpha \in \mathbb{R}\ \forall x \in L: \| \alpha x \| = |\alpha |\| x \|[/math]
  3. [math]\forall x, y \in L: \| x + y \| \le \| x \| + \| y \|[/math]
Пространство с введенной на нем нормой называют нормированным пространством.


В нормированных пространствах определение предела записывается аналогично пределу вещественной последовательности, отличаясь лишь заменой знака модуля на знак нормы.

Например, если [math]E \subset X[/math], [math]a[/math] — предельная точка множества [math]E[/math], [math]f \colon E \to Y[/math] (где [math]X[/math] и [math]Y[/math] — нормированные пространства), то [math]A[/math] называется пределом функции [math]f[/math] при [math]x \rightarrow a[/math] и обозначается [math]\lim\limits_{x \rightarrow a} f(x)[/math], если для любого положительного [math]\varepsilon[/math] найдётся [math]\delta \gt 0[/math], для которого выполняется следствие [math]0 \lt \|x - a\| \lt \delta \Rightarrow \|f(x) - A\| \lt \varepsilon[/math].

Специфика нормированных пространств — структура линейного пространства на рассматриваемом множестве. То есть, точки пространства можно складывать и умножать на числа, и эти операции будут непрерывными по норме пространства.

Утверждение:
Пусть [math]x_n[/math], [math]y_n[/math] — последовательности точек нормированного пространства [math](X, \|\cdot\|)[/math], а [math]\alpha_n[/math] — вещественная последовательность. Известно, что [math]x_n \rightarrow x[/math], [math]y_n \rightarrow y[/math], [math]\alpha_n \rightarrow \alpha[/math].

Тогда:

  1. [math]x_n + y_n \rightarrow x + y[/math]
  2. [math]\alpha_n x_n \rightarrow \alpha x[/math]
  3. [math]\|x_n\| \rightarrow \|x\|[/math]

7 Эквивалентность норм в конечномерном НП.

Определение:
Нормы [math]\| \|_1[/math], [math]\| \|_2[/math] эквивалентны, если существуют константы [math]m, M \gt 0[/math] такие, что [math]\forall x: m\|x\|_2 \le \|x\|_1 \le M \|x\|_2[/math]. Очевидно, что отношение эквивалентности норм является отношением эквивалентности (то есть выполняется рефлексивность, симметриченость и транзитивность).


Это определение равносильно тому, что сходимость последовательностей в них равносильна: [math]x_n \xrightarrow[]{\|\|_1} x \Leftrightarrow x_n \xrightarrow[]{\|\|_2} x[/math].


Определение:
Пространство [math] X [/math] конечномерно, если [math] \exists n = dim X \lt \infty: \exists e_1, e_2, \ldots, e_n: X = \mathcal L(e_1, \ldots, e_n)[/math].


Теорема (Рисс):
В конечномерных пространствах любые две нормы эквивалентны.

8 Замкнутость конечномерного линейного подмножества НП.

Определение:
Подпространство в алгебраическом смысле не обязательно замкнуто в исходном пространстве. Поэтому в функциональном анализе собственно подпространством называется именно замкнутое подпространство, а алгебраические подпространства называют линейными подмножествами.


Теорема:
Пусть [math]X[/math] — НП и [math]Y[/math] — линейное конечномерное подмножество в [math]X[/math], тогда [math]Y[/math] — замкнуто в [math]X[/math], т.е. [math]\mathrm{Cl} Y = Y[/math].

9 Лемма Рисса о почти перпендикуляре, пример ее применения.

Лемма (Рисc, о почти перпендикуляре):
Пусть [math]X[/math] — НП, а [math]Y[/math] - собственное (то есть не совпадающее с [math]X[/math]) подпространство [math]X[/math], тогда [math]\forall \varepsilon \in (0, 1) \; \exists z_{\varepsilon} \in X : \|z_{\varepsilon}\| = 1,\; \rho(z_{\varepsilon}, Y) \geq 1 - \varepsilon[/math] (где [math]\rho(z, Y) = \inf\limits_{y \in Y} \|z-y\|[/math])
Теорема (некомпактность шара в бесконечномерном пространстве):
Если [math]X[/math] - бесконечномерное НП, то единичный шар [math]S_1 = \{ x \in X \mid \|x \| = 1\}[/math] в нем не компактен.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Возьмем [math]x \in S_1[/math], [math]Y_1 = \mathcal{L}(x_1)[/math] — собственное подпространство [math]X[/math], применим лемму Рисса, возьмем [math]\varepsilon = {1 \over 2}[/math], существует [math]x_2: \| x_2 \| = 1, \| x_2 - x_1 \| \ge {1 \over 2}[/math], заметим, что [math]x_2[/math] окажется в [math]S_1[/math].

[math]Y_2 = \mathcal{L}(x_1, x_2)[/math], опять применим лемму Рисса, существует [math]x_3 \in X: \| x_3 - x_j \| \ge {1 \over 2}, j = 1, 2[/math], [math]x_3[/math] будет в [math]S_1[/math].

Продолжаем так же для [math]Y_3 \dots Y_n \dots[/math]. Процесс никогда не завершится, так как [math]X[/math] — бесконечномерное и не может быть линейной оболочкой конечного числа векторов. Таким образом построили бесконечную систему точек в [math]S_1[/math], но из которой нельзя выделить сходящуюся подпоследовательность, так как [math]\| x_n - x_m \| \ge {1 \over 2}[/math], следовательно, [math]S_1[/math] не компактно.
[math]\triangleleft[/math]

10 Банаховы пространства на примерах [math]C [0,1][/math] и [math]L_p(E)[/math].

Чо-то не нашёл, где это и что именно сюда надо пилить

11 Определение скалярного произведения, равенство параллелограмма, неравенство Шварца.

Пусть [math]H[/math] — линейное пространство. Величина [math](x, y) \in \mathbb R[/math] называется скалярным произведением точек множества [math]H[/math], если она удовлетворяет следующим трём аксиомам:

  1. [math](x, x) \ge 0[/math], [math](x, x) = 0 \iff x = 0[/math]
  2. [math](x, y) = (y, x)[/math]
  3. [math](\alpha x + \beta y, z) = \alpha(x, z) + \beta(y, z)[/math]

Основное значение для скалярного произведения имеет неравенство Шварца:

Утверждение:
[math]|(x, y)| \le \sqrt{(x, x)}\sqrt{(y, y)}[/math]

//не нашёл этого в конспектах, беру с википедии

Характеристическим свойством, выделяющим гильбертовы пространства [math]H[/math] среди прочих банаховых пространств, является равенство параллелограмма: [math]\forall x,y\in H\ \quad \|x+y\|^2+\|x-y\|^2=2(\|x\|^2+\|y\|^2)[/math]

12 Наилучшее приближение в НП в случае конечномерного подпространства.

Пусть [math]X[/math]нормированное пространство, к примеру, [math]L_p[/math]. Пусть [math]Y[/math] — линейное множество в [math]X[/math], например, [math]H_n[/math] (тригонометрических полиномов степени не больше [math]n[/math]).


Определение:
Для любого [math] x \in X[/math] величина [math]E_Y(x) = \inf\limits_{y \in Y}{\|x-y\|}[/math] называется наилучшим приближением точки [math]x[/math] элементами линейного множества [math]Y[/math]. Если при этом существует [math]y^* \in Y[/math] такой, что [math]E_Y(x)=\|x-y^*\|[/math], то этот [math]y^*[/math] называется элементом наилучшего приближения точки [math]x[/math].


Теорема:
Пусть [math]X[/math] — нормированное пространство, [math]\dim Y \lt +\infty[/math], тогда [math]\forall x \in X[/math] существует элемент наилучшего приближения [math]x[/math].

13 Наилучшее приближение в унитарном пространстве, неравенство Бесселя.

Теорема (Бессель, неравенство Бесселя):
[math] \sum \limits_{k=1}^{\infty} (x, e_k)^2 \le \|x\|^2[/math], где [math]e_1 \dots e_n \dots \in H [/math] - ортонормированная система точек

14 Определение Гильбертова пространства, сепарабельность и полнота.

Определение:
Гильбертовым пространством называют Банахово пространство, в котором норма порождена скалярным произведением.


15 Теорема Рисса-Фишера, равенство Парсеваля.

Теорема (Рисс-Фишер):
Пусть [math]\{e_1, e_2, \ldots, e_n, \ldots\}[/math] - ортонормированная система в гильбертовом пространстве [math]H[/math], [math]\sum\limits_{i=1}^{\infty} \alpha_i^2 \leq +\infty\lt [/math]. Тогда [math]\exists ! x \in H : \alpha_i = \langle x, e_i \rangle[/math] и выполняется равенство Парсеваля: [math]\sum\limits_{i=1}^{\infty} \alpha_i^2 = \|x\|^2[/math]

16 Наилучшее приближение в [math]H[/math] для случая выпуклого,замкнутого множества, [math]H = H_1 \oplus H_2[/math].

17 Счетно-нормированные пространства, метризуемость.

18 Условие нормируемости СНТП.

19 Функционал Минковского.

20 Топология векторных пространств.

21 Теорема Колмогорова о нормируемости ТВП.

22 Коразмерность ядра линейного функционала.

23 Непрерывный линейный функционал и его норма.

24 Связь между непрерывностью линейного функционала и замкнутостью его ядра.

25 Продолжение по непрерывности линейного функционала со всюду плотного линейного подмножества НП.

26 Теорема Хана-Банаха для НП (сепарабельный случай).

27 Два следствия из теоремы Хана-Банаха.

28 Теорема Рисса об общем виде линейного непрерывного функционала в [math]H[/math].

29 Непрерывный линейный оператор и его норма.

30 Продолжение линейного оператора по непрерывности.

31 Полнота пространства [math]L(X,Y)[/math].

32 Теорема Банаха-Штейнгауза.

33 Условие замкнутости множества значений линейного оператора на базе априорной оценки решения операторного уравнения.

34 Условие непрерывной обратимости лин. оператора.

35 Теорема Банаха о непрерывной обратимости [math]I-C[/math].

36 Лемма о множествах [math]X_n = {||Ax|| \lt n ||x||}[/math].

37 Теорема Банаха об обратном операторе.

38 Теорема о замкнутом графике.

39 Теорема об открытом отображении.

40 Теорема о резольвентном множестве.

41 Теорема о спектральном радиусе.

42 Аналитичность резольвенты.

43 Непустота спектра ограниченного оператора.