Принцип равномерной ограниченности
В математике принцип равномерной ограниченности или теорема Банаха–Штайнхауза является одним из фундаментальных результатов функционального анализа . Вместе с теоремой Хана-Банаха и теоремой об открытом отображении она считается одним из краеугольных камней в этой области. В своей основной форме он утверждает, что для семейства непрерывных линейных операторов (и, следовательно, ограниченных операторов ), областью определения которых является банахово пространство , поточечная ограниченность эквивалентна равномерной ограниченности в операторной норме .
Теорема была впервые опубликована в 1927 году Стефаном Банахом и Хьюго Штейнхаусом , но она также была независимо доказана Гансом Ханом .
Теорема
[ редактировать ]Принцип равномерной ограниченности — Пусть быть банаховым пространством , нормированное векторное пространство и пространство всех непрерывных линейных операторов из в . Предположим, что представляет собой набор непрерывных линейных операторов из к Если для каждого , затем В случае, если не является тривиальным векторным пространством, то полунеравенство, используемое в супремуме первого члена в этой последней цепочке равенств (которое имеет радиус по замкнутому единичному шару ) можно заменить правильным равенством (которое имеет пробег по замкнутой единичной сфере ).
Полнота позволяет провести следующее короткое доказательство, используя теорему Бэра о категориях .
Пусть X — банахово пространство. Предположим, что для каждого
Для каждого целого числа позволять
Каждый набор является замкнутым множеством и по предположению
По теореме Бэра о категории для непустого полного метрического пространства существует какой-то такой, что имеет непустую внутреннюю часть ; то есть существуют и такой, что
Позволять с и Затем:
Взяв верх над в единичном шаре и более отсюда следует, что
Существуют также простые доказательства, не использующие теорему Бэра ( Сокал, 2011 ).
Следствия
[ редактировать ]Следствие . Если последовательность ограниченных операторов сходится поточечно, то есть предел существует для всех то эти поточечные пределы определяют ограниченный линейный оператор
Приведенное выше следствие не утверждает, что сходится к в операторной норме, т. е. равномерно на ограниченных множествах. Однако, поскольку ограничен по операторной норме, а предельный оператор является непрерывным, стандартным " "оценка показывает, что сходится к равномерно на компактах .
По сути то же самое, что и доказательство того, что поточечно сходящаяся последовательность равнонепрерывных функций на компакте сходится к непрерывной функции.
По принципу равномерной ограниченности пусть — равномерная верхняя граница операторных норм.
Починим любой компакт . Тогда для любого , конечное покрытие (используйте компактность) конечным набором открытых шаров радиуса
С точечно на каждом из , для всех больших , для всех .
Тогда по неравенству треугольника находим для всех больших , .
Следствие . Любое слабо ограниченное подмножество. в нормированном пространстве ограничен.
Действительно, элементы определить поточечно ограниченное семейство непрерывных линейных форм в банаховом пространстве которое представляет собой непрерывное двойственное пространство По принципу равномерной ограниченности нормы элементов как функционалы на то есть нормы во втором двойственном ограничены. Но для каждого норма во втором двойственном совпадает с нормой в по следствию теоремы Хана–Банаха .
Позволять обозначим непрерывные операторы из к наделен операторной нормой . Если коллекция неограничен в то из принципа равномерной ограниченности следует:
Фактически, плотный в Дополнение в является счетным объединением замкнутых множеств Согласно рассуждениям, использованным при доказательстве теоремы, каждый нигде не плотно , т.е. подмножество имеет первую категорию . Поэтому является дополнением подмножества первой категории в пространстве Бэра. По определению пространства Бэра такие множества (называемые комбинаторными или остаточными множествами ) плотны. Такие рассуждения приводят к принципу сгущения особенностей , который можно сформулировать следующим образом:
Теорема — Пусть быть банаховым пространством, последовательность нормированных векторных пространств, и для каждого позволять неограниченная семья в Тогда набор является остаточным множеством и, следовательно, плотным по
Дополнение это счетный союз комплектов первой категории. Следовательно, его остаточный набор плотный.
Пример: поточечная сходимость ряда Фурье
[ редактировать ]Позволять будь кругом , и пусть — банахово пространство непрерывных функций на с единой нормой . Используя принцип равномерной ограниченности, можно показать, что существует элемент из для которого ряд Фурье не сходится поточечно.
Для его ряд Фурье определяется выражением а N -я симметричная частичная сумма равна где это -е ядро Дирихле . Исправить и рассмотрим сходимость Функционал определяется ограничен. Норма в дуале является нормой подписанной меры а именно
Можно убедиться, что
Итак, коллекция неограничен в двойник Поэтому по принципу равномерной ограниченности для любого множество непрерывных функций, ряд Фурье которых расходится при плотный в
Еще больший вывод можно сделать, применив принцип сгущения особенностей. Позволять быть плотной последовательностью в Определять аналогично описанному выше. Тогда принцип сгущения особенностей говорит, что множество непрерывных функций, ряд Фурье которых расходится в каждой точке плотный в (однако ряд Фурье непрерывной функции сходится к почти для каждого по теореме Карлесона ).
Обобщения
[ редактировать ]В топологическом векторном пространстве (ТВП) «Ограниченное подмножество» относится конкретно к понятию ограниченного подмножества фон Неймана . Если также является нормированным или полунормированным пространством , скажем, с (полу)нормой тогда подмножество ограничено (по фон Нейману) тогда и только тогда, когда оно ограничено по норме , что по определению означает
Бочковые пространства
[ редактировать ]Попытки найти классы локально выпуклых топологических векторных пространств, на которых справедлив принцип равномерной ограниченности, в конечном итоге привели к бочоночным пространствам . То есть наименее ограничительной средой для принципа равномерной ограниченности является бочкообразное пространство, где справедлива следующая обобщенная версия теоремы ( Бурбаки 1987 , Теорема III.2.1):
Теорема . Учитывая бочкообразное пространство. и локально выпуклое пространство то любое семейство поточечно ограниченных непрерывных линейных отображений из к равностепенно ) (и даже равномерно равнонепрерывно .
В качестве альтернативы, утверждение также справедливо всякий раз, когда является пространством Бэра и является локально выпуклым пространством. [ 1 ]
Равномерная ограниченность в топологических векторных пространствах
[ редактировать ]Семья подмножеств топологического векторного пространства говорят, что он равномерно ограничен в если существует некоторое ограниченное подмножество из такой, что что произойдет тогда и только тогда, когда является ограниченным подмножеством ; если является нормированным пространством , то это происходит тогда и только тогда, когда существует некоторое реальное пространство. такой, что В частности, если это семейство карт из к и если тогда семья равномерно ограничен в тогда и только тогда, когда существует некоторое ограниченное подмножество из такой, что что произойдет тогда и только тогда, когда является ограниченным подмножеством
Предложение [ 2 ] - Позволять быть набором непрерывных линейных операторов между двумя топологическими векторными пространствами и и пусть быть любым ограниченным подмножеством Тогда семейство множеств равномерно ограничен в если выполняется любое из следующих условий:
- является равнонепрерывным.
- является выпуклым компактным хаусдорфовым подпространством и для каждого орбита является ограниченным подмножеством
Обобщения, включающие нескудные подмножества
[ редактировать ]понятие нетощего множества , область определения Хотя в следующей версии равномерного ограниченного принципа используется не предполагается , что это пространство Бэра .
Теорема [ 2 ] - Позволять быть набором непрерывных линейных операторов между двумя топологическими векторными пространствами и (не обязательно Хаусдорф или локально выпуклый). Для каждого обозначим орбиту к и пусть обозначаем множество всех чья орбита является ограниченным подмножеством Если относится ко второй категории (т. е. нескудному) в затем и является равнонепрерывным.
Каждое собственное векторное подпространство TVS имеет пустой салон [ 3 ] В частности, каждое замкнутое собственное векторное подпространство нигде не плотно в и, таким образом, относятся к первой категории (скудным) в (и, таким образом, то же самое верно и для всех его подмножеств). Следовательно, любое векторное подпространство ТВС то есть второй категории (нескудных) в должно быть плотным подмножеством (поскольку в противном случае его закрытие в было бы замкнутое собственное векторное подпространство и, следовательно, относятся к первой категории). [ 3 ]
Доказательство того, что является равнонепрерывным:
Позволять быть сбалансированными окрестностями начала координат в удовлетворяющий Необходимо показать, что существует окрестность происхождения в такой, что для каждого Позволять которое является закрытым подмножеством (поскольку это пересечение замкнутых подмножеств), что для каждого также удовлетворяет и (как будет показано, набор фактически является окрестностью начала координат в потому что топологическая внутренность в не пусто). Если затем будучи ограниченным подразумевает, что существует некоторое целое число такой, что так что если затем С был произвольным, Это доказывает, что Потому что относится ко второй категории то же самое должно быть верно хотя бы для одного из множеств для некоторых Карта определяется является ( сюръективным ) гомеоморфизмом , поэтому множество обязательно относится ко второй категории в Потому что является закрытым и относится ко второй категории в его топологическая внутренность в не пуст. Выбирать Потому что карта определяется является гомеоморфизмом, множество это район в что означает, что то же самое верно и для его надмножества И так для каждого Это доказывает, что является равнонепрерывным. КЭД
Доказательство того, что :
Потому что равнонепрерывно, если ограничен затем равномерно ограничен в В частности, для любого потому что является ограниченным подмножеством является равномерно ограниченным подмножеством Таким образом КЭД
Последовательности непрерывных линейных отображений
[ редактировать ]Следующая теорема устанавливает условия, при которых поточечный предел последовательности непрерывных линейных отображений сам по себе является непрерывным.
Теорема [ 4 ] — Предположим, что представляет собой последовательность непрерывных линейных отображений между двумя топологическими векторными пространствами. и
- Если набор из всех для чего является последовательностью Коши в относится ко второй категории затем
- Если набор из всех при котором предел существует в относится ко второй категории и если является полным метризуемым топологическим векторным пространством (таким как пространство Фреше или F-пространство ), тогда и является непрерывным линейным отображением.
Теорема [ 3 ] - Если — последовательность непрерывных линейных отображений F-пространства в топологическое векторное пространство Хаусдорфа такой, что для каждого предел существует в затем является непрерывным линейным отображением, а отображения являются равнонепрерывными.
Если, кроме того, область определения является банаховым пространством , а ко-область является нормированным пространством , то
Полная метризуемая область
[ редактировать ]Дьедонне (1970) доказывает более слабую форму этой теоремы с использованием пространств Фреше, а не обычных банаховых пространств.
Теорема [ 2 ] - Позволять — набор непрерывных линейных операторов из полного метризуемого топологического векторного пространства. (например, пространство Фреше или F-пространство ) в Хаусдорфа . топологическое векторное пространство Если для каждого орбита является ограниченным подмножеством затем является равнонепрерывным.
Так, в частности, если также является нормированным пространством , и если затем является равнонепрерывным.
См. также
[ редактировать ]- Бочковое пространство - тип топологического векторного пространства.
- Теорема Урсеску - обобщение замкнутого графа, открытого отображения и теоремы о равномерной ограниченности
Примечания
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Shtern 2001 .
- ^ Jump up to: а б с д Рудин 1991 , с. 42−47.
- ^ Jump up to: а б с Рудин 1991 , с.46.
- ^ Рудин 1991 , стр. 45−46.
Библиография
[ редактировать ]- Банах, Стивен ; Штайнхаус, Хьюго (1927), «О принципе конденсации особенностей» (PDF) , Fundamenta Mathematicae , 9 : 50–61, doi : 10.4064/fm-9-1-50-61 . (на французском языке)
- 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.
- 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 .
- Дьедонне, Жан (1970), Трактат об анализе, Том 2 , Academic Press .
- 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 .
- 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 .
- Наричи, Лоуренс; Бекенштейн, Эдвард (2011). Топологические векторные пространства . Чистая и прикладная математика (Второе изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1584888666 . OCLC 144216834 .
- Рудин, Уолтер (1966), Реальный и комплексный анализ , McGraw-Hill .
- 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 .
- Шехтер, Эрик (1996). Справочник по анализу и его основам . Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 978-0-12-622760-4 . OCLC 175294365 .
- Штерн, А.И. (2001) [1994], «Равномерный принцип ограниченности» , Энциклопедия математики , EMS Press .
- Сокал, Алан (2011), «Действительно простое элементарное доказательство теоремы о равномерной ограниченности», Amer. Математика. Monthly , 118 (5): 450–452, arXiv : 1005.1585 , doi : 10.4169/amer.math.monthly.118.05.450 , S2CID 41853641 .
- 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 .