Banach tér

A Banach-tér (egyúttal a Banach-tér , a Banach-tér is ) egy teljes normalizált vektortér a matematikában . A Banach-terek a funkcionális elemzés központi tanulmányi objektumai közé tartoznak . Különösen sok végtelen dimenziós függvénytér Banach tér. Stefan Banach matematikusról kapta a nevét , aki 1920–1922-ben Hans Hahnnal és Eduard Hellyvel együtt mutatta be őket .

meghatározás

A Banach tér egy teljesen normalizált tér

,

azaz az vektortér feletti területén a valós vagy komplex számok egy norma , amelyben minden Cauchy-sorozat elemeinek konvergál a metrikus által indukált a norma .

Magyarázatok

A metrikus tereknél a teljesség a mutató tulajdonsága, nem pedig maga a topológiai tér. Egy ekvivalens metrikára (azaz egy ugyanazt a topológiát létrehozó mutatóra) való elmozdulás elveszítheti a teljességet. Két egyenértékű norma esetében egy szabványosított térben viszont az egyik akkor és akkor teljes, ha a másik az. A standardizált terek esetében a teljesség tehát a standard topológia olyan tulajdonsága , amely nem függ az adott szabványtól.

Mondatok és tulajdonságok

  • Ha két normalizált tér közötti lineáris leképezés izomorfizmus , akkor a teljesség következik a teljességéből .
  • Ha egy zárt altér egy Banach tér , akkor ez ismét egy Banach tér. A tényezőtér a normával ekkor szintén egy Banach-tér.
  • Az első izomorfizmus- tétel a Banach-terekről: Ha a két Banach-tér közötti korlátolt lineáris leképezés képe zárva van , akkor . Ez a topológiai izomorfizmus fogalma, azaz. vagyis van egy bijektív lineáris leképezés ettől az , hogy mindkét , és folyamatos.
  • A normalizált terek közvetlen összege akkor és csak akkor Banach-tér, ha az egyes terek mindegyike Banach-tér.
  • A zárt gráf tétele : A két Banach tér közötti lineáris leképezés grafikonja csak akkor záródik le a termékben, ha a leképezés folyamatos.
  • Minden elkülöníthető Banach tér van egy zárt altér az ilyen , hogy van.

Lineáris operátorok

Biztos és normált terek felett ugyanaz a szerv , így az összeg minden folyamatos - lineáris leképezések a kijelölt.

A végtelen dimenziós terekben a lineáris leképezések nem feltétlenül folytonosak.

egy vektortér és át

-on meghatározott norma . Van egy Banach-hely is .

Ha egy Banach tér, akkor egy Banach algebra , amelynek azonos operátora van, mint egység ; a szorzási műveletet a lineáris térképek összetétele adja.

Kettős tér

Ha egy normalizált tér és az alapul szolgáló test az , akkor maga is egy Banach-tér ( normál abszolút értékkel ), és a topológiai kettős tér (szintén folyamatos kettős tér) meghatározható . Általános szabály, hogy az algebrai kettős tér valódi altere .

  • Ha egy normalizált tér van, akkor ez egy Banach tér.
  • Legyen normalizált tér. Van elválasztható így is .

A kettős topológiai helyet lehet használni , hogy meghatározza a topológia az : a gyenge topológia . A gyenge topológia nem egyenértékű a norm topológiával, ha a tér végtelenül dimenziós. Egy szekvencia konvergenciája a norm topológiában mindig a konvergenciát eredményezi a gyenge topológiában, és fordítva általában nem. Ebben az értelemben a gyenge topológiából adódó konvergenciafeltétel "gyengébb".

Van egy természetes leképezés ettől az (a bidual tér) határozzák meg: az összes és . Tól Hahn-Banach féle tétel következik, hogy az egyes közülük a leképezés folytonos, és ezért egy eleme . A leképezés mindig injektív és folyamatos (akár izometrikus is).

Reflexivitás

Ha a természetes leképezés is szurjektív (és így izometrikus izomorfizmus), akkor a normalizált teret reflexívnek nevezzük . A következő kapcsolatok érvényesek:

  • Minden reflexív normált tér egy Banach-tér.
  • A Banach tér akkor és csak akkor reflexív, ha reflexív. Ezzel az állítással egyenértékű, hogy a gyenge topológiában az egységgömb kompakt .
  • Ha reflexív normalizált tér egy Banach-tér, és ha van egy korlátos lineáris operátor re a , majd a reflexív.
  • Van egy reflexív szabványosított helyet. Akkor ha és elválasztható, ha elválasztható.
  • James tétel a Banach-teret illetően egyenértékűek:
    • reflexív.
    • azzal , hogy .

Tenzor termék

A tenzortermék univerzális tulajdonsága

Be és két vektortér. A tenzor termék a és egy , vektor tér , látva egy bilineáris leképezés , amely a következő általános tulajdonság : Ha van bármilyen bilineáris leképezés egy , vektor tér , akkor van pontosan egy lineáris leképezés az .

Különböző módon lehet meghatározni egy normát az alapul szolgáló vektorterek tenzortermékén , ideértve a projektív tenzor szorzatot és az injektív tenzor szorzatot . A teljes terek tenzor szorzata általában nem teljes. Ezért a Banach-terek elméletében egy tenzortermékként gyakran annak befejezését értik, ami természetesen a norma megválasztásától függ.

Példák

A következőkben a test vagy , van egy kompakt Hausdorff teret és egy zárt intervallum. és valós számok és . Ezután egy σ-algebra , egy beállított algebra és egy mérték .

kijelölés Kettős tér visszaható gyenge
teljes
alapértelmezett Vezetéknév
Igen Igen Euklideszi tér
Igen Igen A végesdimenziós vektorok tere a p- normával
Igen Igen A véges dimenziójú vektorok tere a maximális normával
Igen Igen A következmények tere a p- edik hatalomban összefoglalható
Nem Igen Tér a következményekhez, amelyek összegezhetők összegben
Nem Nem Térben korlátozott következményei
Nem Nem Tere konvergens következményei
Nem Nem Tér a nulla szekvenciák ; izomorf, de nem isometrikus
Nem Igen A korlátozott variációk következményeinek tere
Nem Igen Korlátozott variációjú nulla szekvencia tere
Nem Nem Korlátozott összegű hely; izometrikus izomorf
Nem Nem Konvergens összegek helye; zárt altere ; izometrikus izomorf
Nem Nem Korlátozottan mérhető függvények tere
Nem Nem Folytonos függvények a Borel σ-algebra azon
? Nem Igen Tér korlátos, véges-adalékanyag aláírt intézkedés a
? Nem Igen Tere -additive intézkedések ; zárt altere
? Nem Igen A rendszeres Borel-mérések tere ; zárt altere
Igen Igen A Lebesgue integrálható függvényeinek tere a p-ben
? Nem Igen Korlátozott teljes variáció függvénytere
? Nem Igen Korlátozott teljes variáció függvénytere, amelynek határértéke eltűnik
Nem Igen Tere abszolút folytonos függvények ; izomorf a Sobolev térhez
Nem Nem Sima Funkciók Szoba ; izomorf

Osztályozás a matematikai struktúrák hierarchiájában

A matematika absztrakt tereinek áttekintése. A nyíl implikációként értendő, azaz Vagyis a nyíl elején lévő tér egyben a nyíl végén lévő szóköz is.

Minden Hilbert-tér egy Banach-tér, de nem fordítva. Szerint a Jordan-Neumann-tétel, a skalár szorzat összeegyeztethető a norma lehet meghatározni egy Banach-tér pontosan akkor, ha a paralelogramma egyenlet vonatkozik rá.

A funkcionális elemzés néhány fontos tere, például az összes végtelenül differenciálható függvény vagy az összes eloszlás tere teljes, de nem szabványosított vektor-tér, ezért nem a Banach-szóköz. A Fréchet-terekben az embernek továbbra is teljes metrikája van , míg az LF-terek teljesen egységes vektorterek, amelyek a Fréchet-terek határeseteiként jelennek meg. Ezek speciálisan lokálisan konvex terek vagy topológiai vektorterek .

Minden normalizált tér egyedileg kitölthető, kivéve az izometrikus izomorfizmust, vagyis sűrű altérként beágyazva egy Banach-térbe.

Fréchet levezetés

Lehetőség van , hogy meghatározza a származékot egy függvény két Banach terek. Az egyik lát ösztönösen, hogy, ha van egy eleme , a származék a ponton van egy folytonos lineáris leképezés, amely megközelíti közel a sorrendben a távolság .

Az egyiket (Fréchet) -differenciálhatónak nevezzük , ha folyamatos lineáris leképezés van , amely

vonatkozik. A határérték itt minden olyan szekvencián képződik, amelynek nulla elemei konvergálnak 0-ra. Ha létezik a határ, akkor beírják és az in ( Fréchet ) származékának hívják . A levezetés további általánosításai a végesdimenziós terek elemzéséhez hasonlóan eredményeznek. Azonban minden származtatási kifejezésben közös a lineáris leképezés folytonosságának kérdése

Ez a derivált fogalom a függvények szokásos származékának általánosítása , mivel az a- ig terjedő lineáris leképezések egyszerűen valós számokkal való szorzások.

Ha differenciálható minden pontján az , akkor a másik közötti leképezés Banach terek (általában nem lineáris leképezés!) És esetleg el lehet különböztetni újra, ezért a magasabb származékai meghatározása. A pontban levő –edik derivált tehát sokrétű leképezésnek tekinthető .

A differenciálás lineáris művelet a következő értelemben: Ha és két olyan leképezés van , amelyek megkülönböztethetőek, és vannak, és skalárok , akkor megkülönböztethető és megtartja

.

A láncszabály ebben az összefüggésben is érvényes. Ha van egy a és egy a differenciálható függvény, akkor a készítmény in differenciálható, és a származék az összetétele a származékok

Az irányvezetések végtelen dimenziós vektorterekre is kiterjeszthetők, ezen a ponton a Gâteaux-differenciálra utalunk .

Banach űrértékű funkciók integrálása

Bizonyos feltételek mellett lehetőség van a Banach térértékelt funkcióinak integrálására. A huszadik században sokféle megközelítést mutattak be a Banach űrértékű funkcióinak integrációs elméletéhez . Ilyen például a Bochner-integrál , a Birkhoff-integrál és a Pettis-integrál . A véges dimenziós Banach-terekben az integrációnak ez a három különböző megközelítése végül ugyanazon integrálhoz vezet. A végtelen dimenziós Banach-terek esetében azonban ez általában már nem így van. Ezenkívül át lehet térni a hétköznapi intézkedésekről a vektoros mérésekre , amelyek értékeiket a Banach-terekben veszik fel, és integrálokat határoznak meg az ilyen intézkedések vonatkozásában.

irodalom

  • Stefan Banach: A théorie des opérations linéaires . Warszawa 1932. (Matematyczne monográfia; 1) Zbl 0005.20901 (Kolmogoroff)
  • Prof. Dr. A. Deitmar: Funkcionális elemzési szkript WS2011 / 12 < http://www.mathematik.uni-tuebingen.de/~deitmar/LEHRE/frueher/2011-12/FA/FA.pdf >
  • Robert E. Megginson: Bevezetés a Banach űrelméletbe . Springer-Verlag (1998), ISBN 0-387-98431-3
  • Bernard Beauzamy: Bevezetés a Banach- terekbe és azok geometriájába . Észak-Hollandia. 1986
  • Raymond A. Ryan: Bevezetés a Banach Spaces tenzortermékeibe . Springer kiadó. 2000
  • Anton Willkomm: Értekezés: A topológiai csoportok reprezentációs elméletéről a nem arkhimédészi Banach-terekben . Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen. 1976
  • Joseph Diestel: Szekvenciák és sorozatok a Banach-terekben , Springer-Verlag (1984), ISBN 0-387-90859-5
  • Nelson Dunford; Jacob T. Schwartz: Lineáris operátorok, I. rész, Általános elmélet 1958