Теорема о замкнутом графике (функциональный анализ)
В математике, особенно в функциональном анализе и топологии , теорема о замкнутом графике — это результат, связывающий непрерывность определенных видов функций с топологическим свойством их графика . В своей самой элементарной форме теорема о замкнутом графике утверждает, что линейная функция между двумя банаховыми пространствами непрерывна тогда и только тогда, когда график этой функции замкнут.
Теорема о замкнутом графике широко применяется в функциональном анализе, поскольку она позволяет контролировать, допускает ли частично определенный линейный оператор непрерывные расширения. По этой причине оно было обобщено на многие обстоятельства, выходящие за рамки элементарной формулировки, приведенной выше.
Предварительные сведения [ править ]
Теорема о замкнутом графике - это результат о линейном отображении. между двумя векторными пространствами, наделенными топологиями, превращающими их в топологические векторные пространства (ТВП). Впредь мы будем считать, что и являются топологическими векторными пространствами, такими как, банаховы пространства например, , и что декартовы произведения , такие как наделены топологией продукта . График этой функции является подмножеством
А Замкнутый линейный оператор — это линейное отображение, график которого замкнут (он не обязательно должен быть непрерывным или ограниченным ). В функциональном анализе такие отображения принято называть « закрытыми », но не следует путать это с неэквивалентным понятием « замкнутого отображения », которое появляется в общей топологии .
Частичные функции
В функциональном анализе принято рассматривать частичные функции , которые представляют собой функции, определенные на плотном подмножестве некоторого пространства. Частичная функция объявляется с обозначением что указывает на то, что имеет прототип есть его домен ( то его кодомен и ) и это представляет собой плотное подмножество Поскольку область обозначается не всегда необходимо назначать символ (например, ) в область определения частичной функции, и в этом случае обозначение или может использоваться для обозначения того, что является частичной функцией с кодоменом чей домен представляет собой плотное подмножество [1] между Плотно определенный линейный оператор векторными пространствами является частичной функцией чей домен — плотное векторное подпространство TVS такой, что представляет собой линейную карту . Прототипическим примером частичной функции является оператор производной , который определен только в пространстве. некогда непрерывно дифференцируемых функций, плотное подмножество пространства непрерывных функций .
Каждая частичная функция, в частности, является функцией, и поэтому к ней может быть применена вся терминология, обозначающая функции. Например, график частичной функции (как и прежде) набор Однако единственным исключением из этого правила является определение «замкнутого графа». функция Частичная говорят, что граф имеет замкнутый (соответственно секвенциально замкнутый граф ), если является замкнутым (соответственно, секвенциально замкнутым) подмножеством в топологии продукта ; Важно отметить, что пространство продукта и не как это было определено выше для обычных функций. [примечание 1]
Закрываемые карты и замыкания [ править ]
Линейный оператор является закрывающийся в если существует векторное подпространство содержащий и функция (соответственно многофункциональность) график которого равен замыканию множества в Такой называется закрытием в , обозначается и обязательно расширяется
Если является замыкаемым линейным оператором, то ядро или существенная область является подмножеством такое, что замыкание в графика ограничения из к равно замыканию графика в (т.е. закрытие в равно закрытию в ).
Характеристики замкнутых графов (общая топология) [ править ]
Всюду пусть и быть топологическими пространствами и наделен топологией продукта.
Функция с замкнутым графиком [ править ]
Если является функцией, то говорят, что она имеет замкнутый график , если она удовлетворяет любому из следующих эквивалентных условий:
- (Определение): График из является закрытым подмножеством
- Для каждого и сеть в такой, что в если такова, что сеть в затем [2]
- Сравните это с определением непрерывности в терминах сетей, которое напоминает следующее: для каждого и сеть в такой, что в в
- Таким образом, чтобы показать, что функция имеет замкнутый граф, можно предположить, что сходится в некоторым (а затем покажите, что ), а чтобы показать это является непрерывным, нельзя предполагать , что сходится в некоторым а вместо этого надо доказать, что это правда (и причём более конкретно надо доказать, что сходится к в ).
и если является хаусдорфовым компактом , то мы можем добавить к этому списку:
- является непрерывным. [3]
и если оба и являются пространствами с первым счетом , то мы можем добавить к этому списку:
- имеет последовательно замкнутый граф в
Функция с последовательно замкнутым графиком
Если является функцией, то следующие условия эквивалентны:
- имеет последовательно замкнутый граф в
- Определение: график является последовательно замкнутым подмножеством
- Для каждого и последовательность в такой, что в если такова, что сеть в затем [2]
Основные свойства карт с замкнутыми графиками [ править ]
Предполагать — линейный оператор между банаховыми пространствами .
- Если тогда закрыто закрыто, где является скаляром и является тождественной функцией .
- Если замкнуто, то его ядро (или нулевое пространство) является замкнутым векторным подпространством
- Если замкнуто и инъективно, то оно обратное также закрыт.
- Линейный оператор допускает замыкание тогда и только тогда, когда для каждого и каждая пара последовательностей и в оба сходятся к в такой, что оба и сходиться в у одного есть
Примеры и контрпримеры [ править ]
Непрерывные, но не закрытые карты [ править ]
- Позволять обозначать действительные числа с обычной евклидовой топологией и пусть обозначать с недискретной топологией (где является не Хаусдорфом и что каждая функция, имеющая значение в является непрерывным). Позволять определяться и для всех Затем непрерывен, но его график не замкнут в [2]
- Если это любое пространство, то тождественная карта непрерывен, но его график, представляющий собой диагональ закрыт в тогда и только тогда, когда является Хаусдорф. [4] В частности, если тогда это не Хаусдорф является непрерывным, но не замкнутым.
- Если является непрерывным отображением, график которого не замкнут, то является не хаусдорфовым пространством.
Закрытые, но не непрерывные карты [ править ]
- Если является хаусдорфовым TVS и представляет собой векторную топологию на это строго лучше, чем затем карта личности замкнутый разрывный линейный оператор. [5]
- Рассмотрим производной оператор где — банахово пространство всех непрерывных функций на интервале Если кто-то возьмет его домен быть затем — закрытый оператор, который не ограничен. [6] С другой стороны, если это пространство скалярнозначные гладких функций функции, то больше не будет закрыт, но его можно будет закрыть, при этом замыкание будет его расширением, определенным в
- Позволять и оба обозначают действительные числа с обычной евклидовой топологией . Позволять определяться и для всех Затем имеет замкнутый граф (и секвенциально замкнутый граф) в но оно не является непрерывным (так как имеет разрыв в точке ). [2]
- Позволять обозначать действительные числа с обычной евклидовой топологией , пусть обозначать с дискретной топологией и пусть быть картой идентичности (т.е. для каждого ). Затем — линейное отображение, график которого замкнут в но оно явно не является непрерывным (поскольку одноэлементные множества открыты в но не в ). [2]
графе замкнутом о Теоремы
Между банаховыми пространствами [ править ]
Теорема о замкнутом графе для банаховых пространств — If — всюду определенный линейный оператор между банаховыми пространствами , то следующие условия эквивалентны:
- является непрерывным.
- замкнут (т.е. график замкнуто в топологии продукта на
- Если в затем в
- Если в затем в
- Если в и если сходится в некоторым затем
- Если в и если сходится в некоторым затем
Оператор должен быть определен везде , то есть в области определения из является Это условие необходимо, так как существуют замкнутые линейные операторы, которые являются неограниченными (не непрерывными); прототипный пример представлен оператором производной на чей домен является строгим подмножеством
Обычное доказательство теоремы о замкнутом графике использует теорему об открытом отображении . Фактически, теорема о замкнутом графике, теорема об открытом отображении и обратная теорема эквивалентны ограниченная . Эта эквивалентность также служит для демонстрации важности и быть Банахом; в этом случае можно построить линейные карты, которые имеют неограниченные обратные, например, используя либо непрерывные функции с компактным носителем, либо используя последовательности с конечным числом ненулевых членов вместе с супремумной нормой.
Полный метризуемый домен [ править ]
Теорему о замкнутом графике можно обобщить с банаховых пространств на более абстрактные топологические векторные пространства следующими способами.
Теорема . Линейный оператор из бочкового пространства. в пространство Фреше непрерывна тогда и только тогда , когда ее график замкнут.
Между F-пространствами [ править ]
Есть версии, не требующие быть локально выпуклой.
Теорема . Линейное отображение между двумя F-пространствами непрерывно тогда и только тогда, когда его график замкнут. [7] [8]
Эта теорема переформулирована и дополнена некоторыми условиями, которые можно использовать для определения замкнутости графа:
Теорема — Если является линейным отображением между двумя F-пространствами , то следующие условия эквивалентны:
- является непрерывным.
- имеет замкнутый график.
- Если в и если сходится в некоторым затем [9]
- Если в и если сходится в некоторым затем
Полный псевдометризуемый домен [ править ]
Всякое топологическое пространство псевдометризуемо метризуемое . Псевдометризуемое оно пространство метризуемо тогда и только тогда, когда хаусдорфово .
Теорема о замкнутом графе [10] — Кроме того, замкнутое линейное отображение локально выпуклого ультрабочкообразного пространства в полную псевдометризуемую TVS непрерывно.
Теорема о замкнутом графе . Замкнутое и ограниченное линейное отображение локально выпуклого инфрабочечного пространства в полное псевдометризуемое локально выпуклое пространство непрерывно. [10]
Кодомен неполный или (псевдо) метризуемый [ править ]
Теорема [11] — Предположим, что — линейное отображение, график которого замкнут. Если является индуктивным пределом ТВС Бэра и это перепончатое пространство тогда является непрерывным.
Теорема о замкнутом графе [10] — Замкнутое сюръективное линейное отображение полной псевдометризуемой ТВС на локально выпуклое ультрабочкообразное пространство непрерывно.
Еще более общая версия теоремы о замкнутом графике:
Теорема [12] — Предположим, что и представляют собой два топологических векторных пространства (они не обязательно должны быть хаусдорфовыми или локально выпуклыми) со следующим свойством:
- Если — любое замкнутое подпространство и любое непрерывное отображение на затем является открытым отображением.
При этом условии, если является линейным отображением, график которого замкнут, тогда является непрерывным.
Бореля графе Теорема о
Теорема Бореля о графе, доказанная Л. Шварцем, показывает, что теорема о замкнутом графике справедлива для линейных отображений, определенных и оцениваемых в большинстве пространств, встречающихся в анализе. [13] Напомним, что топологическое пространство называется польским пространством , если оно является сепарабельным полным метризуемым пространством и что пространство Суслина является непрерывным образом польского пространства. Слабое двойственное сепарабельному пространству Фреше и сильное двойственное сепарабельному пространству Фреше-Монтеля являются пространствами Суслена. Кроме того, пространствами Суслина являются пространство распределений и все Lp-пространства над открытыми подмножествами евклидова пространства, а также многие другие пространства, встречающиеся в анализе. гласит Теорема Бореля о графе :
Теорема о графе Бореля — пусть быть линейным отображением двух локально выпуклых хаусдорфовых пространств. и Если является индуктивным пределом произвольного семейства банаховых пространств, если является пространством Суслина, и если график это набор Бореля в затем является непрерывным. [13]
В усовершенствовании этой теоремы, доказанном А. Мартино, используются K-аналитические пространства.
Топологическое пространство называется если это счетное пересечение счетных объединений компактов.
Топологическое пространство Хаусдорфа. называется K-аналитическим, если оно является непрерывным образом пространство (то есть, если существует космос и непрерывная карта на ).
Каждый компакт K-аналитичен, поэтому существуют несепарабельные K-аналитические пространства. Кроме того, каждое польское пространство, пространство Суслена и рефлексивное пространство Фреше является K-аналитическим, как и слабое двойственное пространство Фреше. Обобщенная теорема Бореля о графе утверждает:
Обобщенная теорема о графе Бореля [14] - Позволять — линейное отображение между двумя локально выпуклыми хаусдорфовыми пространствами. и Если является индуктивным пределом произвольного семейства банаховых пространств, если является K-аналитическим пространством, и если график закрыт в затем является непрерывным.
Связанные результаты [ изменить ]
Если — замкнутый линейный оператор из хаусдорфовой локально выпуклой TVS в конечномерную ТВС Хаусдорфа затем является непрерывным. [15]
См. также [ править ]
- Почти открытая линейная карта — карта, удовлетворяющая условию, аналогичному условию открытой карты.
- Бочковое пространство - тип топологического векторного пространства.
- Закрытый график — график карты, закрытой в пространстве продукта.
- Закрытый линейный оператор — график карты, замкнутой в пространстве продукта.
- Плотно определенный оператор - функция, которая определена почти везде (математика).
- Прерывистая линейная карта
- Теорема Какутани о неподвижной точке - Теорема о неподвижной точке для многозначных функций
- Теорема об открытом отображении (функциональный анализ) - условие открытости линейного оператора.
- Теорема Урсеску - обобщение замкнутого графа, открытого отображения и теоремы о равномерной ограниченности
- Перепончатое пространство - пространство, в котором выполняются теоремы об открытом отображении и закрытом графе.
Ссылки [ править ]
Примечания
- ^ Напротив, когда рассматривается как обычная функция (а не как частичная функция ), то вместо этого «иметь замкнутый график» означало бы, что является закрытым подмножеством Если является закрытым подмножеством то это также закрытое подмножество хотя обратное, вообще говоря, не гарантируется.
- ^ Dolecki & Mynard 2016 , стр. 4–5.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 459–483.
- ^ Мункрес 2000 , с. 171.
- ^ Рудин 1991 , с. 50.
- ^ Наричи и Бекенштейн 2011 , с. 480.
- ^ Крейциг, Эрвин (1978). Вводный функциональный анализ с приложениями . США: Джон Уайли и сыновья. Инк. с. 294. ИСБН 0-471-50731-8 .
- ^ Шефер и Вольф 1999 , с. 78.
- ^ Трир (2006) , с. 173
- ^ Рудин 1991 , стр. 50–52.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 474–476.
- ^ Наричи и Бекенштейн 2011 , с. 479-483.
- ^ Трир 2006 , с. 169.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Трир 2006 , с. 549.
- ^ Тревес 2006 , стр. 557–558.
- ^ Наричи и Бекенштейн 2011 , с. 476.
Библиография [ править ]
- 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 .
- Банах, Стефан (1932). Théorie des Opérations Lineaires [ Теория линейных операций ] (PDF) . Математические монографии (на французском языке). Том 1. Варшава: Субсидии Фонда национальной культуры. Збл 0005.20901 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 января 2014 г. Проверено 11 июля 2020 г.
- 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 аспирантов по математике . Том. 96 (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag . 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 .
- Долецкий, Шимон ; Минард, Фредерик (2016). Основы конвергенции топологии . Нью-Джерси: Всемирная научная издательская компания. ISBN 978-981-4571-52-4 . OCLC 945169917 .
- Дубинский, Эд (1979). Структура ядерных пространств Фреше . Конспект лекций по математике . Том. 720. Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag . ISBN 978-3-540-09504-0 . OCLC 5126156 .
- Гротендик, Александр (1973). Топологические векторные пространства . Перевод Чалджуба, Орландо. Нью-Йорк: Издательство Gordon and Breach Science. ISBN 978-0-677-30020-7 . OCLC 886098 .
- Хусейн, Такдир; Халилулла, С.М. (1978). Баррельность в топологических и упорядоченных векторных пространствах . Конспект лекций по математике . Том. 692. Берлин, Нью-Йорк, Гейдельберг: Springer-Verlag . ISBN 978-3-540-09096-0 . OCLC 4493665 .
- Ярхов, Ганс (1981). Локально выпуклые пространства . Штутгарт: Б. Г. Тойбнер. ISBN 978-3-519-02224-4 . OCLC 8210342 .
- Кете, Готфрид (1983) [1969]. Топологические векторные пространства I. Основные принципы математических наук. Том 159. Перевод Гарлинга, DJH Нью-Йорк: Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-64988-2 . МР 0248498 . OCLC 840293704 .
- Кригль, Андреас ; Михор, Питер В. (1997). Удобная настройка глобального анализа (PDF) . Математические обзоры и монографии. Том. 53. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество . ISBN 978-0-8218-0780-4 . OCLC 37141279 .
- Манкрес, Джеймс Р. (2000). Топология (Второе изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси : Prentice Hall, Inc. ISBN 978-0-13-181629-9 . OCLC 42683260 .
- Наричи, Лоуренс; Бекенштейн, Эдвард (2011). Топологические векторные пространства . Чистая и прикладная математика (Второе изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1584888666 . OCLC 144216834 .
- Робертсон, Алекс П.; Робертсон, Венди Дж. (1980). Топологические векторные пространства . Кембриджские трактаты по математике . Том. 53. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-29882-7 . OCLC 589250 .
- Рудин, Уолтер (1991). Функциональный анализ . Международная серия по чистой и прикладной математике. Том. 8 (Второе изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill Science/Engineering/Math . ISBN 978-0-07-054236-5 . OCLC 21163277 .
- 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 .
- 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 .
- «Доказательство теоремы о замкнутом графике» . ПланетаМатематика .