Banach空间及其相关定理

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流Banach空间及其相关定理.精品文档.课程论文 课 程 现代分析基础学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 二一五年 十二月 四日 目 录1 绪论12 Banach空间基本概念12.1拟范数定义及例子12.2 Banach空间22.3 Banach空间中线性变换及其性质33 一致有界定理及其推论43.1问题43.2基本概念43.3一致有界定理及其推论53.4一致有界性定理及其推论的应用64 Hahn-Banach定理与凸集分离定理74.1实线性空间上的Hahn-Banach定理74.2复线性空间上的Hahn-Banach定理84.3赋范

2、线性空间上的Hahn-Banach定理84.4有关Hahn-Banach定理的一些推论94.5 Hahn-Banach定理的几何形式：凸集分离定理95 Banach空间中开映射、闭图像定理以及逆算子定理95.1开映射定理95.2逆算子定理115.3闭图像定理126 总结14参考文献15Banach空间及其相关定理南京理工大学自动化学院，江苏 南京摘要：本文的主要是介绍了Banach空间以及其相关定理。首先，本文讲了Banach空间产生的背景以及应用领域。然后本文介绍了Banach空间的基本概念及其相关性质。最后本文开始从一致有界定理开始，将Banach空间中Hahn-Banach定理、开映射、

3、闭图像以及逆算子定理这几个重要定理逐一做出介绍并给出相应定理的证明。关键词： Banach空间；一致有界定理；Hahn-Banach定理；开映射、闭图像、逆算子定理1 绪论巴拿赫空间（Banach space）是一种赋有“长度”的线性空间，泛函分析研究的基本对象之一。数学分析各个分支的发展为巴拿赫空间理论的诞生提供了许多丰富而生动的素材。从魏尔斯特拉斯，K.(T.W.)以来，人们久已十分关心闭区间a，b上的连续函数以及它们的一致收敛性。甚至在19世纪末，G.阿斯科利就得到a，b上一族连续函数之列紧性的判断准则，后来十分成功地用于常微分方程和复变函数论中。1909年里斯，F.(F.)给出0，1上

4、连续线性泛函的表达式，这是分析学历史上的重大事件。还有一个极重要的空间，那就是由所有在0，1上次可勒贝格求和的函数构成的空间。在19101917年，人们研究它的种种初等性质；其上连续线性泛函的表示，则照亮了通往对偶理论的道路。人们还把弗雷德霍姆积分方程理论推广到这种空间，并且引进全连续算子的概念。当然还该想到希尔伯特空间。正是基于这些具体的、生动的素材，巴拿赫，S.与维纳，N.相互独立地在1922年提出当今所谓巴拿赫空间的概念，并且在不到10年的时间内便发展成一部本身相当完美而又有着多方面应用的理论1。由于其在数学和其他学科中的广泛运用，在20世纪30年代就得到了很大的发展，并很快成为一门独立

5、的学科2。Banach空间理论还是泛函分析的主要组成部分，是泛函分析涵盖的其他三个主要研究方向：算子理论，应用泛函分析以及Banach代数的理论基础，影响着他们的发展3。20世纪60年代以后，不仅Banach空间理论本身有了深入的发展，更值得注意的是它在量子力学，物理学等许多领域都获得了广泛的应用，已经成为自然科学与工程技术理论不可缺少的重要研究工具。接下来本文将用四章的内容对Banach空间以及Banach空间中的相关定理做一个介绍。本文从第二章的Banach空间的概念开始讲起，逐步引出Banach空间中的相关定理，这其中包括一致有界性定理、Hahn-Banach定理、开映射、闭图像定理以及

6、逆算子定理。泛函科学体系的建立正是得益于20世纪初Banach空间这几个定理的提出。2 Banach空间基本概念在探讨Banach空间之前，本文先用一些定义来解释一下Banach空间并就相关的基本概念做一个介绍。2.1 拟范数定义及例子定义2.1.1 线性空间：设X为一个线性空间，则在X中对加法满足：(1)x+y=y+x （交换律）(2)(x+y)+z=x+(y+z) （结合律）(3)存在零元，使+x=x(4)存在逆元x使得x+x=，x记为-x对数乘满足：(5)1x=x，x=(6)(x)= x （结合律）(7) (+)x=x+x （数乘分配律）(8) (x+y)= x+y定义2.1.2 设K是

7、实数域R或复数域C，X为数域K上的一个线性空间，若|是X到R的映射并且满足：(1)|x|=0当且仅当x=0，xX(2)存在C1对所有的x，yX，|x+y|C|x|+C|y|(3)若xX而K，则|x|=| |x|其中(2)中的常数C不依赖于x，y，则称|为X上拟范数，而|x|称为x的拟范数，这时，称(X，|)为拟赋范线性空间4。定义2.1.3 设(X，|)为拟赋范线性空间，|x|为x的拟范数，则有|-x|=|x|，5下面给出拟赋范线性空间的例子：例2.1.1 对于0p1，lp=(xi)|xiK，在拟范数|x|=下是拟赋范线性空间。2.2 Banach空间定义2.2.1 在定义2.1.2的条件下，

8、明显的，若C=1，则(X，|)为线性赋范空间。一般的，拟范数|x|不一定就是X上的范数。定义2.2.2 赋范（拟赋范）线性空间X中若则称点列xn为柯西点列。定义2.2.3 赋范（拟赋范）线性空间X如果是完备的，即X中的每一个柯西点列xn在X中强收敛于某一点x0：则称线性空间X为Banach空间。（有关强收敛的定义见定义2.2.4）下面给出Banach空间的例子：例2.2.1 (1)在Ca，b中，|x|=，x(t)Ca，b。 (2)在m中，|x|=，x=()m。则Ca，b，m都是Banach空间。其中范数|x|可以理解为距离，有了范数的概念，我们可以引入任意的点之间的距离。显然，由d(x，y)=

9、|x-y|定义了X上的一个距离。容易验证，这个距离满足距离的三条公理。第一第二公理是显然的，现给出第三公理三角不等式的证明：设x，y，zX，有d(x，y)=|x-y|=|x-z+z-y|x-z|+|z-y|=d(x，z)+d(x，y)，证毕。定义2.2.4 若，则称点列xn强收敛于点x，记为s-。命题2.2.1 在赋范（拟赋范）线性空间X中，有(1)若s-，则s-，(2)若s-，s-，则s-，(3)若s-，s-，则s-。下面给出命题2.2.1的证明：只需证明在实的拟范数意义下(2)成立即可。事实上，由于|x-nxn|(-n)x|+|n(x-xn)|故只要证明意味着对任意关于的有界集中的一致成立

10、。(1)记pn()=|xn|是定义在实数集R1上的函数，则由(c)知pn()在R1上是连续的，因此由(c)，及Egorov定理，存在Lebesgue测度大于零的可测集A，使得在A上一致成立。因为Lebesgue测度关于平移是连续的，若记BC表示对称差(BC)(BC)，则当0时，|(A+)A|0。因此存在正数0，使得当|0时，|(A+)A|0。所以任何满足|0的实数可表示成=-，其中，A。故，由pn()=pn(-)pn()+ pn()，得在|0|上关于一致成立。如果M是任一正数，取正整数kM/0，则由pn(k)kpn()知对所有的|M，(1)成立，证毕。2.3 Banach空间中线性变换及其性质

11、定义2.3.1 设T是从赋范线性空间X到赋范线性空间Y的线性变换，定义其范数为若|T|0，使得U(x,r)，即E在U(x,r)中稠密，此与定义矛盾。反之，若int()=。如果M不是无处稠密集，则，使得U(x,r)，xint()，这与int()=矛盾。定理3.2.1 (Baire-Hausdroff定理)任意一个完备的度量空间是第二类型集；或者说，X的任意一列稠密开子集的交在X中稠密。（注：这一定理的逆定理是不正确的，Bourbaki（布尔巴基）在1955年给出了反例：一个不完备的空间仍是第二类型集。）证明：设Vn是X中的一列稠密开集，W是X中的任一开集，我们需要证明当W时，W(nVn)。设d是

12、X的度量，记S(x,r)=yX:d(y,x)r并设是S(x,r)的闭包，由V1稠密，WV1是非空开集，故存在x1和r1使得 ，且0r11。 （1）如果n2且xn-1和rn-1都已选出，则Vn的稠密性表明WVn非空，因此存在xn和rn使 ，且0rnn时，xi，xjB(xn，rn)，因此d(xi，xj)n时，xi。于是对每一个n，x，（2）表明x在每一个Vn中，由（1），xW，证毕。3.3 一致有界定理及其推论定理3.3.1 （一致有界定理）设X是B-空间，Y是赋范线性空间，而T：A是一族有界线性算子，那么或者存在某正数M0，使得对每个A| T|M，或者对X的某个稠密G集中的所有点x这一定理的另一

13、叙述如下：或者Y中存在一个球B（半径为M，中心为0）使每个T映X的单位球到B内，或者存在xX，使Y中没有一个球能包含所有的Tx。证明：令，令。因为每个T连续，并且Y的范数是Y上的连续函数，故x| Tx|在X上连续，因此是下半连续的，并且Vn是开集。如果这些开集中有一个，例如不妨设VN不稠密于X，则一定存在x0X和r0，使|x|0存在0，当|x|0，f0(m/(-)-cp(m/(-)- x0) g，则该集族构成一个偏序集。由Zorn定理，存在f0的最大线性延拓g，对所有xD(g)，满足g(x)p(x)。下面只要证明D(g)=X即可。否则，将D(g)看作M，g看作f0，则存在g的延拓F满足F(x)

14、p(x)，xD(F)，这与g是最大延拓矛盾。4.2 复线性空间上的Hahn-Banach定理定理4.2.1 设X是复线性空间，p(x)是X上的半范数。设M是X的线性子空间，f是M上的复线性泛函，且在M上|f(x)|p(x)，则存在定义在X上的复线性泛函F，使得：(1)F是f的延拓；(2)在X上|F(x)|p(x)。证明：显然如果将数乘运算限制在实数域上，复线性空间亦可看作是实线性空间。令f(x)=g(x)+ih(x)，其中g(x)和h(x)分别是f(x)的实部和虚部，则g(x)和h(x)是M上的实线性泛函，且在M上满足|g(x)|f(x)|p(x)，|h(x)|f(x)|p(x)。因为对任意x

15、Mg(ix)+ih(ix)=f(ix)=if(x)=i(g(x)+ih(x)=-h(x)+ig(x)，故对xM，h(x)=-g(ix)。因此由定理4.4.1存在g的实线性延拓G，满足G(x)p(x)。从而-G(x)=G(-x)p(-x)=p(x)，故|G(x)|p(x)。令F(x)=G(x)-iG(ix)则由F(ix)=G(ix)-iG(-x)=G(ix)+iG(x)=iF(x)，易得F是X上的复线性泛函。对任意xM，F(x)=G(x)-iG(ix)=g(x)-ig(ix)=g(x)+ih(x)=f(x)因此F是f的延拓。 下面证明|F(x)|p(x)。记，因此是正实数，所以4.3 赋范线性空

16、间上的Hahn-Banach定理定理4.3.1 （Hahn-Banach保范延拓定理）设X是赋范线性空间的子空间，M是X的线性子空间，f1是M上的连续线性泛函，则存在X上的连续线型泛函F满足：(1)F是f1的延拓；(2)|f1|=|F|。证明：令p(x)=|f1|x|，则p是X上的连续半范数，并且在M上|f1(x)|p(x)。由定理4.2.1，存在f1的线性延拓F满足|F(x)|p(x)。因此。另一方面，因为F是f1的延拓，一定有|f1|F|，故|f|=|F|。4.4 有关Hahn-Banach定理的一些推论推论4.4.1 设X是赋范线性空间，对任意的xX，则存在fX*使得f(x)=|x|且|

17、f|=1。证明：令M是x张成的一维线性子空间，则M=x|为实数或复数。令f(x)=|x|则f是M上的有界线性泛函，且f(x)=|x|，|f|=1。由定理4.3.1将f由M保范线性延拓成X上的有界线性泛函即可。推论4.4.2 对于赋范线性空间X内的任意向量x，由|x|=sup|f(x)|：fX*,|f|1证明：由|f(x)|f|x|及推论1知推论2成立。4.5 Hahn-Banach定理的几何形式：凸集分离定理推论4.4.1的几何意义如下：若，令|x|=r，由推论4.4.1，存在fX*使得f(x)=|x|=r且|f|=1，当时，|x|r，就有|f(x)|f|x|=|x|r *设H=x|f(x)=

18、r，在几何上，称H为X中的一个超平面(Hyperplane)。超平面的特性是它可以把整个空间分隔为互相隔离的两个部分H-和H+：H-=x|f(x)r，H+=x|f(x)r。其中*式表示整个闭球位于超平面H的一侧，即包含在H-中。定理4.5.1 （凸集分离定理，Separating Theorem）设X-Banach空间， 为两个凸集，其中有一个凸集有内点，则必存在一个f*X*及超平面H=X|f(x)=使这个超平面H分离凸集A和B，即或，。5 Banach空间中开映射、闭图像定理以及逆算子定理 本文上一章主要叙述了Hahn-Banach定理及其相关推论，本章将重点介绍开映射和闭图像这两个定理，而

19、且本章会用到第三章提到的一些定理及定义。5.1 开映射定理命题5.1.1 设X，Y是线性拓扑空间，T是X到Y内的连续线性变换，并假设T的值域R(T)是Y中的第二类型集，则对X中0的任意一个邻域U，存在Y中0的邻域V，使得。证明：设W是X中0的一个邻域，满足W=-W，。对每个xX，当时x/n0，因此对充分大的n，xnW。因此，从而。由于R(T)是第二类型集，故存在n0使得包含Y的非空开集。而，并且因为与同胚，中也包含了非空开集，设y0=Tx0(x0W)是这个开集中的一点，由于映射x-x0+x是同胚的，故在Y中存在0的邻域V使得。-y0+T(W)中的元素可以表示成-y0+T=T(-x0)，其中W。

20、故由W的选取得。 因此，取闭包，所以。定理5.1.1 （开映射定理）设X是Banach空间，Y是线性赋范空间T：XY是有界线性算子并且R(T)是Y中的第二纲集，则T必是开算子（开映射）并且是到上的。特别的，从Banach空间到Banach空间上的有界线性算子是开算子（开映射）。证明：a.我们知道，对于线性赋范空间的任意子集A，B，。现在设容易验证。由于T的连续性 (1)我们只要证明了含有内点，则以0为内点。注意，于是存在n使得，即。这说明，从而。T(X)是第二纲集，故存在n使得具有非空内部，也即具有非空内部。此时由上面所说，以0Y为内点。不妨设，其中0。（为明确起见我们记X中0点的邻域为Ox，

21、Y中0点的邻域为Or。）由于T是线性的，故我们有 (2)b.现在我们证明，由(2)可以推出 (3)实际上，由(2)，于是存在使得，即。再由(2)式，于是存在使得，即一般来说，使得。现在一方面，所以。另一方面，X完备，故存在并且，即。T连续，故这说明(3)成立。T是开算子。c.记，像a中证明的一样，这里有，于是。T是到上的。由于完备度量空间是第二纲集，故最后的结论是明显的。5.2 逆算子定理上一节我们了解了开映射定理，本文接下来将要介绍闭图像定理，但在讲闭图像定理之前，我们需要首先了解一下逆算子定理。在微积分课程中介绍过反函数的概念，并且知道“单调函数必存在反函数”，将此概念和结论推广到更一般的

22、空间。定义5.2.1 逆算子（广义上）：设X和Y是同一数域K上的线性赋范空间，算子T：GY，T的定义域为D(T)=G；值域为R(T)。用T-1表示从R(T)D(T)的逆映射（蕴含T是单射），则称T-1为T的逆算子（invertiable operator）。定义5.2.2 正则算子：设X和Y是同一数域K上的线性赋范空间，若算子T：满足 (1)T是可逆算子；(2)T是满射，即R(T)=Y；(3)T-1是线性有界算子，则称T为正则算子（normal operator）。性质5.2.1 若是线性算子，则T-1是线性算子。证明：y1，y2Y，K，由T线性性知：由于T可逆，即T不是零算子，于是，故T-1

23、是线性算子。定理5.2.1 逆算子定理：设T是Banach空间X到Banach空间Y上的双射（既单又满）、线性有界算子，则T-1是线性有界算子。例5.2.1 设线性赋范空间X上有两个范数|1和|2，如果(X，|1)和(X，|2)均是Banach空间，而且|2比|1强，那么范数|1和|2等价。（等价范数定理）证明：设I是从由(X,|2)到(X,|1)上的恒等映射，由于范数|2比范数|1强，所以存在M0，使得有|Ix|1=|x|1M|x|2于是I是线性有界算子，加之I既是单射有时满射，因此根据逆算子定理知I-1是线性有界算子，即存在M0，使得有|I-1x|2=|x|2M|x|1故范数|1和|2等价

24、。5.3 闭图像定理定义5.3.1 设X和Y是同一数域上的线性拓扑空间，则乘积空间按如下运算构成线性空间：如果称形如的集合为中的开集，其中G1，G2分别是X和Y中的开集，则是一个拓扑线性空间。进一步，如果X和Y是拟赋范线性空间，令则构成拟赋范线性空间。由于等价于，因此如果X和Y是B-空间（F-空间），则也是B-空间（F-空间）。定义5.3.2 设T是到Y的线性变换，T的图像是指中的集合，记为G(T)。设X，Y是拓扑线性空间，如果G(T)是的闭线性空间，则称T是闭线性算子。如果从到Y的线性变换T的图像G(T)的闭包是从到Y的线性变换S的图像，则称T是可闭的。注：当X和Y是拟赋范线性空间时，T是闭

25、线性算子的充分必要条件是：对任意，和意味着xD(T)且Tx=y。命题5.3.1 若X，Y是拟赋范线性空间，则T可闭的充分必要条件是对任意，和意味着y=0。证明：必要性显然成立。充分性：如下定义T的最小闭延拓S：当且仅当存在且，时，xD(S)并定义Sx=y。由和意味着y=0，y由x唯一确定。下面证明S是闭的。设，且。则存在满足因此，。故。定义5.3.3 (1)设X，Y是两个集合，考虑乘积，若T：XY是某个映射，则称集合是T的图像。显然中的点(x,y)G(T)当且仅当y=Tx。(2)若X，Y是线性赋范空间，定义则得到上的范数，也是线性赋范空间，此时完备当且仅当X，Y都完备。若T：XY是线性算子，则

26、，所以G(T)是的线性子空间。称T：XY是闭算子（闭映射），若G(T)是中的闭集。定理5.3.1 (1)T：是闭算子当且仅当对于X中的任意序列xn，若xnx，Txny，则y=Tx。(2)连续算子是闭算子。证明：(1)若G(T)闭，xnX，xnx，Txny，则这说明在G(T)中(xn,Txn)(x,y)，G(T)闭导致(x,y)G(T)。反之，若T：XY具有所说的性质，则，于是xnx，Txny。由所说条件，y=Tx，即(x,y)G(T)，G(T)闭。 (2)设T：XY连续，若xnx，Txny，由T的连续性知道TxnTx，从而y=Tx。由(1)知G(T)是闭集，T是闭算子。 定理5.3.2 （闭图

27、像定理）设X，Y是Banach空间，T：XY是线性算子，若T是闭算子，则T连续。证明：注意此时是Banach空间，G(T)是闭的，从而也是Banach空间。定义，则容易验证P是线性的、一一的和到上的。此外，故|P|1。根据逆算子定理，有界，从而即|T|P-1|，T连续。6 总结 本文的主要目的是介绍Banach空间以及有关Banach空间的相关定理，但是由于篇幅关系，本文只对重要定理进行了梳理。本文用五章的内容介绍了Banach空间以及Banach空间中的相关定理，其中第一章主要介绍了Banach空间的基本概念，以及基本概念相关的一些性质。从第二章开始，一直到第五章，开始介绍Banach空间中

28、一些重要的基本定理，同时给出了定理的推导与证明。最后对全文进行了一个总结。虽然本文的目的是介绍Banach空间以及有关Banach空间的相关定理，但是由于篇幅关系，本文只对重要定理进行了梳理参考文献1希尔伯特(Hilbert)空间和巴拿赫(Banach)空间EB/OL. (2013-03-29)2015-12-4. blog_75e9038501012n8b.html.2薛建明. 拟Banach空间的正交性D. 中山大学, 2009.3金善镐. 有对称基的Banach空间扩展模型的结构性问题D. 黑龙江大学, 2012.4刘妍. 拟Banach空间的几何常数D. 中山大学, 2010.5朱月萍，林道荣，陈玉娟.现代分析技术M.上海：东华大学出版社，2009.08.6Banach空间中的基本定理EB/OL. (2014-02-19)2015-12-4.