WikiDer > Теорема Банаха – Алаоглу - Википедия

Banach–Alaoglu theorem - Wikipedia

В функциональный анализ и смежные отрасли математика, то Теорема Банаха – Алаоглу (также известен как Теорема Алаоглу) утверждает, что закрыто единичный мяч из двойное пространство из нормированное векторное пространство является компактный в слабая * топология.[1] Обычное доказательство идентифицирует единичный шар со слабой * топологией как замкнутое подмножество товар компактов с топология продукта. Как следствие Теорема Тихонова, этот продукт, а следовательно, и единичный шар внутри, компактны.

Эта теорема имеет приложения в физике, когда описывается множество состояний алгебры наблюдаемых, а именно то, что любое состояние может быть записано как выпуклая линейная комбинация так называемых чистых состояний.

История

По словам Лоуренса Наричи и Эдварда Бекенштейна, теорема Алаоглу - «очень важный результат - возможно, то самый важный факт о слабая * топология - [это] отражается во всем функциональном анализе ".[2] В 1912 году Хелли доказал, что единичный шар непрерывного сопряженного пространства C ([а, б]) счетно слабо- * компактно.[3] В 1932 г. Стефан Банах доказал, что замкнутый единичный шар в непрерывном сопряженном пространстве любого отделяемый нормированное пространство последовательно слабо- * компактно (Банах рассматривал только последовательная компактность).[3] Доказательство для общего случая было опубликовано в 1940 г. математиком Леонидас Алаоглу. Согласно Pietsch [2007], есть по крайней мере 12 математиков, которые могут претендовать на эту теорему или на ее важного предшественника.[2]

В Теорема Бурбаки – Алаоглу это обобщение[4][5] исходной теоремы Бурбаки к двойные топологии на локально выпуклые пространства. Эта теорема также называется Теорема Банаха-Алаоглу или Слабая * теорема компактности и его обычно называют просто Теорема Алаоглу[2]

Заявление

Если Икс является вещественным или комплексным векторным пространством, тогда мы допустим обозначить алгебраическое двойственное пространство из Икс. Если Икс это топологическое векторное пространство (TVS), то обозначим непрерывное двойственное пространство к Икс к , куда обязательно держит. Обозначим слабая * топология на (соответственно на ) к (соотв. ). Важно отметить, что топология подпространства который наследуется от просто

Теорема Алаоглу[3] — Для любых ТВС Икс (нет обязательно Хаусдорф или же локально выпуклый), полярный

любой район U из 0 в Икс компактна в слабая * топология[6] на Более того, равен полюсу U относительно канонической системы и это также компактное подмножество

Доказательство —

Для этого доказательства мы будем использовать основные свойства, перечисленные в статьях: полярный набор, двойная система, и непрерывный линейный оператор.

Напомним, когда Икс# наделен слабая * топология тогда это полное пространство; тем не мение, может не быть полным пространством. Везде, если не указано иное, все полярные множества будут взяты относительно канонической спаривание куда является непрерывным двойственным пространством Икс.

Позволять U быть окрестностью начала координат в Икс и разреши:

  • быть полярником U относительно канонического спаривания ;
  • U∘∘ быть биполярный из U относительно ;
  • быть полярником U относительно канонической дуальной системы

Хорошо известный факт о полярах множеств состоит в том, что U∘∘∘ = U.

(1) Сначала покажите, что U# = U а затем вывести, что U это -закрытое подмножество Хорошо известен результат о том, что поляра множества слабо замкнута, из чего следует, что это -закрытое подмножество Поскольку каждый непрерывный линейный функционал является линейным функционалом, UU# держит. Для обратного включения, если жU# тогда с и U это район 0 в Икс, следует, что ж это непрерывный линейный функционал (то есть, ) откуда следует, что U#U).

(2) Покажите, что U является -полностью ограниченный подмножество Посредством биполярная теорема, UU∘∘ так с тех пор U является поглощающий в Икс, следует, что также является увлекательным подмножеством Икс, что, как можно показать, означает, что является -ограниченный. С Икс отличает точки из , можно показать, что подмножество является -ограничен тогда и только тогда, когда он -полностью ограниченный. Из этого следует, что является -полностью ограничен.

(3) Теперь покажите, что является -общенно ограниченное подмножество Напомним, что топология на идентична топологии подпространства, что наследуется от Этот факт вместе с (2) означает, что это -общенно ограниченное подмножество

(4) Наконец, выведите, что это -компактное подмножество Потому что это полное пространство и является замкнутым (согласно (1)) и вполне ограниченным (согласно (3)) подмножеством , следует, что U компактный. ∎

Если Икс это нормированное векторное пространство, то поляра окрестности замкнута и ограничена по норме в сопряженном пространстве. В частности, если U - открытый (или закрытый) единичный шар в Икс затем полярный U замкнутый единичный шар в непрерывном сопряженном пространстве из Иксобычная двойная норма). Следовательно, эта теорема может быть специализирована для:

Теорема Банаха-Алаоглу: Если Икс является нормированным пространством, то замкнутый единичный шар в непрерывном сопряженном пространстве (наделенный обычным норма оператора) компактен относительно слабая * топология.

Когда непрерывное двойное пространство из Икс является бесконечномерным нормированным пространством, то это невозможно для закрытого единичного шара в быть компактным подмножеством, когда имеет обычную топологию нормы. Это связано с тем, что единичный шар в топологии нормы компактен тогда и только тогда, когда пространство конечномерно (см. Теорема Ф. Рисса). Эта теорема является одним из примеров полезности наличия разных топологий в одном векторном пространстве.

Следует предупредить, что, несмотря на внешность, теорема Банаха – Алаоглу действительно нет подразумевают, что слабая * топология локально компактный. Это потому, что замкнутый единичный шар - это только окрестность начала координат в сильная топология, но обычно не является окрестностью начала координат в слабой * топологии, поскольку в слабой * топологии она имеет пустую внутренность, если пространство не является конечномерным. Фактически, это результат Weil все это локально компактный Хаусдорф топологические векторные пространства должны быть конечномерными.

Последовательная теорема Банаха – Алаоглу.

Частным случаем теоремы Банаха – Алаоглу является последовательный вариант теоремы, утверждающей, что замкнутый единичный шар двойственного пространства отделяемый нормированное векторное пространство последовательно компактный в слабой * топологии. Фактически, слабая топология * на замкнутом единичном шаре двойственного к сепарабельному пространству имеет вид метризуемый, поэтому компактность и последовательная компактность эквивалентны.

В частности, пусть Икс быть отделимым нормированным пространством и B закрытый единичный шар в Икс. С Икс отделимо, пусть (Иксп)
п=1
- счетное плотное подмножество. Тогда следующее определяет метрику, где для любого Икс, уB:

в котором обозначает двойственность пары Икс с Икс. Последовательная компактность B в этой метрике может быть показан аргумент диагонализации аналогично тому, который использовался при доказательстве Теорема Арцела – Асколи.

Вследствие конструктивного характера доказательства (в отличие от общего случая, основанного на выбранной аксиоме) секвенциальная теорема Банаха – Алаоглу часто используется в области уравнения в частных производных для построения решений PDE или вариационные задачи. Например, если хочется минимизировать функционал на двойственном сепарабельном нормированном векторном пространстве Икс, одна из распространенных стратегий - сначала построить минимизирующую последовательность который приближается к нижнему пределу F, используйте последовательную теорему Банаха – Алаоглу, чтобы выделить подпоследовательность, сходящуюся в слабой * топологии к пределу Икс, а затем установить, что Икс минимизатор F. Последний шаг часто требует F подчиняться (последовательный) нижняя полунепрерывность свойство в слабой * топологии.

Когда - пространство конечных радоновских мер на вещественной прямой (так что - пространство непрерывных функций, исчезающих на бесконечности, согласно Теорема Рисса о представлении) секвенциальная теорема Банаха – Алаоглу эквивалентна Теорема выбора Хелли.

Доказательство —

Для каждого ИксИкс, позволять

и

Поскольку каждый DИкс компактное подмножество комплексной плоскости, D также компактна в топология продукта к Теорема Тихонова.

Шар закрытого блока в , B1(Икс*) можно идентифицировать как подмножество D естественным образом:

Это отображение инъективно и непрерывно, с B1(Икс*) с топологией weak- * и D топология продукта. Инверсия этой карты, определенная на ее диапазоне, также является непрерывной.

Чтобы завершить доказательство этой теоремы, теперь будет показано, что диапазон приведенного выше отображения замкнут. Учитывая чистую

в D, функционал, определяемый

лежит в

Последствия

Последствия для нормированных пространств

Предположить, что Икс это нормированное пространство и наделить его непрерывным дуальным пространством с обычным двойная норма.

  • Шар закрытого блока в слабо- * компактно.[3]
    • Обратите внимание, что если бесконечномерно, то его замкнутый единичный шар обязательно нет компактна в топологии нормы Теорема Ф. Рисса (несмотря на то, что он слабый - * компактный).
  • А Банахово пространство рефлексивно тогда и только тогда, когда его замкнутый единичный шар -компактный.[3]
  • Если Икс это рефлексивное банахово пространство, то каждая ограниченная последовательность из Икс имеет слабо сходящуюся подпоследовательность. (Это следует из применения теоремы Банаха – Алаоглу к слабо метризуемому подпространству Икс; или, более кратко, применяя Теорема Эберлейна – Шмулиана.) Например, предположим, что Икс = Lп(μ), 1<п<∞. Позволять жп - ограниченная последовательность функций из Икс. Тогда существует подпоследовательность жпk и жИкс такой, что
    для всех граммLq(μ) = Икс* (где 1 /п+1/q= 1). Соответствующий результат для п= 1 неверно, так как L1(μ) не рефлексивно.
Последствия для гильбертовых пространств
  • В гильбертовом пространстве каждое ограниченное и замкнутое множество слабо относительно компактно, поэтому каждая ограниченная сеть имеет слабо сходящуюся подсеть (гильбертовы пространства - это рефлексивный).
  • Будучи замкнутыми по норме, выпуклые множества слабо замкнуты (Теорема Хана – Банаха), замыкания по норме выпуклых ограниченных множеств в гильбертовых или рефлексивных банаховых пространствах слабо компактны.
  • Замкнутые и ограниченные множества в B (H) предкомпактны относительно слабая операторная топология (слабая операторная топология слабее, чем сверхслабая топология что, в свою очередь, является слабой топологией по отношению к предуалу B (H), то класс трассировки операторы). Следовательно, ограниченные последовательности операторов имеют слабую точку накопления. Как следствие, B (H) имеет Свойство Гейне-Бореля, если он снабжен либо слабым оператором, либо сверхслабой топологией.

Отношение к аксиоме выбора

Поскольку теорема Банаха – Алаоглу обычно доказывается с помощью Теорема Тихонова, он полагается на ZFC аксиоматическая структура, и в частности аксиома выбора. Большинство основных функций функционального анализа также опираются на ZFC. Однако теорема действительно нет полагаться на аксиому выбора в сепарабельном случае (см. ниже): в этом случае фактически имеется конструктивное доказательство. В несепарабельном случае лемма об ультрафильтре, которая строго слабее выбранной аксиомы, достаточна для доказательства теоремы Банаха-Алаоглу и фактически эквивалентна ей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Рудин 1991, Теорема 3.15.
  2. ^ а б c Наричи и Бекенштейн 2011С. 235-240.
  3. ^ а б c d е Наричи и Бекенштейн 2011, pp. 225-273.
  4. ^ Кёте 1969, Теорема (4) в п. 20.9.
  5. ^ Meise & Vogt 1997, Теорема 23.5.
  6. ^ Явно подмножество называется «компактным (соответственно вполне ограниченным и т. д.) в слабой * топологии», если когда дается слабая * топология и подмножество дается топология подпространства унаследовано от тогда это компактный (соотв. полностью ограниченныйи т. д.) пространство.
  • Кете, Готфрид (1969). Топологические векторные пространства I. Нью-Йорк: Springer-Verlag.CS1 maint: ref = harv (связь) См. §20.9.
  • Мейсе, Рейнхольд; Фогт, Дитмар (1997). Введение в функциональный анализ. Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 0-19-851485-9.CS1 maint: ref = harv (связь) См. Теорему 23.5, с. 264.
  • 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, В. (1991). Функциональный анализ (2-е изд.). Бостон, Массачусетс: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-054236-8.CS1 maint: ref = harv (связь) См. Теорему 3.15, с. 68.
  • Шефер, Гельмут Х.; Вольф, Манфред П. (1999). Топологические векторные пространства. GTM. 8 (Второе изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York Выходные данные Springer. ISBN 978-1-4612-7155-0. OCLC 840278135.
  • Шехтер, Эрик (1997). Справочник по анализу и его основам. Сан-Диего: Academic Press.
  • Трев, Франсуа (2006) [1967]. Топологические векторные пространства, распределения и ядра. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-45352-1. OCLC 853623322.

дальнейшее чтение