本章的目标是引入一类以Rn为模型的向量空间。
除去基本的代数性质,我们在Rn上定义了“范数”,这使得我们可度量点之间的距离。
我们将范数的概念推广到一般向量空间,并证明这些“赋范空间”的一些性质。
我们将看到,所有有限维赋范空间本质上是Rn或Cn。
若空间是无穷维的,则情况会更复杂。
14.1赋范空间
我们已经在第第 5.1.2 小节小节接触了内积空间上的范数,现在将这一概念推广到一般向量空间。
定义 14.1 (范数)
设X为向量空间,若映射∥⋅∥:X→R满足
正定性:∥x∥≥0对所有x∈X成立,并且∥x∥=0当且仅当x=0;
线性性:∥αx∥=∣α∣∥x∥对所有x∈X和α∈F成立;
三角不等式:∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥对所有x,y∈X成立;
则称映射∥⋅∥是X上的范数,(X,∥⋅∥)或X是赋范空间(normed space)。
由上述定义可以导出一个简单而十分重要的结果。
命题 14.1 (反向三角不等式)
设(X,∥⋅∥)为赋范空间,那么对于所有x,y∈X,∥x−y∥≥∣∥x∥−∥y∥∣。
证明
三角不等式给出∥x∥=∥(x−y)+y∥≤∥x−y∥+∥y∥,类似地∥y∥≤∥x−y∥+∥x∥,综合两式可得结论。
引理 14.1
设(X,∥⋅∥)为赋范空间,并且对于所有x,y∈X定义d(x,y)=∥x−y∥,那么(X,d)是一个度量空间。
事实上,我们总是为赋范空间赋予一个由范数诱导的度量所生成的拓扑;
在此基础上讨论范数的连续性是有意义的。
以下定理表明,该拓扑与向量空间结构是相容的。
命题 14.2
给定赋范空间(X,∥⋅∥),下列映射关于乘积拓扑(参见命题 A.2)是连续的。
范数的连续性:对于所有x∈X,x↦∥x∥;
加法的连续性:对于所有x,y∈X,(x,y)↦x+y;
标量乘法的连续性:对于所有α∈F和x∈X,(α,x)↦αx。
证明
对于任意正数ϵ和x∈X,根据反向三角不等式(命题 14.1),当d(x,y)=∥x−y∥<ϵ时,∣∥x∥−∥y∥∣≤∥x−y∥<ϵ。
根据命题 1.16,∥⋅∥连续;
对于任意正数ϵ和x,y∈X,根据三角不等式,当d(x,a)=∥x−a∥<ϵ/2且d(y,b)=∥y−b∥<ϵ/2时,d(x+y,a+b)≤∥x−a∥+∥y−b∥<ϵ。
根据命题 1.16,该映射连续;
对于任意正数ϵ和x∈X,根据线性性与三角不等式,当∣α−β∣<ϵ/2∥x∥时,∣β∣≤∣α∣+∣α−β∣<∣α∣+ϵ/2∥x∥。
那么当∥x−y∥<(∥x∥+2∣α∣/ϵ)−1时,
∥αx−βy∥≤∥αx−βx∥+∥βx+βy∥=∣α−β∣∥x∥+∣β∣∥x−y∥<ϵ.
(14.1.1)
根据命题 1.16,该映射连续。
在研究度量空间时,一类相当重要的度量空间是完备空间;
这在赋范空间中也类似。
定义 14.2
关于范数诱导的度量完备的赋范空间称为Banach空间(Banach space)。
Banach空间最简单的例子就是Fn。
我们就级数性质给出Banach空间的一种刻画。
定理 14.1
赋范空间X完备当且仅当X中每个绝对收敛的级数收敛。
证明
对于充分性,设∑nun为X中绝对收敛的级数,记部分和为sn=∑k=1nuk。
由于∑n∥un∥收敛,其部分和∑k=1n∥uk∥为Cauchy列,即对于任意正数ϵ,存在自然数n0使得∑k=m+1n∥uk∥<ϵ对所有n>m≥n0成立。
利用三角不等式,对于这样的自然数n和m,∥sn−sm∥≤∑k=m+1n∥uk∥<ϵ,因此(sn)也是Cauchy列。
X的完备性要求(sn)收敛,即∑nun收敛。
反之对于必要性,设(xn)为X中的Cauchy列,那么存在自然数nk使得∣xn−xm∣<2−k对所有n,m≥nk成立。
不妨取n=nk+1,m=nk,那么∥xnk+1−xnk∥<2−k,这意味着∑k=1m∥xnk+1−xnk∥<1−2−m对所有自然数m成立。
实数列极限的单调性(定理 1.15)表明∑k∥xnk+1−xnk∥≤1<∞,因此级数∑k(xnk+1−xnk)绝对收敛,进而收敛。
该级数部分和为∑k=1m(xnk+1−xnk)=xnm+1−xn1,因此存在x=limmxnm+1−xn1∈X。
极限的唯一性(命题 1.10)要求limnxn=x+xn1∈X,因此赋范空间(X,∥⋅∥)完备。
14.2常见Banach空间
在本节中,我们从基本不等式和Fn中的范数族入手,给出Banach空间的一些例子。
2.1 有限维内积空间
对于1≤p≤∞,我们定义x=(x1,⋯,xn)∈Fn上的p-范数为
∥x∥p={(∑i=1n∣xi∣p)1/p,max{∣xi∣∣1≤i≤n},if 1≤p<∞,if p=∞.
(14.2.1)
为了证明p-范数确为范数,并且导出这些范数之间的关系,首先我们需要Young不等式。
引理 14.2 (Young不等式)
设p,q∈(1,∞)使得1/p+1/q=1,那么对于所有的a,b≥0,ab≤ap/p+bq/q。
证明
a=0或b=0时,该不等式平凡成立,因此假定a,b>0,此时Jensen不等式给出
ln(ab)=p1lnap+q1lnbq≤ln(pap+qbq)⟹ab≤pap+qbq.
(14.2.2)
上述引理相当重要;
我们称引理中的q是与p对偶的指数(exponent dual to p)或p的共轭指数(conjugate exponent)。
若p=1,我们取q=∞,反之类似。
通过Young不等式,我们可以得到Hölder不等式。
定理 14.2 (Hölder不等式)
设1≤p≤∞,q为与之对偶的指数,那么对于所有x,y∈Fn,∥xy∥1≤∥x∥p∥y∥q,或者具体写为
i=1∑n∣xiyi∣≤(i=1∑n∣xi∣p)1/p(i=1∑n∣yi∣q)1/q.
(14.2.3)
证明
根据引理 14.2,对于每个i=1,⋯,n,
(∑i=1n∣xi∣p)1/p∣xi∣⋅(∑i=1n∣yi∣q)1/q∣yi∣≤p(∑i=1n∣xi∣p)∣xi∣p+q(∑i=1n∣yi∣q)∣xi∣q.
(14.2.4)
对上式求和得∑i=1n∣xiyi∣/(∑i=1n∣xi∣p)1/p(∑i=1n∣yi∣q)1/q≤1/p+1/q=1,结论得证。
现在我们可以得到如下不等式,进而证明p-范数确为范数。
定理 14.3 (Minkowski不等式)
设p>1且x,y∈Fn,那么∥x+y∥p≤∥x∥p+∥y∥p,或者具体写为
(i=1∑n∣xi+yi∣p)1/p≤(i=1∑n∣xi∣p)1/p+(i=1∑n∣yi∣p)1/p.
(14.2.5)
证明
p的共轭指数q=p/(p−1),因此根据Hölder不等式(定理 14.2)和三角不等式,
∥x+y∥pp=i=1∑n∣xi+yi∣p≤i=1∑n∣xi+yi∣p−1(∣xi∣+∣yi∣)=i=1∑n∣xi+yi∣p−1∣xi∣+i=1∑n∣xi+yi∣p−1∣yi∣≤(i=1∑n∣xi+yi∣(p−1)q)1/q(i=1∑n∣xi∣p)1/p+(i=1∑n∣xi+yi∣(p−1)q)1/q(i=1∑n∣yi∣p)1/p=(i=1∑n∣xi+yi∣p)1−1/p(∥x∥p+∥y∥p)=∥x+y∥pp−1(∥x∥p+∥y∥p).
(14.2.6)
对于非零的x,y∈Fn,上述不等式可化简为∥x+y∥p≤∥x∥p+∥y∥p。
综合以上结论,我们有以下定理。
定理 14.4
设1≤p≤∞,则∥⋅∥p是Fn上的范数。
此外,若1≤p≤q≤∞,那么∥x∥q≤∥x∥p≤n(q−p)/qp∥x∥q对所有x∈Fn成立,并且该不等式是最优的(等号可成立)。
证明
结合Minkowski不等式(定理 14.3),容易验证∥⋅∥为范数。
若q=∞,不妨考虑1≤p<∞的情形,此时∣xi∣≤(∑i=1n∣xi∣p)1/p对所有i成立,因此∥x∥∞=maxi∣xi∣≤∥x∥p,等号成立当且仅当存在唯一非零的xi;
另一方面∣xi∣≤∥x∥∞对所有i成立,因此∥x∥p=(∑i=1n∣xi∣p)1/p≤(n∥x∥∞)1/p=n1/p∥x∥∞,等号成立当且仅当所有∣xi∣相同。
该不等式得证。
若q<∞,已知∣xi∣≤∥x∥p对任意1≤p≤q成立,因此
(∥x∥p∥x∥q)q=i=1∑n(∥x∥p∣xi∣)q≤i=1∑n(∥x∥p∣xi∣)p=1⟹∥x∥q≤∥x∥p,
(14.2.7)
存在唯一非零xi时等号成立。
另一方面,根据Hölder不等式(定理 14.2),取r=q/p的共轭指数s=r/(r−1)=q/(q−p),可得
∥x∥pp=i=1∑n∣xi∣p≤(i=1∑n∣xi∣pr)1/r(i=1∑n1s)1/s=∥x∥qp⋅n(q−p)/q⟹∥x∥p≤n(q−p)/qp∥x∥q,
(14.2.8)
当所有∣xi∣相同时等号成立。
2.2 序列空间
类似例例 5.2中的向量空间ℓ2,我们可定义X上任意序列(xn)的p-范数为
∥(xn)∥p={(∑n=1∞∣xn∣p)1/p,sup{∣xn∣∣n∈N},if 1≤p<∞,if p=∞.
(14.2.9)
不过这些p-范数未必对所有序列有限,因此我们以如下方式定义向量空间
ℓp=ℓp(F)=Δ{(xn)∈FN∥x∥p<∞}(1≤p≤∞), (14.2.10)c0=c0(F)=Δ{(xn)∈FNn→∞lim∣xn∣=0}. (14.2.11)
序列的p-范数具有与Fn中p-范数类似的性质;
事实上,大部分性质可视为上一小节结论到无穷维的推广。
定理 14.5
设1≤p≤∞,则(ℓp,∥⋅∥p)和(c0,∥⋅∥∞)为Banach空间。
此外,若1<p<q<∞,则ℓ1⊊ℓp⊊ℓq⊊c0⊊ℓ∞。
最后,若1≤p<q≤∞,则∥(xn)∥q≤∥(xn)∥p对所有x∈ℓp成立。
证明
当1≤p<∞时,利用Minkowski不等式(定理 14.3),对于任意(xn),(yn)∈ℓp,(∑i=1n∣xi+yi∣p)1/p≤(∑i=1n∣xi∣p)1/p+(∑i=1n∣yi∣p)1/p≤∥(xn)∥p+∥(yn)∥p对所有自然数n成立,因此根据实数列的单调收敛准则(定理 1.12),∥(xn+yn)∥p≤∥(xn)∥p+∥(yn)∥p;
当p=∞时,∣xn+yn∣≤∣xn∣+∣yn∣≤∥(xn)∥∞+∥(yn)∥∞对所有自然数n成立,因此∥(xn+yn)∥∞≤∥(xn)∥∞+∥(yn)∥∞。
可见∥⋅∥p (1≤p≤∞)确为范数,同时ℓp关于加法封闭,因此(ℓp,∥⋅∥p)为赋范空间。
而对于(xn),(yn)∈c0,实数列极限的单调性与线性性(定理 1.15)给出limn∣xn+yn∣≤limn(∣xn∣+∣yn∣)=0+0=0,因此c0也关于加法封闭,从而(c0,∥⋅∥∞)也是赋范空间。
现在证明(ℓp,∥⋅∥)和(c0,∥⋅∥∞)的完备性。
考虑ℓp内的任意Cauchy列x1,x2,⋯,这里xn=(xn,1,xn,2,⋯)。
对于任意正数ϵ,存在n0∈N使得∣xn,i−xm,i∣≤∥xn−xm∥p<ϵ对所有n,m≥n0和每个i成立,因此对于每个给定的i,(xn,i)n∈N也构成一组Cauchy列。
利用实数列的完备性(定理 1.14),每条实数列(xn,i)n∈N收敛到某个yi∈F。
记y=(y1,y2,⋯),希望证明y∈ℓp。
已知∑i=1r∣xn,i−xm,i∣p≤∥xn−xm∥pp<ϵp对所有n,m≥n0成立。
令m→∞,则范数的连续性(命题 14.2)要求∑i=1r∣xn,i−yi∣p≤ϵp对所有自然数r成立。
由实数列极限的单调性(定理 1.15),∥xn−y∥pp≤ϵp,可见y−xn∈ℓp,进而y=(y−xn)+xn∈ℓp;
这意味着Cauchy列x1,x2,⋯收敛到y∈ℓp,故(ℓp,∥⋅∥p)完备。
对于(c0,∥⋅∥∞)内的任意Cauchy列x1,x2,⋯,类似可证∣xn,i−xm,i∣≤∥xn−xm∥∞<ϵ/2对所有n,m≥n1和每个i成立。
令m→∞,可得∣xn,i−yi∣≤ϵ/2;
同时limi∣xn,i∣=0要求存在n2∈N,使得∣xn,i∣<ϵ/2。
因此存在n0=max{n1,n2},使得∣yi∣≤∣xn,i∣+∣xn,i−yi∣<ϵ对每个i成立,因此y∈c0,进而可证明Cauchy列x1,x2,⋯收敛到y∈c0,即(c0,∥⋅∥∞)也完备。
最后证明各向量空间的包含关系。
根据定理 14.4,supi∣xi∣=max∣xi∣≤(∑i=1n∣xi∣q)1/q≤(∑i=1n∣xi∣p)1/p对所有自然数n成立,因此利用实数列极限的单调性(定理 1.15),∥(xn)∥∞≤∥(xn)∥q≤∥(xn)∥p。
这意味着只要较大的范数有界,那么较小的范数必然有界,因此ℓ1⊊ℓp⊊ℓq⊊ℓ∞。
对于任意(xn)∈c0和任意正数ϵ,存在n0∈N使得∣xn∣<ϵ对所有n≥n0成立,因此∣xn∣≤max{maxn≤n0∣xn∣,ϵ}<∞对所有n∈N成立,进而∥(xn)∥∞<∞;
同时容易构造(xn)=(1−1/n)∈ℓ∞不在c0内,因此c0⊊ℓ∞。
而对于任意(xn)∈ℓq,通过反证法容易验证limn∣xn∣=0,同时可构造(xn)=(1/n1/q)∈c0不在ℓq内,因此ℓq⊊c0。
2.3 Lebesgue空间
这里我们不加证明地给出Lebesgue空间(简称为Lp-空间)的主要性质,可将其视为ℓp-空间的某种连续版本。
设X⊆Rn是开集(或者仅仅是Borel可测集),那么对于可测函数u:X→F,定义
∥u∥p={(∫X∣u(x)∣pdx)1/p,ess sup{∣u(x)∣∣x∈X},if 1≤p<∞,if p=∞,
(14.2.12)
其中函数f的本质上确界(essential supremum)定义为ess supf=inf{a∈R∣μ({x∣f(x)>a})=0}。
我们将X上所有使得∥u∥p有限的可测函数构成的空间记为Lp(X,F)=Lp(X)。
若两个函数几乎处处相等,则视其等同。
命题 14.3 (Hölder不等式)
设1≤p≤∞,若u∈Lp(X)且v∈Lq(X),则∫X∣u∣∣v∣dx≤∥u∥p∥v∥q。
此外还有如下事实。
定理 14.6
设1≤p≤∞,那么(Lp(X),∥⋅∥p)是一个Banach空间。
若X具有有限测度且1<p<q<∞,则有L∞(X)⊊Lq(X)⊊Lp(X)⊊L1(X);
若X具有无穷测度,则p=q时,在Lp(X)与Lq(X)之间不存在集合包含关系。
14.3有界线性算子的基本性质
在介绍有界算子之前,需要先引入有界集的概念
定义 14.3 (有界集)
若存在M>0,使得赋范空间X的子集U⊆B(0,M),则称U有界(bounded)。
定义 14.4
设X和Y为两个赋范空间。
所有从X到Y的线性算子构成的集合记作Hom(X,Y)。
这里“Hom”源于线性算子时向量空间之间的同态(homomorphism),同时记Hom(X)=Hom(X,X);
连续线性算子集L(X,Y)={T∈Hom(X,Y)∣T continuous},同时记L(X)=L(X,X);
若T∈Hom(X,Y)将X的每个有界子集映射到Y的一个有界子集上,则称其有界(bounded)。
类似命题 1.17,我们对连续有界线性算子进行刻画。
命题 14.4
对于T∈Hom(X,Y),下列表述等价:
T∈L(X,Y);
T在x=0处连续;
T有界;
对于所有x∈X,存在α>0使得∥Tx∥Y≤α∥x∥X。
证明
若表述1成立,显然T在x=0处连续,表述2成立;
若表述2成立,由于T在x=0处连续,故存在δ>0使得∥x∥X≤δ时∥Tx∥Y≤1。
对于X的任意有界子集U,M=supx∈U∥x∥X<∞,那么对于每个x∈U,∥(δ/M)x∥X=(δ/M)∥x∥X≤δ。
因此1≥∥T(δx/M)∥X=(δ/M)∥Tx∥Y,即TU⊆B(0,M/δ),因此T有界,表述3成立;
若表述3成立,那么存在α>0使得∥x∥X≤1时∥Tx∥Y≤α。
对于任意x∈X,α≥∥T(x/∥x∥X)∥Y=∥Tx∥Y/∥x∥X,即∥Tx∥Y≤α∥x∥X,表述4成立;
若表述4成立,对于任意x,y∈X和任意正数ϵ,当∥x−y∥X≤ϵ/α时,∥Tx−Ty∥Y=∥T(x−y)∥Y≤α∥x−y∥X<ϵ,因此T∈L(X,Y),表述1成立。
上述结论中表述4对我们有所启发:
可以寻找一个充分小的α以刻画算子T的“长度”。
定义 14.5 (算子范数)
对于T∈L(X,Y),定义∥T∥L(X,Y)=inf{α>0∣∥Tx∥Y≤α∥x∥X for all x∈X}为X的算子范数。
在证明算子范数确为范数前,我们先给出其等价刻画。
命题 14.5
设T∈L(X,Y),则∥Tx∥Y≤∥T∥L(X,Y)∥x∥X对所有x∈X成立。
此外,
∥T∥L(X,Y)=x∈X\{0}sup∥x∥X∥Tx∥Y=∥x∥X=1sup∥Tx∥Y=∥x∥X<1sup∥Tx∥Y=∥x∥X≤1sup∥Tx∥Y.
(14.3.1)
证明
根据定义,对于任意正数ϵ,存在α>0使得∥T∥L(X,Y)+ϵ>α,因此∥Tx∥Y≤α∥x∥X<(∥T∥L(X,Y)+ϵ)∥x∥X对所有x∈X成立。
利用ϵ的任意性,可知∥Tx∥Y≤∥T∥L(X,Y)∥x∥X对所有x∈X成立。
对于第一个等号,λ=supX\{0}∥Tx∥Y/∥x∥X≥∥Tx∥Y/∥x∥X对所有x∈X成立,因此∥T∥L(X,Y)≤λ;
反之已证明∥Tx∥Y/∥x∥X≤∥T∥L(X,Y)对所有x∈X\{0}成立,因此λ=supx∈X\{0}∥Tx∥Y/∥x∥X≤∥T∥L(X,Y)。
因此λ=∥T∥L(X,Y)。
对于任意x∈X\{0},将x/∥x∥X重新记为x可直接证明第二个等号。
对于第三个等号,由于∥Tx∥Y≤∥Tx∥Y/∥x∥对所有满足∥x∥X<1的x∈X成立,故β=Δsup∥x∥X<1∥Tx∥Y≤sup∥x∥X<1∥T(x/∥x∥X)∥Y=λ;
另一方面,对于任意正数ϵ和x∈X,β≥∥Tx/(∥x∥X+ϵ)∥Y,即∥Tx∥Y≤β(∥x∥X+ϵ),因此∥Tx∥Y≤β∥x∥X对所有x∈X成立,这意味着β≥λ,从而β=λ。
最后,首先有λ=β≤sup∥x∥X≤1∥Tx∥Y;
对于反向不等式,类似有sup∥x∥X≤1∥Tx∥Y≤supx∈X\{0}∥Tx∥Y/∥x∥X=λ,得证。
有了上述结果,现在我们可证明∥⋅∥L(X,Y)是范数。
命题 14.6
空间(L(X,Y),∥⋅∥L(X,Y))是赋范空间。
证明
对于任意T∈L(X,Y)和任意正数ϵ,根据定义,存在α>0使得∥T∥L(X,Y)+ϵ>α>0,因此ϵ的任意性要求∥T∥L(X,Y)≥0。
当∥T∥L(X,Y)=0时,根据命题 14.5,∥Tx∥Y=0对所有x∈X成立,因此T≡0,正定性得证;
对于任意λ∈F,将λT代入命题 14.5中任一表达式可证明该结论,线性性得证;
对于任意S∈L(X,Y),∥(S+T)x∥Y=∥Sx+Tx∥Y≤∥Sx∥Y+∥Tx∥Y对任意满足∥x∥X=1的x∈X成立,因此∥S+T∥L(X,Y)≤sup∥x∥X=1(∥Sx∥Y+∥Tx∥Y)≤∥S∥L(X,Y)+∥T∥L(X,Y),三角不等式得证。
定理 14.7
若Y是一个Banach空间,则L(X,Y)是关于算子范数的Banach空间。
证明
设(Tn)是L(X,Y)内的Cauchy列,那么对于任意正数ϵ和x∈X,存在n0∈N,使得∥Tn−Tm∥L(X,Y)<ϵ对所有n,m≥n0成立。
根据命题 14.5,对于任意给定的x∈X,∥Tnx−Tmx∥Y≤∥Tn−Tm∥L(X,Y)∥x∥X<ϵ∥x∥X,因此(Tnx)是Banach空间Y内的Cauchy列,其收敛到Y内某个向量。
根据定理 3.1,可以通过指定T∈Hom(X,Y)在X的每个基向量上的值唯一确定T,并通过线性延拓使得Tx=limnTnx对所有x∈X成立。
下面证明T∈L(X,Y)。
利用范数的连续性(命题 14.2)与极限的单调性(定理 1.15),∥Tnx−Tx∥=limm∥Tnx−Tmx∥≤ϵ∥x∥X对所有x∈X和n≥n0成立。
根据命题 14.4,T−Tn∈L(X,Y)。
命题 3.1表明,Hom(X,Y)是一个向量空间,而复合映射的连续性(简单验证或参见命题 A.3)要求L(X,Y)为Hom(X,Y)的一个子空间。
因此T=(T−Tn)+Tn∈L(X,Y)。
14.4范数的等价性
根据所考察的特定问题,采用不同的范数处理可能会带来方便。
这里先介绍一些定义。
定义 14.6 (等价范数)
设X为向量空间,∥⋅∥1和∥⋅∥2是X上的两个范数。
若存在常数C>0使得∥x∥2≤C∥x∥1对所有x∈X成立,则称∥⋅∥1强于∥⋅∥2,或者∥⋅∥2弱于∥⋅∥1;
若存在常数C1,C2>0使得C1∥x∥1≤∥x∥2≤C2∥x∥1对所有x∈X成立,则称两个范数等价。
例 14.1
根据定理 14.4,Fn上所有的p-范数等价;
根据定理 14.5,当p≤q时,ℓp上的∥⋅∥p范数强于ℓq上的∥⋅∥q范数;
此时不存在等价范数。
命题 14.7
范数等价是一种等价关系;
若∥⋅∥1强于∥⋅∥2,则X上由∥⋅∥1诱导的拓扑T1强于∥⋅∥2诱导的拓扑T2,即开集族T2⊆T1。
特别地,等价范数生成X上的相同拓扑;
对于赋范空间X1=(X,∥⋅∥1)和X2=(X,∥⋅∥2),∥⋅∥1强于∥⋅∥2当且仅当单位映射id:X1→X2, x↦x是有界线性算子,即id∈L(X1,X2)。
特别地,该范数等价当且仅当id−1=id∈L(X2,X1)。
证明
自反性是显然的;
若存在C1,C2>0使得C1∥x∥1≤∥x∥2≤C2∥x∥1对所有x∈X成立,那么C2−1∥x∥2≤∥x∥1≤C1−1∥x∥2,对称性成立;
若存在C1,C2,C1′,C2′>0使得C1∥x∥1≤∥x∥2≤C2∥x∥1且C1′∥x∥2≤∥x∥3≤C2′∥x∥2,那么C1C1′∥x∥1≤∥x∥3≤C2C2′∥x∥1,传递性成立;
对于任意开集U∈T2,根据定义,对于任意x∈U,存在B2(x,r)={y∈U∣∥x−y∥2<r}⊆U。
那么对于任意y∈B1(x,r/C)={y∈U∣∥x−y∥1<r/C},∥x−y∥2≤C∥x−y∥1<r,即B1(x,r/C)⊆B2(x,r)⊆U。
可见U∈T1,即T2⊆T1;
根据命题 14.4,id有界当且仅当存在C>0使得α∥x∥2≥∥id(x)∥1=∥x∥1对所有x∈X成立,因此当且仅当∥⋅∥1强于∥⋅∥2。
引理 14.3
若∥⋅∥1和∥⋅∥2为等价范数,则X1=(X,∥⋅∥1)完备当且仅当X2=(X,∥⋅∥2)完备。
证明
若X1完备,那么对于X2上的任意Cauchy列(xn)和任意正数ϵ,存在C>0和n0∈N使得∥xn−xm∥1≤C∥xn−xm∥2<C⋅(ϵ/C)=ϵ对所有n,m≥n0成立。
因此(xn)也是X1上的Cauchy列,进而收敛到某个x∈X,即X2也完备;
反之类似。
定义 14.7 (图范数)
设X,Y为赋范空间,T∈Hom(X,Y),则称∥u∥T=∥u∥X+∥Tu∥Y是与T有关的图范数(graph norm)。
命题 14.8
设T∈Hom(X,Y),将X上的图范数记为∥⋅∥T,则T∈L(X,Y)当且仅当∥⋅∥T等价于∥⋅∥X。
证明
由于∥u∥X≤∥u∥T显然成立,后续证明只考虑∥⋅∥X是否强于∥⋅∥T。
对于充分性,命题 14.4表明存在α>0使得∥Tu∥Y≤α∥u∥X对所有u∈X成立,因此∥u∥T≤(1+α)∥u∥X,故∥⋅∥T等价于∥⋅∥X;
反之对于必要性,存在C>0使得∥u∥T=≤C∥u∥X对所有u∈X成立,即∥Tu∥Y≤(C−1)∥u∥X。
这要求C>1(C=1时T为零映射),从而T有界。
根据命题 14.4,T∈L(X,Y)。
14.5有限维赋范空间
定理 14.8
设X是有限维向量空间,那么X上所有范数都是等价的。
此外,X关于每个范数均完备。
证明
设dim(X)=n,那么存在同构(推论 3.2)T:Fn→X,使得Tei=bi,其中B=(b1,⋯,bn)是X的一组有序基,而ei是Fn的标准基;
再通过线性延拓将T的定义域延拓到X。
设∥⋅∥X是X上的范数,那么对于任意x=(x1,⋯,xn)∈Fn,Cauchy-Schwarz不等式(命题 5.2)给出
∥Tx∥X=Ti=1∑nxieiX=i=1∑nxibiX≤i=1∑n∣xi∣∥bi∥X≤(i=1∑n∥bi∥X2)1/2(i=1∑n∣xi∣2). (14.5.1)
记C=(∑i=1n∥bi∥X2)1/2,则上式可写为∥Tx∥X≤C∥x∥2。
根据命题 14.4,T∈L(Fn,X)。
利用范数的连续性(命题 14.2)和复合映射的连续性(命题 A.3),映射x↦∥Tx∥X是从Fn到R的连续映射。
特别地,该映射在单位球面S={x∈Fn∣∥x∥2=1}上连续。
由于S是Fn的紧子集,根据极值定理 1.5,存在y∈Fn使得∥Ty∥X≤∥Tx∥X对所有x∈S成立。
假设∥Ty∥X=0,那么范数的正定性要求Ty=0,从而Ty在B下的展开系数yi均为零,即y=0,这与∥y∥2=1矛盾。
故c=∥Ty∥X>0,那么对于任意非零的x∈Fn,
T∥x∥2xX≥∥Ty∥X=c⟹∥Tx∥X≥c∥x∥2⟹T−1(Tx)2≤c−1∥Tx∥X. (14.5.2)
对于任意u∈X,存在x=T−1u∈Fn,因此根据命题 14.4,上式表明T−1∈L(X,Fn)。
根据命题 14.8,X上的任意范数∥⋅∥X等价于∥⋅∥T−1,而T仅取决于向量空间Fn和X的代数性质而不依赖于具体的范数。
因此对于给定的X,所有范数∥⋅∥X彼此等价。
现在证明其完备性。
设(xn)为X内的Cauchy列,那么对于任意正数ϵ,存在n0∈N使得∥xn−xm∥X≤cϵ对所有n,m≥n0成立。
根据(14.5.2)式,T−1xn−T−1xm2≤c−1∥xn−xm∥X<ϵ,因此(T−1xn)也构成Fn的Cauchy列。
利用Fn的完备性(请读者结合定理 1.14,仿照定理 14.5的方法自行证明),类似定理 14.7的分析可知,存在x∈X使得limn(T−1xn)=T−1x。
T∈L(Fn,X)表明xn→x∈X,因此(X,∥⋅∥X)完备。
上述定理存在一些有用的结果。
首先是与任意赋范空间的有限维子空间的结果。
证明
若S是X的有限维子空间,那么S的封闭性保证其为范数继承自X的赋范空间。
根据定理 14.8,S是完备的。
对于S内任意收敛到x∈X的序列(xn),根据命题 1.11,(xn)也是S内的Cauchy列,因而收敛到某个x′∈X。
由极限的唯一性(命题 1.10),x=x′∈S,因此S也是闭集。
下一个结果表明,任意有限维赋范空间上的线性算子是连续的。
推论 14.2
设X,Y为赋范空间且dim(X)<∞,若T:X→Y是线性的,则T是有界的。
证明
对于任意u∈X,根据图范数定义 14.7后的讨论,只要T∈Hom(X,Y)就能定义图范数∥u∥T=∥u∥X+∥Tu∥Y。
根据定理 14.8,∥⋅∥T与∥⋅∥X等价;
再根据命题 14.8,T∈L(X,Y)。
最后证明Heine-Borel定理 1.10的在一般的有限维赋范空间内的推广;
而在下一节中,我们将证明反向结论也为真。
这给出了有限维赋范空间的一个拓扑刻画。
推论 14.3 (一般Heine-Borel定理)
设X为有限维赋范空间,则A⊆X紧致当且仅当A为有界闭集。
证明
延续定理 14.8的证明,已知对于任意n维赋范空间X,同构T∈L(Fn,X)且T−1∈L(X,Fn)。
若A⊆X紧致,则根据命题 1.18,T−1(A)紧致,因此Heine-Borel定理 1.10表明T−1A是有界闭集。
根据命题 1.17,A=(T−1)−1(T−1A)是闭集;
根据命题 14.4,A=T(T−1A)是有界的。
因此A也是有界闭集;
反之类似。
14.6无穷维赋范空间
定理 14.9
设X为赋范空间,S是X的真闭子空间,则对于每个ϵ∈(0,1),存在满足∥xϵ∥=1的xϵ∈X,使得
dist(xϵ,S)=x∈Sinf∥x−xϵ∥≥1−ϵ.
(14.6.1)
证明
由于S是X的真闭子空间,那么存在x∈X\S。
假设dist(x,S)=0,那么对于任意正数ϵ,存在y∈S使得ϵ>∥x−y∥,即B(x,ϵ)∩S=∅;
这意味着x∈Sˉ=S,但这与x∈X\S矛盾。
因此设α=dist(x,S)>0。
任取ϵ∈(0,1),那么存在sϵ∈S使得α/(1−ϵ)>∥x−sϵ∥。
定义xϵ=(x−sϵ)/∥x−sϵ∥,那么对于每个s∈S,
∥xϵ−s∥=∥x−sϵ∥x−sϵ−s=∥x−sϵ∥1∥x−sϵ−∥x−sϵ∥s∥>α1−ϵ∥x−(sϵ+∥x−sϵ∥s)∥. (14.6.2)
利用S的封闭性,sϵ+∥x−sϵ∥s∈S,因此∥xϵ−s∥≥(1−ϵ)dist(x,S)/α=1−ϵ对所有s∈S成立,进而dist(xϵ,S)≥1−ϵ。
推论 14.4
设X具有闭子空间Si (i∈N),如果S1⊊S2⊊⋯⊊Sn⊊Sn+1对所有n∈N成立,那么存在范数为1的sn∈Sn,使得dist(sn,Sn−1)≥1/2对所有n∈N成立;
类似地,如果S1⊋S2⊋⋯⊋Sn⊋Sn+1对所有n∈N成立,那么存在范数为1的sn∈Sn,使得dist(sn,Sn+1)≥1/2对所有n∈N成立。
有了这一推论,我可可以给出有限维和无穷维空间的刻画。
定理 14.10
赋范空间X是有限维的当且仅当单位球面S={x∈X∣∥x∥=1}是紧致的。
证明
若dim(X)=n<∞,显然S是有界集。
对于S上任意收敛到x∈X的序列(xn),范数的连续性(命题 14.2)给出∥x∥=∥limnxn∥=limn∥xn∥=1,因此x∈S,从而S是闭集。
根据一般Heine-Borel定理(推论 14.3),S紧致;
反之若dim(X)=∞,由于ℵ0是最小无穷势,因此X内至少存在一组可数线性无关集{en∣n∈N}。
设子空间Sn=span{ek∣k=1,⋯,n},那么显然dim(Sn)=n。
根据推论 14.1,每个Sn都是完备闭集;
又根据推论 14.4,S1⊊S2⊊⋯⊊Sn⊊Sn+1对每个n∈N成立,因此存在sn∈Sn,使得dist(sn,Sn−1)≥1/2对所有n∈N成立。
后续分析与例例 13.1类似,因为(sn)不是序列紧的,因此S不是紧致的。
序列紧的定义及其与紧致性的等价性参见[4]。
14.7商空间
我们已经在第第 4.1 节节了解了向量空间X的某个子空间S对应的商空间X/S定义。
先我们希望引入定义在商空间上的范数,使其称为一个赋范空间。
结合定理 14.9,这在一定条件下总是可以做到的。
命题 14.9
设X为赋范空间,S是X的一个子空间,那么X/S是具有范数∥⋅∥X/S:X/S→R, x+S↦infz∈S∥x−z∥X的赋范空间当且仅当S是闭集。
证明
首先验证函数∥⋅∥X/S的线性性与三角不等式。
对于前者,
∥α(x+S)∥X/S=∥αx+S∥X/S=z∈Sinf∥αx−z∥X=z/α∈Sinf∥α(x−z/α)∥X=∣α∣∥x+S∥X/S.
(14.7.1)
而对于后者,考虑任意正数ϵ,存在zx,zy∈S,使得infz∈S∥x−zx∥X+ϵ/2>∥x−zx∥X且infz∈S∥y−z∥X+ϵ/2>∥y−zy∥X,因此
∥(x+S)+(y+S)∥X/S=∥(x+y)+S∥X/S=z∈Sinf∥(x+y)−z∥X≤∥(x+y)−(zx+zy)∥X≤∥x−zx∥X+∥y−zy∥X≤∥x+S∥X/S+∥y+S∥X/S+ϵ
(14.7.2)
对所有正数ϵ成立,因此∥(x+S)+(y+S)∥X/S≤∥x+S∥X/S+∥y+S∥X/S,即三角不等式成立。
对于正定性,首先∥x−z∥X≥0对所有z∈S成立,因此∥x+S∥X/S≥0。
在S=X的平凡情形中,∥⋅∥X/S为零映射;
不妨设S⊊X。
若S是闭集,根据定理 14.9的证明,infz∈S∥x−z∥>0对每个x∈X\S成立。
因此∥x+S∥X/S=0当且仅当x∈S,即x+S=S是商空间X/S内的零向量;
反之若∥⋅∥X/S正定,考虑S内任意收敛到某个x∈X的序列(zn)。
对于任意正数ϵ,存在n0∈N使得infz∈S∥x−z∥≤∥x−zn∥<ϵ对所有n≥n0成立。
由ϵ的任意性,infz∈S∥x−z∥=0,因此正定性要求x∈S,故S是闭集。
定义 14.8 (商范数)
若S是赋范空间X的闭子空间,则范数∥⋅∥X/S称为X/S上的商范数(quotient norm)。
定理 14.11
设X为Banach空间,S是X的闭子空间,则X/S关于商范数构成Banach空间。
证明
这里我们采用定理 14.1中对Banach空间的刻画:
对于商空间V/S内任意绝对收敛的序列(xn+S),存在zn∈S使得∥xn+S∥X/S+1/2n>∥xn−zn∥X对每个自然数n成立,因此
k=1∑n∥xk−zk∥X<k=1∑n∥xn+S∥X/S+(1−2n1)<n=1∑∞∥xn+S∥X/S+1<∞
(14.7.3)
也对所有自然数n成立。
利用实数列的单调收敛准则(定理 1.12),级数∑n=1∞(xn−zn)绝对收敛。
根据定理 14.1,X完备意味着∑n=1∞(xn−zn)收敛到某个x∈X。
那么对于任意正数ϵ,存在自然数n0使得
k=1∑n(xk+S)−(x+S)X/S=(k=1∑nxk−x)+SX/S=z∈Sinf(k=1∑nxk−x)−zX≤k=1∑nxk−x−k=1∑nzkX=k=1∑n(xk−zk)−xX<ϵ (14.7.4)
对所有n≥n0成立,因此∑n=1∞(xn+S)收敛到(x+S)。
根据定理 14.1,X/S完备。