Полунорма

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В математике , особенно в функциональном анализе , полунорма — это норма векторного пространства , которая не обязательно должна быть положительно определенной . Полунормы тесно связаны с выпуклыми множествами : каждая полунорма является функционалом Минковского некоторого поглощающего диска и, наоборот, функционал Минковского любого такого множества является полунормой.

Топологическое векторное пространство является локально выпуклым тогда и только тогда, когда его топология индуцирована семейством полунорм.

Определение [ править ]

Позволять быть векторным пространством над действительными числами или комплексные числа Действительнозначная функция называется полунормой , если она удовлетворяет следующим двум условиям:

  1. Субаддитивность [1] / Неравенство треугольника : для всех
  2. Абсолютная однородность : [1] для всех и все скаляры

Эти два условия подразумевают, что [доказательство 1] и что каждая полунорма также имеет следующее свойство: [доказательство 2]

  1. Неотрицательность : [1] для всех

Некоторые авторы включают неотрицательность в определение «полунормы» (а иногда и «нормы»), хотя в этом нет необходимости, поскольку она вытекает из двух других свойств.

По норма определению является полунормой, которая также разделяет точки, а это значит, что она обладает следующим дополнительным свойством:

  1. Положительно определенный / Положительный [1] / Разделение точек : всякий раз, когда удовлетворяет затем

А полунормированное пространство — это пара состоящий из векторного пространства и полунорма на Если полунорма также является нормой, то полунормированное пространство называется нормированным пространством .

Поскольку абсолютная однородность подразумевает положительную однородность, каждая полунорма представляет собой тип функции, называемой сублинейной функцией . Карта называется сублинейной функцией , если она субаддитивна и положительно однородна . В отличие от полунормы, сублинейная функция не обязательно неотрицательна. Сублинейные функции часто встречаются в контексте теоремы Хана-Банаха . Действительнозначная функция является полунормой тогда и только тогда, когда это сублинейная и сбалансированная функция .

Примеры [ править ]

  • Тривиальная полунорма на что относится к константе карта на индуцирует недискретную топологию на
  • Позволять быть мерой пространства . Для произвольной константы , позволять быть набором всех функций для которого
    существует и конечен. Можно показать, что является векторным пространством, а функционал является полунормой по . Однако это не всегда является нормой (например, если и является мерой Лебега ), поскольку не всегда подразумевает . Делать норма, частное замкнутым подпространством функций с . Получившееся пространство , , имеет норму, индуцированную .
  • Если любая линейная форма в векторном пространстве, то ее абсолютное значение определяется является полунормой.
  • Сублинейная функция в реальном векторном пространстве является полунормой тогда и только тогда, когда это симметричная функция , а это означает, что для всех
  • Каждая вещественная сублинейная функция в реальном векторном пространстве вызывает полунорму определяется [2]
  • Любая конечная сумма полунорм является полунормой. Ограничение полунормы (соответственно нормы) на векторное подпространство снова является полунормой (соответственно нормой).
  • Если и являются полунормами (соответственно нормами) на и тогда карта определяется является полунормой (соответственно нормой) на В частности, карты на определяется и обе полунормы на
  • Если и являются полунормами по тогда тоже [3]
    и
    где и [4]
  • Пространство полунорм на вообще не является дистрибутивной решеткой по отношению к указанным выше операциям. Например, более , таковы, что
    пока
  • Если является линейной картой и является полунормой по затем является полунормой по Полунорма будет нормой для если и только если является инъективным, а ограничение это норма для

и Минковского полунормы Функционалы

Полунормы в векторном пространстве тесно связаны через функционалы Минковского с подмножествами которые являются выпуклыми , сбалансированными и поглощающими . Учитывая такое подмножество из функционал Минковского является полунормой. Обратно, учитывая полунорму на наборы и являются выпуклыми, уравновешенными и поглощающими, и, кроме того, функционал Минковского этих двух множеств (как и любого множества, лежащего «между ними») равен [5]

Алгебраические свойства [ править ]

Каждая полунорма является сублинейной функцией и, таким образом, удовлетворяет всем свойствам сублинейной функции , включая выпуклость , и для всех векторов : обратное неравенство треугольника : [2] [6]

а также и [2] [6]

Для любого вектора и позитив настоящий [7]

и, кроме того, представляет поглощающий диск собой [3]

Если является сублинейной функцией в действительном векторном пространстве. то существует линейный функционал на такой, что [6] и более того, для любого линейного функционала на на если и только если [6]

Другие свойства полунорм

Каждая полунорма является сбалансированной функцией . Полунорма это норма для если и только если не содержит нетривиального векторного подпространства.

Если является полунормой по затем является векторным подпространством и для каждого постоянно на множестве и равен [доказательство 3]

Более того, для любого реального [3]

Если это набор, удовлетворяющий затем поглощает и где обозначает функционал Минковского, связанный с (то есть калибр ). [5] В частности, если как указано выше и есть ли полунорма на затем если и только если [5]

Если является нормированным пространством и затем для всех в интервале [8]

Каждая норма является выпуклой функцией , и, следовательно, найти глобальный максимум целевой функции , основанной на норме , иногда легко.

нормоподобными концепциями Связь с другими

Позволять быть неотрицательной функцией. Следующие действия эквивалентны:

  1. является полунормой.
  2. является выпуклым - полунорма .
  3. является выпуклой сбалансированной G -полунормой . [9]

Если какое-либо из вышеперечисленных условий выполняется, то следующие условия эквивалентны:

  1. это норма;
  2. не содержит нетривиального векторного подпространства. [10]
  3. Существует норма о относительно которого, ограничен.

Если является сублинейной функцией в действительном векторном пространстве. то следующие условия эквивалентны: [6]

  1. линейный функционал ;
  2. ;
  3. ;

Неравенства с участием полунорм [ править ]

Если являются полунормами по затем:

  • если и только если подразумевает [11]
  • Если и таковы, что подразумевает затем для всех [12]
  • Предполагать и являются положительными действительными числами и являются полунормами по такой, что для каждого если затем Затем [10]
  • Если представляет собой векторное пространство над вещественными числами и является ненулевым линейным функционалом на затем если и только если [11]

Если является полунормой по и является линейным функционалом от затем:

  • на если и только если на (доказательство см. в сноске). [13] [14]
  • на если и только если [6] [11]
  • Если и таковы, что подразумевает затем для всех [12]

Теорема Хана–Банаха для полунорм [ править ]

Полунормы предлагают особенно четкую формулировку теоремы Хана – Банаха :

Если является векторным подпространством полунормированного пространства и если является непрерывным линейным функционалом на затем может быть продолжено до непрерывного линейного функционала на имеет ту же норму, что и [15]

Аналогичное свойство расширения справедливо и для полунорм:

Теорема [16] [12]  (Расширение полунорм) Если является векторным подпространством является полунормой по и является полунормой по такой, что тогда существует полунорма на такой, что и

Доказательство : Пусть быть оболочкой выпуклой Затем представляет поглощающий диск собой и поэтому функционал Минковского из является полунормой по Эта полунорма удовлетворяет на и на

полунормированных пространств Топологии

индуцированная топология Псевдометрика и

Полунорма на порождает топологию, называемую топологией, индуцированной полунормой , через каноническую трансляционно-инвариантную псевдометрику ; Эта топология хаусдорфова тогда и только тогда, когда является метрикой, которая возникает тогда и только тогда, когда это норма . [4] Эта топология делает в локально выпуклое псевдометризуемое топологическое векторное пространство , имеющее ограниченную окрестность начала координат и базис окрестностей в начале координат, состоящий из следующих открытых шаров (или замкнутых шаров) с центром в начале координат:

как колеблется в пределах положительных реалов. Каждое полунормированное пространство следует считать наделенным этой топологией, если не указано иное. Топологическое векторное пространство, топология которого индуцирована некоторой полунормой, называется полунормируемым .

Эквивалентно, каждое векторное пространство с полунормой индуцирует фактор векторного пространства где является подпространством состоящий из всех векторов с Затем несет в себе норму, определенную Результирующая топология, возвращенная к это именно топология, индуцированная

Любая топология, индуцированная полунормой, делает локально выпуклая следующим образом. Если является полунормой по и позвонить на съемочную площадку открытый шар радиуса о происхождении ; аналогично закрытый шар радиуса является Набор всех открытых (соответственно закрытых) -шары в начале координат образуют базис окрестности выпуклых сбалансированных множеств, открытых (соответственно закрытых) в -топология на

и эквивалентные полунормы Более сильные, слабые

Понятия более сильных и более слабых полунорм родственны понятиям более сильных и более слабых норм . Если и являются полунормами по тогда мы говорим это сильнее , чем и это слабее , чем если выполняется любое из следующих эквивалентных условий:

  1. Топология на индуцированный тоньше, чем топология, индуцированная
  2. Если представляет собой последовательность в затем в подразумевает в [4]
  3. Если это сеть в затем в подразумевает в
  4. ограничен [4]
  5. Если затем для всех [4]
  6. Существует настоящий такой, что на [4]

Полунормы и называются эквивалентными , если они оба слабее (или оба сильнее) друг друга. Это происходит, если они удовлетворяют любому из следующих условий:

  1. Топология на индуцированный то же самое, что топология, индуцированная
  2. сильнее, чем и сильнее, чем [4]
  3. Если представляет собой последовательность в затем если и только если
  4. Существуют положительные действительные числа и такой, что

Нормируемость и полунормируемость [ править ]

Топологическое векторное пространство (ТВП) называется полунормируемое пространство (соответственно нормируемое пространство ), если его топология индуцирована одной полунормой (соответственно одной нормой). TVS нормируемо тогда и только тогда, когда оно полунормируемо и хаусдорфово, или, что то же самое, тогда и только тогда, когда оно полунормируемо и T 1 (поскольку TVS является хаусдорфовым тогда и только тогда, когда оно является T 1 пространством ). А локально ограниченное топологическое векторное пространство — это топологическое векторное пространство, обладающее ограниченной окрестностью начала координат.

Нормируемость топологических векторных пространств характеризуется критерием нормируемости Колмогорова . ТВС полунормируема тогда и только тогда, когда она имеет выпуклую ограниченную окрестность начала координат. [17] Таким образом, локально выпуклая ТВС полунормируема тогда и только тогда, когда она имеет непустое ограниченное открытое множество. [18] TVS нормируемо тогда и только тогда, когда оно является T 1 пространством и допускает ограниченную выпуклую окрестность начала координат.

Если является хаусдорфовой локально выпуклой TVS, то следующие условия эквивалентны:

  1. это нормально.
  2. является полунормируемым.
  3. имеет ограниченную окрестность начала координат.
  4. Сильный дуал из это нормально. [19]
  5. Сильный дуал из является метризуемым . [19]

Более того, конечномерно тогда и только тогда, когда является нормальным (здесь обозначает наделен топологиейweak- * ).

Произведение бесконечного числа полунормируемых пространств снова полунормируемо тогда и только тогда, когда все эти пространства, кроме конечного числа, тривиальны (т. е. 0-мерны). [18]

Топологические свойства [ править ]

  • Если это ТВС и является непрерывной полунормой на затем закрытие в равно [3]
  • Закрытие в локально выпуклом пространстве топология которого определяется семейством непрерывных полунорм равно [11]
  • Подмножество в полунормированном пространстве ограничен когда тогда и только тогда, ограничен. [20]
  • Если является полунормированным пространством, то локально выпуклая топология, которая вызывает делает в псевдометризуемую TVS с канонической псевдометрикой, заданной формулой для всех [21]
  • Произведение бесконечного числа полунормируемых пространств снова полунормируемо тогда и только тогда, когда все эти пространства, кроме конечного числа, тривиальны (т. е. 0-мерны). [18]

Непрерывность полунорм [ править ]

Если является полунормой в топологическом векторном пространстве то следующие условия эквивалентны: [5]

  1. является непрерывным.
  2. является непрерывным в 0; [3]
  3. открыт в ; [3]
  4. является закрытой окрестностью 0 в ; [3]
  5. равномерно непрерывен на ; [3]
  6. Существует непрерывная полунорма на такой, что [3]

В частности, если является полунормированным пространством, то полунорма на непрерывно тогда и только тогда, когда преобладает положительное скалярное кратное [3]

Если это настоящий ТВС, является линейным функционалом от и является непрерывной полунормой (или, в более общем смысле, сублинейной функцией) на затем на подразумевает, что является непрерывным. [6]

Непрерывность линейных карт [ править ]

Если является отображением полунормированных пространств, тогда пусть [15]

Если является линейным отображением полунормированных пространств, то следующие условия эквивалентны:

  1. является непрерывным;
  2. ; [15]
  3. Существует настоящий такой, что ; [15]
    • В этом случае,

Если является непрерывным, тогда для всех [15]

Пространство всех непрерывных линейных отображений между полунормированными пространствами само по себе является полунормированным пространством относительно полунормы Эта полунорма является нормой, если это норма. [15]

Обобщения [ править ]

Понятие нормы в композиционных алгебрах не обладает обычными свойствами нормы.

Композиционная алгебра состоит из алгебры над полем инволюция и квадратичная форма что называется «норма». В нескольких случаях является изотропной квадратичной формой , так что имеет хотя бы один нулевой вектор , что противоречит разделению точек, требуемому для обычной нормы, обсуждаемой в этой статье.

Ультрасеминорма . или неархимедова полунорма - это полунорма это также удовлетворяет

Ослабление субаддитивности: квазиполунормы

Карта называется квазиполунормой, если она (абсолютно) однородна и существует некоторая такой, что Наименьшее значение для которого это справедливо, называется множителем

Квазиполунорма, разделяющая точки, называется квазинормой на

Ослабление однородности - -полунормы

Карта называется -семинорма , если она субаддитивна и существует такой, что и для всех и скаляры

А -полунорма, разделяющая точки, называется -норма на

Мы имеем следующую связь между квазиполунормами и -полунормы:

Предположим, что является квазиполунормой в векторном пространстве с множителем Если тогда существует -полунорма на эквивалентно

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

Доказательства

  1. ^ Если обозначает нулевой вектор в пока обозначим нулевой скаляр, то из абсолютной однородности следует, что
  2. ^ Предположим является полунормой и пусть Тогда из абсолютной однородности следует Неравенство треугольника теперь означает Потому что был произвольным вектором в следует, что что подразумевает, что (путем вычитания с обеих сторон). Таким образом что подразумевает (путем умножения на ).
  3. ^ Пусть и Осталось показать, что Из неравенства треугольника следует С по желанию.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б с д Кубруслый 2011 , с. 200.
  2. ^ Перейти обратно: а б с Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 120–121.
  3. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час я дж Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 116–128.
  4. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г Вилански, 2013 , стр. 15–21.
  5. ^ Перейти обратно: а б с д Шефер и Вольф 1999 , с. 40.
  6. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 177–220.
  7. ^ Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 116–128.
  8. ^ Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 107–113.
  9. ^ Шехтер 1996 , с. 691.
  10. ^ Перейти обратно: а б Наричи и Бекенштейн 2011 , с. 149.
  11. ^ Перейти обратно: а б с д Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 149–153.
  12. ^ Перейти обратно: а б с Виланский, 2013 , стр. 18–21.
  13. ^ Очевидно, если является реальным векторным пространством. Для нетривиального направления предположим, что на и разреши Позволять и быть действительными числами такими, что Затем
  14. ^ Вилански 2013 , с. 20.
  15. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж Виланский, 2013 , стр. 21–26.
  16. ^ Наричи и Бекенштейн 2011 , стр. 150.
  17. ^ Виланский 2013 , стр. 50–51.
  18. ^ Перейти обратно: а б с Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 156–175.
  19. ^ Перейти обратно: а б Тревес 2006 , стр. 136–149, 195–201, 240–252, 335–390, 420–433.
  20. ^ Виланский 2013 , стр. 49–50.
  21. ^ Наричи и Бекенштейн 2011 , стр. 115–154.
  • Адаш, Норберт; Эрнст, Бруно; Кейм, Дитер (1978). Топологические векторные пространства: теория без условий выпуклости . Конспект лекций по математике. Том. 639. Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag . ISBN  978-3-540-08662-8 . OCLC   297140003 .
  • Бербериан, Стерлинг К. (1974). Лекции по функциональному анализу и теории операторов . Тексты для аспирантов по математике. Том. 15. Нью-Йорк: Спрингер. ISBN  978-0-387-90081-0 . ОСЛК   878109401 .
  • Бурбаки, Николя (1987) [1981]. Топологические векторные пространства: главы 1–5 . Элементы математики . Перевод Эгглстона, Х.Г.; Мадан, Южный Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN  3-540-13627-4 . OCLC   17499190 .
  • Конвей, Джон (1990). Курс функционального анализа . Тексты для выпускников по математике Том. 96 (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Publishing . ISBN  978-0-387-97245-9 . OCLC   21195908 .
  • Эдвардс, Роберт Э. (1995). Функциональный анализ: теория и приложения . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN  978-0-486-68143-6 . ОСЛК   30593138 .
  • Гротендик, Александр (1973). Топологические векторные пространства . Перевод Чалджуба, Орландо. Нью-Йорк: Издательство Gordon and Breach Science. ISBN  978-0-677-30020-7 . OCLC   886098 .
  • Ярхов, Ганс (1981). Локально выпуклые пространства . Штутгарт: Б. Г. Тойбнер. ISBN  978-3-519-02224-4 . OCLC   8210342 .
  • Халилулла, С.М. (1982). Контрпримеры в топологических векторных пространствах Конспект лекций по математике . Том. 936. Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк: Springer-Verlag . ISBN  978-3-540-11565-6 . OCLC   8588370 .
  • Кете, Готфрид (1983) [1969]. Топологические векторные пространства I. Основы математических наук. Том 159. Перевод Гарлинга, DJH Нью-Йорк: Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-642-64988-2 . МР   0248498 . OCLC   840293704 .
  • Кубрусли, Карлос С. (2011). Элементы теории операторов (второе изд.). Бостон: Биркхойзер . ISBN  978-0-8176-4998-2 . OCLC   710154895 .
  • Наричи, Лоуренс; Бекенштейн, Эдвард (2011). Топологические векторные пространства . Чистая и прикладная математика (Второе изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  978-1584888666 . OCLC   144216834 .
  • Пруговечки, Эдуард (1981). Квантовая механика в гильбертовом пространстве (2-е изд.). Академическая пресса. п. 20. ISBN  0-12-566060-Х .
  • Шефер, Хельмут Х .; Вольф, Манфред П. (1999). Топологические векторные пространства . ГТМ . Том. 8 (Второе изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer New York Выходные данные Springer. ISBN  978-1-4612-7155-0 . OCLC   840278135 .
  • Шехтер, Эрик (1996). Справочник по анализу и его основам . Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN  978-0-12-622760-4 . OCLC   175294365 .
  • Шварц, Чарльз (1992). Введение в функциональный анализ . Нью-Йорк: М. Деккер. ISBN  978-0-8247-8643-4 . ОСЛК   24909067 .
  • Тревес, Франсуа (2006) [1967]. Топологические векторные пространства, распределения и ядра . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN  978-0-486-45352-1 . OCLC   853623322 .
  • Вилански, Альберт (2013). Современные методы в топологических векторных пространствах . Минеола, Нью-Йорк: ISBN Dover Publications, Inc.  978-0-486-49353-4 . OCLC   849801114 .

Внешние ссылки [ править ]