Полунорма
В математике , особенно в функциональном анализе , полунорма — это норма , 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
[ редактировать ]Позволять быть векторным пространством над действительными числами или комплексные числа функция Действительнозначная называется полунормой, если она удовлетворяет следующим двум условиям:
- Субаддитивность [1] / Неравенство треугольника : для всех
- 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]
- Неотрицательность : [1] для всех
Некоторые авторы включают неотрицательность в определение «полунормы» (а иногда и «нормы»), хотя в этом нет необходимости, поскольку она следует из двух других свойств.
определению норма По является полунормой, которая также разделяет точки, а это значит, что она обладает следующим дополнительным свойством:
- 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
[ редактировать ]- 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 чего 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 . Сделать норма, частное замкнутым подпространством функций с . пространство Получившееся , , имеет норму, индуцированную .
- Если любая линейная форма в векторном пространстве, то ее абсолютное значение определяется является полунормой.
- функция Сублинейная 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 тогда и только тогда, когда является инъективным, а ограничение это норма для
Функционалы и полунормы Минковского.
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 более 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 тогда и только тогда, когда [6]
Другие свойства полунорм
Каждая полунорма является сбалансированной функцией . Полунорма это норма для тогда и только тогда, когда 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 тогда и только тогда, когда [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.
Связь с другими нормоподобными концепциями
[ редактировать ]Позволять быть неотрицательной функцией. Следующие действия эквивалентны:
- является полунормой.
- является выпуклым - полунорма .
- является выпуклой сбалансированной G -полунормой . [9]
Если какое-либо из вышеперечисленных условий выполняется, то следующие условия эквивалентны:
- это норма;
- не содержит нетривиального векторного подпространства. [10]
- Существует норма о относительно которого, ограничен.
Если является сублинейной функцией в действительном векторном пространстве. то следующие условия эквивалентны: [6]
- – линейный функционал ;
- ;
- ;
Неравенства с полунормами
[ редактировать ]Если являются полунормами по затем:
- тогда и только тогда, когда 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 действительными числами и является ненулевым линейным функционалом на затем тогда и только тогда, когда [11]
Если является полунормой по и является линейным функционалом от затем:
- на тогда и только тогда, когда на (доказательство см. в сноске). [13] [14]
- на тогда и только тогда, когда [6] [11]
- Если и таковы, что подразумевает затем для всех [12]
Теорема Хана–Банаха для полунорм
[ редактировать ]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 выпуклой оболочкой Затем представляет поглощающий диск собой и поэтому функционал Минковского из является полунормой по Эта полунорма удовлетворяет на и на
Топологии полунормированных пространств.
[ редактировать ]Псевдометрика и индуцированная топология
[ редактировать ]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
Более сильные, слабые и эквивалентные полунормы
[ редактировать ]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:
- Топология на вызванный тоньше, чем топология, индуцированная
- Если представляет собой последовательность в затем в подразумевает в [4]
- Если это сеть в затем в подразумевает в
- ограничен [4]
- Если затем для всех [4]
- 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:
- Топология на вызванный то же самое, что топология, индуцированная
- сильнее, чем и сильнее, чем [4]
- Если представляет собой последовательность в затем тогда и только тогда, когда
- Существуют положительные действительные числа и такой, что
Нормируемость и полунормируемость
[ редактировать ]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:
- это нормально.
- является полунормируемым.
- имеет ограниченную окрестность начала координат.
- Сильный дуал из это нормально. [19]
- 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
[ редактировать ]- 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 ТВС 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]
Преемственность полунорм
[ редактировать ]Если является полунормой в топологическом векторном пространстве то следующие условия эквивалентны: [5]
- является непрерывным.
- является непрерывным в 0; [3]
- открыт в ; [3]
- является закрытой окрестностью 0 в ; [3]
- равномерно непрерывен на ; [3]
- 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
[ редактировать ]Если является отображением полунормированных пространств, тогда пусть [15]
Если является линейным отображением полунормированных пространств, то следующие условия эквивалентны:
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
[ редактировать ]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 включена
Мы имеем следующую связь между квазиполунормами и -полунормы:
См. также
[ редактировать ]- Асимметричная норма - Обобщение понятия нормы.
- Банахово пространство - полное нормированное векторное пространство.
- Картирование сжатия — функция, уменьшающая расстояние между всеми точками.
- Наилучшая локально выпуклая топология - векторное пространство с топологией, определяемой выпуклыми открытыми множествами.
- Теорема Хана-Банаха – Теорема о расширении ограниченных линейных функционалов.
- Норма Гауэрса
- Локально выпуклое топологическое векторное пространство - векторное пространство с топологией, определяемой выпуклыми открытыми множествами.
- Расстояние Махаланобиса - Статистическая мера расстояния
- Матричная норма - Норма векторного пространства матриц.
- Функционал Минковского - функция, составленная из множества.
- Норма (математика) – Длина в векторном пространстве.
- Нормированное векторное пространство - векторное пространство, в котором определено расстояние.
- Связь норм и показателей – математическое пространство с понятием расстояния.
- Сублинейная функция - тип функции в линейной алгебре.
Примечания
[ редактировать ]Доказательства
- ^ Если обозначает нулевой вектор в пока обозначим нулевой скаляр, то из абсолютной однородности следует, что
- ^ Предположим является полунормой и пусть Тогда из абсолютной однородности следует Неравенство треугольника теперь означает Потому что был произвольным вектором в отсюда следует, что что подразумевает, что (путем вычитания с обеих сторон). Таким образом что подразумевает (путем умножения на ).
- ^ Пусть и Осталось показать, что Из неравенства треугольника следует С по желанию.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Кубруслый 2011 , с. 200.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 120–121.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 116–128.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Виланский, 2013 , стр. 15–21.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Шефер и Вольф 1999 , с. 40.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 177–220.
- ^ Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 116–128.
- ^ Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 107–113.
- ^ Шехтер 1996 , с. 691.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Наричи и Бекенштейн 2011 , с. 149.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 149–153.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Виланский, 2013 , стр. 18–21.
- ^ Очевидно, если является реальным векторным пространством. Для нетривиального направления предположим, что на и пусть Позволять и быть действительными числами такими, что Затем
- ^ Вилански 2013 , с. 20.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж Виланский, 2013 , стр. 21–26.
- ^ Наричи и Бекенштейн 2011 , стр. 150.
- ^ Виланский 2013 , стр. 50–51.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Наричи и Бекенштейн, 2011 , стр. 156–175.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Тревес 2006 , стр. 136–149, 195–201, 240–252, 335–390, 420–433.
- ^ Виланский 2013 , стр. 49–50.
- ^ 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 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 .
- 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 . ОСЛК 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. 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 .
- 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 .