Теорема Хана-Банаха — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(вроде все)
м
Строка 1: Строка 1:
 +
{{В разработке}}
 +
 
Линейный функциональный анализ базируется на трех китах(теоремах):
 
Линейный функциональный анализ базируется на трех китах(теоремах):
  
Строка 35: Строка 37:
 
'''1'''
 
'''1'''
  
Рассмотрим <tex>z \overline \in Y</tex>, $L = \{ y + tz, t \in \mathbb R, y \in Y\}
+
Рассмотрим <tex>z \overline \in Y</tex>, <tex>L = \{ y + tz, t \in \mathbb R, y \in Y\}</tex>
 
<tex>L</tex> {{---}} линейное подпространство <tex>X</tex>, <tex>Y \subset L</tex>.
 
<tex>L</tex> {{---}} линейное подпространство <tex>X</tex>, <tex>Y \subset L</tex>.
  
Строка 45: Строка 47:
  
 
<tex>|g(y+tz)| \le p(y+tz)</tex>
 
<tex>|g(y+tz)| \le p(y+tz)</tex>
 +
 
<tex>|f(y) - tc| \le p(y+tz)</tex>
 
<tex>|f(y) - tc| \le p(y+tz)</tex>
 +
 
<tex>f(y) - p(y+tz) \le tc \le f(y) + p(y+tz)</tex>
 
<tex>f(y) - p(y+tz) \le tc \le f(y) + p(y+tz)</tex>
 +
 
<tex>f(\frac{y}{t}) - p(\frac{y}{t} + z) \le c \le f(\frac{y}{t}) + p(\frac{y}{t} + z)</tex>
 
<tex>f(\frac{y}{t}) - p(\frac{y}{t} + z) \le c \le f(\frac{y}{t}) + p(\frac{y}{t} + z)</tex>
  
Строка 52: Строка 57:
 
Пусть <tex>A = \sup\limits_{y \in Y}(f(y) - p(y + z)), B = \inf\limits_{y \in Y}(f(y) + p(y + z))</tex>.
 
Пусть <tex>A = \sup\limits_{y \in Y}(f(y) - p(y + z)), B = \inf\limits_{y \in Y}(f(y) + p(y + z))</tex>.
  
Проверим, что <tex>A \le B</tex>. Для этого достаточно, чтобы выполнялось <tex>\forall y_1, y_2 \in Y: f(y_1) - p(y_1 + z) \le f(y_2) + p(y_2 + z)</tex>:
+
Проверим, что <tex>A \le B</tex>.
 +
 
 +
Для этого достаточно, чтобы выполнялось <tex>\forall y_1, y_2 \in Y: f(y_1) - p(y_1 + z) \le f(y_2) + p(y_2 + z)</tex>:
 +
 
 +
<tex>f(y_1 - y_2) \le p(y_1+z) + p(y_2+z)</tex> - верно, так как:  
  
<tex>f(y_1 - y_2) \le p(y_1+z) + p(y_2+z)</tex> - верно, так как <tex>f(y_1 - y_2) \le p(y_1 - y_2) = p((y_1+z) - (y_2+z)) \le p(y_1+z) + p(y_2+z)</tex>.
+
<tex>f(y_1 - y_2) \le p(y_1 - y_2) = p((y_1+z) - (y_2+z)) \le p(y_1+z) + p(y_2+z)</tex>.
  
 
Значит, можно взять любое <tex>c</tex> из отрезка <tex>[A; B]</tex>.
 
Значит, можно взять любое <tex>c</tex> из отрезка <tex>[A; B]</tex>.
Строка 90: Строка 99:
 
}}
 
}}
  
{{В разработке}}
 
 
[[Категория: Функциональный анализ 3 курс]]
 
[[Категория: Функциональный анализ 3 курс]]

Версия 19:44, 3 января 2013

Эта статья находится в разработке!

Линейный функциональный анализ базируется на трех китах(теоремах):

  1. теорема Хана-Банаха о продолжении линейного функционала;
  2. теорема Банаха об обратном операторе;
  3. теорема Штенгауза о равномерной ограниченности.

Ранее мы установили, что если на линейном всюду плотном множестве определен линейный функционал, то можно продолжить его на все множество. В теореме Хана-Банаха мы отбросим условие всюду плотности.


Определение:
Пусть [math]X[/math] — линейное множество. Функционал [math]f: X \rightarrow \mathbb R[/math] подчинен полунорме [math]p[/math] на X, если [math]\forall y \in Y |f(y)| \le p(y)[/math]


Теорема (Хан, Банах):
Пусть [math]X[/math] — линейное множество, [math]p[/math] — полунорма на нем, [math]Y[/math] — линейное подмножество X, [math]f: Y \rightarrow \mathbb R[/math] удовлетворяет условию подчиненности [math]p[/math].

Тогда существует линейный функционал [math]g: X \rightarrow \mathbb R[/math] такой, что:

  1. [math]g|_Y = f[/math]
  2. [math]x \in X \Rightarrow |g(x)| \le p(x)[/math]

Мы не будем доказывать теорему в таком виде, вместо этого докажем ее частный случай:

Теорема (Хан, Банах):
Пусть [math]X[/math] — сепарабельное нормированное пространство, [math]Y[/math] — линейное подмножество X, [math]f: Y \rightarrow \mathbb R[/math] — линейный ограниченный функционал. Тогда существует линейный ограниченный функционал [math]g: X \rightarrow \mathbb R[/math] такой, что [math]g|_Y = f[/math], [math]\|g\| = \|f\|[/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Доказательство разбиваем на две части.

1

Рассмотрим [math]z \overline \in Y[/math], [math]L = \{ y + tz, t \in \mathbb R, y \in Y\}[/math] [math]L[/math] — линейное подпространство [math]X[/math], [math]Y \subset L[/math].

Продолжим [math]f[/math] с сохранением нормы на [math]L[/math]. Пусть [math]g[/math] — искомый линейный функционал.

[math]g(y + tz) = g(y) + tg(z) = f(y) + tg(z)[/math]

Пусть [math]g(z) = -c[/math], подберем [math]c[/math] так, чтобы нормы [math]f[/math] и [math]g[/math] совпадали. В силу ограниченности [math]f[/math], [math]|f(y)| \le \|f\|\|y\|[/math], мы хотим найти такое [math]c[/math], чтобы выполнялось [math]g(y+tz) \le p(y+tz)[/math], где [math]p(x) = \|f\|\|x\|, x \in X[/math].

[math]|g(y+tz)| \le p(y+tz)[/math]

[math]|f(y) - tc| \le p(y+tz)[/math]

[math]f(y) - p(y+tz) \le tc \le f(y) + p(y+tz)[/math]

[math]f(\frac{y}{t}) - p(\frac{y}{t} + z) \le c \le f(\frac{y}{t}) + p(\frac{y}{t} + z)[/math]


Пусть [math]A = \sup\limits_{y \in Y}(f(y) - p(y + z)), B = \inf\limits_{y \in Y}(f(y) + p(y + z))[/math].

Проверим, что [math]A \le B[/math].

Для этого достаточно, чтобы выполнялось [math]\forall y_1, y_2 \in Y: f(y_1) - p(y_1 + z) \le f(y_2) + p(y_2 + z)[/math]:

[math]f(y_1 - y_2) \le p(y_1+z) + p(y_2+z)[/math] - верно, так как:

[math]f(y_1 - y_2) \le p(y_1 - y_2) = p((y_1+z) - (y_2+z)) \le p(y_1+z) + p(y_2+z)[/math].

Значит, можно взять любое [math]c[/math] из отрезка [math][A; B][/math].

2

Так как мы рассматриваем сепарабельное НП, то существует последовательность [math]e_1, e_2, \ldots, e_n[/math], замыкание линейной оболочки которой совпадает со всем пространством [math]X[/math].

Пользуясь пунктом 1, мы можем выстроить последовательность линейных подпространств в [math]X[/math], [math]L(e_1) \subset L(e_1, e_2) \subset \ldots \subset L(e_1, \ldots, e_n) \subset \ldots[/math]

Тогда [math]L(e_1, \ldots, e_n, \ldots) = \bigcup\limits_{n=1}^{\infty} L(e_1, e_2, \ldots e_n)[/math], и [math] Cl L(e_1, e_2, \ldots e_n) = X[/math], требуемый функционал можно продолжить по непрерывности.
[math]\triangleleft[/math]
Утверждение:
Пусть [math]X[/math] - нормированное пространство. Тогда [math]\forall x \in X \exists f: X \rightarrow R:\ f(x) = \|x\|, \|f\| = 1[/math].
[math]\triangleright[/math]

[math]Y = \{tx, t \in \mathbb R\}[/math] — линейное подмножество в [math]X[/math].

[math]f(tx) = t \|x\|[/math] - линейный функционал в [math]Y[/math]. Очевидно, [math]f[/math] удовлетворяет необходимым условиям.

Пользуясь только что доказанной теоремой, продолжаем [math]f[/math] на все [math]X[/math].
[math]\triangleleft[/math]
Утверждение:
Пусть [math]X[/math] - нормированное пространство, [math]e_1, e_2, \ldots, e_n[/math] — линейно независимый набор в [math]X[/math]. Тогда в [math]X[/math] существует биортогональная система функционалов [math]f_1, f_2, \ldots f_n, f_i(e_j) = \delta_{ij}[/math]
[math]\triangleright[/math]

Пусть [math]Y = L(e_1, e_2, \ldots, e_n)[/math], возьмем [math]f_j(e_i) = \delta_{ij}[/math].

Тогда для [math]y = \sum\limits{k=1}^{n} \alpha_k e_k \in Y[/math], [math]f_j(y) = \sum\limits{k=1}^{n} \alpha_k f_j(e_k)[/math].

Ясно, что все [math]f_j[/math] - ограниченные линейные функционалы на [math]Y[/math], удовлетворяющие нашим условиям. Теперь просто продолжаем каждый из них на все [math]X[/math] по теореме Хана-Банаха.
[math]\triangleleft[/math]