Banach–Alaoğlu teoremi - Banach–Alaoglu theorem
Gelen fonksiyonel analiz ve ilgili dalları matematik , Banach-Alaoglu teoremi (olarak da bilinir Alaoglu teoremi ) belirtiyor kapalı birim top ait ikili uzay a normlu vektör alanı olan kompakt içinde zayıf * topoloji . Ortak bir kanıt, zayıf-* topolojili birim topunu , ürün topolojisine sahip kompakt kümelerin bir çarpımının kapalı bir alt kümesi olarak tanımlar . Tychonoff teoreminin bir sonucu olarak , bu çarpım ve dolayısıyla içindeki birim top kompakttır.
Bu teoremin fizikte uygulamaları vardır; herhangi bir durum, sözde saf durumların dışbükey lineer bir kombinasyonu olarak yazılabilir, yani herhangi bir durum, bir gözlemlenebilir cebirin durum kümesi tanımlandığında.
Tarih
Lawrence Narici ve Edward Beckenstein göre, Alaoglu teoremi bir "- belki çok önemli sonuçtur ilgili en önemli gerçeği zayıf-* topoloji - yankılar [yani] fonksiyonel analiz boyunca." 1912'de Helly, sürekli ikili uzayın birim topunun sayılabilir zayıf-* kompakt olduğunu kanıtladı . 1932'de Stefan Banach , ayrılabilir herhangi bir normlu uzayın sürekli ikili uzayındaki kapalı birim topun sıralı olarak zayıf-* kompakt olduğunu kanıtladı (Banach sadece sıralı kompaktlık olarak kabul edildi ). Genel durumun ispatı 1940 yılında matematikçi Leonidas Alaoğlu tarafından yayınlandı . Pietsch'e [2007] göre, bu teorem veya onun önemli bir öncülü üzerinde hak iddia edebilecek en az 12 matematikçi vardır.
Bourbaki-Alaoglu teoremi orijinal teoremi genelleştirmesidir Bourbaki için çift topolojileri üzerinde lokal konveks alanlar . Bu teorem aynı zamanda Banach-Alaoğlu teoremi veya zayıf-* kompaktlık teoremi olarak da adlandırılır ve genellikle basitçe Alaoğlu teoremi olarak adlandırılır.
Beyan
Eğer alanın üzerine bir vektör alanıdır sonra göstereceğiz cebirsel çift boşluk içinde ve bu iki boşluk bundan böyle ilişkili çiftdoğrusal değerlendirme haritası ile tanımlanan
Eğer bir
topolojik vektör uzayı (TVS) ise, sürekli dual uzayı her zaman nerede olduğu ile gösterilecektir . Ifade zayıf-* topoloji üzerinde tarafından ve üzerinde zayıf-* topoloji belirtmek tarafından zayıf-* topoloji da denir noktasal yakınsama topoloji bir harita verilmiş çünkü ve net eşler arasında net yakınlaşıyor bu topolojide ve ancak eğer etki alanındaki her nokta için , değerler ağı değere yakınsar.Alaoglu teoremi - herhangi biri için topolojik vektör alanı (TVS) ( değil mutlaka Hausdorff veya lokal olarak konveks olan) devam eden ikili alan kutup
İkilik teorisini içeren kanıt
Altında yatan alana göre Göstermek tarafından ya hangi reel sayılar veya kompleks sayılar : Bu kanıt makalelerinde açıklanan temel bazı özelliklerini kullanacak kutup kümesi , ikili sistem ve sürekli lineer operatör .
Kanıta başlamak için bazı tanımlar ve kolayca doğrulanmış sonuçlar geri çağrılır. Zayıf-* topolojisine sahip olduğunda , bu Hausdorff yerel dışbükey topolojik vektör uzayı ile gösterilir . Uzay her zaman tam bir TVS'dir ; Ancak tam bir boşluk, bu kanıtı alanı kapsar nedeni budur olmaya başarısız olabilir Özellikle bu kanıtı kapatıldığı ve (ve ancak) ise tam Haussdorf alan bir alt kompakt olduğu gerçeğini kullanır, tamamen sınırlanmış . Önemli bir şekilde, alt uzay topolojisi bu devralır na eşit Bu hali hazırda herhangi bir gösteren doğrulanabilir bir net olarak yakınsar ve sadece o da yakınsak eğer bu topolojileri birinde Sonuç iki topolojileri için aşağıdaki (diğer topoloji ancak ve ancak tam olarak aynı yakınsak ağlara sahiplerse eşittirler).
Üçlü , ikili bir eşleştirmedir, ancak aksine genel olarak ikili bir sistem olması garanti edilmez. Baştan sona, aksi belirtilmedikçe, tüm kutup kümeleri, kurallı eşleştirmeye göre alınacaktır.
Menşeinin bir mahallesi olsun ve izin ver:
- kanonik eşleşmeye göre kutuplu olsun ;
- olmak bipolar göre ;
- kanonik ikili sisteme göre kutuplu olmak
Kümelerin kutupları hakkında iyi bilinen bir gerçek,
- Gösteriyor ki bir olduğu bir -Kapalı alt kümesi Let ve varsayalım içinde net olduğunu o yakınsak içinde olduğu sonucuna için o göstermek için yeterli (ve gerekli) 'dir her için Çünkü skaler alanda ve her değer (kapalı aittir ) altküme de bu ağın limiti bu kümeye ait olmalıdır . Böylece
- Bunu gösterin ve ardından bunun her ikisinin de kapalı bir alt kümesi olduğu sonucuna varın ve Dahil etme geçerlidir çünkü her sürekli lineer fonksiyonel (özellikle) bir lineer fonksiyoneldir. Ters dahil için izin böylece doğrusal fonksiyonel tam olarak hangi durumları mahalle sınırlanmaktadır ; Bu şekilde bir sürekli işlevsel doğrusal (diğer bir deyişle, ) ve bu şekilde arzu edilen. (1)' in kullanılması ve altuzay topolojisinde kesişimin kapalı olduğu gerçeği , kapalı olma iddiasını takip eder.
- Gösteriyor ki bir olduğunu - tamamen sınırlı alt kümesi olarak iki kutuplu teoremi , mahalle çünkü bir olan emici alt kümesi içinde kümesinin doğru olması gerekir aynı ; ima ispat etmek mümkündür bir olduğunu - sınırlı alt kümesi içinde Çünkü farklılaşacaktır noktaları arasında bir alt kümesi olup -bounded ve yalnızca eğer - Tamamen sınırlanmış . Yani özellikle, aynı zamanda -tamamen sınırlıdır.
- Sonucuna da olduğu bir -Totally sınırlanan bir alt kümesi hatırlayın topoloji alt uzay topolojisi ile aynıdır devralır , birlikte (3) sahip olan bu gerçeği, ve "tamamen sınırlı" tanımı, anlamına gelir , bir olan bir -Totally sınırlanan bir alt kümesi
- Son olarak, çünkü bunun -kompakt bir altkümesi olduğunu , bunun tam bir TVS olduğunu ve bunun bir kapalı ((2) ile) ve tamamen sınırlı ((4) ile) bir altkümesi olduğunu, bunun kompakt olduğunu takip edin . QED
Eğer bir olan
normlu vektör uzayı , daha sonra mahalle kutup kapalı ve çift uzayda norm-sınırlıdır. Özellikle, eğer açık (veya kapalı) birim top ise, o zaman of'nin kutbu , ( olağan ikili norm ile ) ' nin sürekli ikili uzayındaki kapalı birim toptur . Sonuç olarak, bu teorem şu şekilde özelleştirilebilir:Banach–Alaoğlu teoremi — Eğer normlu bir uzay ise, sürekli dual uzaydaki kapalı birim top (her zamanki operatör normuna sahiptir ) zayıf-* topolojisine göre kompakttır .
Sürekli ikili uzay zaman içinde sonsuz boyutlu normlu uzay sonra öyle
imkansız kapalı birim topunun içinde iken kompakt alt kümesi için olağan norm topoloji vardır. Bunun nedeni, norm topolojisindeki birim topun, ancak ve ancak uzay sonlu boyutlu ise kompakt olmasıdır (bkz. F. Riesz teoremi ). Bu teorem, aynı vektör uzayı üzerinde farklı topolojilere sahip olmanın faydasına bir örnektir.Görünüşe rağmen, Banach-Alaoglu teoremi olmadığını uyarılmalıdır değil zayıf-* topoloji olduğunu ima yerel kompakt . Bunun nedeni, kapalı birim topun güçlü topolojideki orijinin yalnızca bir komşuluğu olması , ancak boşluk olmadığı sürece zayıf* topolojide boş iç mekana sahip olduğu için genellikle zayıf* topolojideki orijinin bir komşuluğu olmamasıdır. sonlu boyutlu. Aslında, tüm
yerel olarak kompakt Hausdorff topolojik vektör uzaylarının sonlu boyutlu olması gerektiği Weil'in bir sonucudur .Temel kanıt
Aşağıdaki ispat küme teorisi, topoloji ve fonksiyonel analizden sadece temel kavramları içerir. Özellikle ne topoloji ihtiyacınız olan bir çalışma bilgidir ağlar içinde topolojik uzaylarda , ürün topoloji ve onların ilişki noktasal yakınsama (bu ilişkinin bazı ayrıntılar ispat verilmiştir). Doğrusal bir fonksiyonelin, ancak ve ancak orijinin bir komşuluğuna bağlıysa sürekli olduğu gerçeğine aşinalık da gereklidir (bu, alt doğrusal fonksiyoneller hakkındaki makalede açıklanmıştır ).
Altında yatan alanı tarafından Göstermek tarafından hangi birini ise reel sayılar veya kompleks sayılar herhangi bir gerçek İçin let
Çünkü orijinin bir komşuluğu , aynı zamanda
soğurucu bir altkümesi olduğundan, her biri için öyle bir gerçek sayı vardır ki, LetHer sürekli lineer fonksiyonel (özellikle) lineer bir fonksiyonel olduğu için dahil
etmenin geçerli olduğunun kanıtı . Ters dahil için izin böylece doğrusal fonksiyonel tam olarak hangi durumları mahalle sınırlanmaktadır ; Bu şekilde bir sürekli işlevsel doğrusal (diğer bir deyişle, ) ve bu şekilde arzu edilen. QEDBu ispatın geri kalanı, Kartezyen çarpımının , formun tüm fonksiyonlarının uzayı olarak nasıl tanımlandığının doğru bir şekilde anlaşılmasını gerektirir. Şimdi ilgilenen okuyucular için bir açıklama verilmiştir.
Tuple'larla işlevlerin tanımlanmasıyla ilgili prömiyer
|
---|
Kartezyen ürün genellikle bütün kümesi olarak düşünülür -indexed küpe şimdi tarif edildiği gibi, aynı zamanda boşluk tespit edilebilir, ancak prototip olan tüm fonksiyonların
Pek çok yazarın genellikle yorum yapmadan eşitlik ilkesini yazmasının nedeni budur. Kartezyen ürünün herhangi bir verili kanonik izdüşümü , fonksiyondur.
Set sahip varsayılır ürün topoloji . Ürün topolojisinin noktasal yakınsama topolojisiyle aynı olduğu iyi bilinmektedir . Bu verilen nedeni ve net nerede ve her bir elementtir sonra net yakınsak ürün topolojisinde ve ancak eğer
nerede ve Böylece çarpım topolojisinde ' ye yakınsar, ancak ve ancak noktasal olarak yakınsarsa Bu ispatta ayrıca noktasal yakınsaklığın topolojisinin topolojik altuzaylara geçerken korunduğu gerçeği kullanılacaktır . Bu, örneğin, her biri için bir (topolojik) altuzay ise , noktasal yakınsama topolojisinin (veya eşdeğer olarak, çarpım topolojisinin) üzerindeki kümenin miras aldığı altuzay topolojisine eşit olduğu anlamına gelir. |
Anladıktan sonra sembol dağınıklığı azaltmak için, bu olar seti ile belirtilir
Aşağıdaki ifadeler doğrulandıktan sonra teoremin ispatı tamamlanmış olacaktır:
-
kapalı bir alt kümesidir
- Burada ,
- yarıçapı kapalı top i belirtir merkezlenmiş her biri için bu kanıt başlangıcında tanımlanan
Bu ifadeler ,
Tychonoff teoremi ile bu çarpım uzayının kompakt olduğu kapalı bir alt küme olduğunu ima eder (çünkü her kapalı top bir kompakt uzaydır). Kompakt bir uzayın kapalı bir alt kümesi kompakt olduğundan , Banach-Alaoğlu teoreminin ana sonucu olan kompakt olduğunu takip eder .(1) kanıtı :
Cebirsel ikili uzay her zaman kapalı bir altkümesidir (bu sonuca aşina olmayan okuyucular için aşağıdaki lemmada kanıtlanmıştır). İçinde kapalı olduğunu kanıtlamak için , ile tanımlanan kümenin olduğunu göstermek yeterlidir.
Bir yan not olarak, bu kanıt, yukarıdaki sonucun özel durum olarak çıktığı aşağıdaki daha genel sonucu kanıtlamak için genelleştirilebilir ve
- Önerme : Eğer herhangi kümesidir ve eğer bir olduğunu
(2) kanıtı :
Herhangi bir let için izdüşüm
th koordinatına gösterilir (yukarıda tanımlandığı gibi). Her So fix ve let için bunu göstermenin yeterli (ve gerekli) olduğunu kanıtlamak için ; bu göstermek kalır tanımlayan durum hakkında idi olduğu sonucunu getirir çünkü doğrusal fonksiyonel tatmin ve böylece imaBöylece istendiği gibi olduğunu gösterir . QED
Yukarıdaki temel kanıt, eğer tatmin edici herhangi bir altküme ise (herhangi bir
soğurucu altkümesi gibi ), o zaman aşağıdakinin zayıf-* kompakt bir altkümesi olduğunu gösterir.Bir yan not olarak, yukarıdaki temel kanıtın yardımıyla gösterilebilir (bu dipnota bakınız).
Aslında,
Bu, (diğerlerinin yanı sıra) ima özgü
en azından eleman arasında göre ; bu, bu (mutlaka dışbükey ve dengeli ) kümenin alternatif bir tanımı olarak kullanılabilir . Fonksiyon a, seminorm ve eğer değişmemiş ile değiştirildiği dışbükey dengeli gövde arasında (nedeniyle ). Benzer şekilde, çünkü aynı zamanda , içinde kapanması ile değiştirilirse değişmez .Lemma - cebirsel dual uzay herhangi bir vektör alanı bir alanın üzerine (burada olduğu veya ) kapalı alt grubudur noktasal yakınsama topolojisinde. (Vektör uzayının herhangi bir topolojiye sahip olması gerekmez).
lemma kanıtı
|
---|
Bir ağ bölgesindeki tanımına göre bir fonksiyonudur olmayan bir boş set yönlendirilmiş her sekansı içinde tanım formun bir fonksiyonu olan , aynı zamanda, bir ağıdır. Dizileri gibi, bir ağ değeri indeksinde ile gösterilir ; Bununla birlikte, bu kanıtı için, bu değer de parantez notasyonu normal fonksiyonu ile temsil edilebilir Benzer şekilde işlev bileşiminin ise, daha sonra herhangi bir fonksiyon ağ (ya da sekansı) "takmayı sonucu olduğunu içine " sadece fonksiyonudur , bu tipik olarak ifade edilmektedir, ancak ile (ya da tarafından , eğer bir dizidir). Bu ispatta, elde edilen bu net, aşağıdaki gösterimlerden herhangi biri ile gösterilebilir. hangi gösterimin en temiz olduğuna veya amaçlanan bilgiyi en net şekilde ilettiğine bağlı olarak. Özel olarak, süreklidir ve de daha sonra genel olarak yazılmış bir sonuç bunun yerine yazılabilir ya da Kanıt başlangıcı : Let ve varsayalım net olduğu için yakınsak içinde olursa o zaman ifade edecek değerlerin net 's'de Sonucuna için gösterilmesi gerekmektedir doğrusal fonksiyonel çok izin vermek sayıl olabilir ve izin üzerinde topoloji noktasal yakınsama topolojisi çok noktaları göz önünde bulundurarak bir ve yakınsama olarak ima skalerler yakınsak aşağıdaki ağlarına her
|
Lemma için doğal sonucu - cebirsel dual uzay zaman bir vektör alanı topoloji ile donatılmıştır (ayrıca zayıf-* topoloji olarak da bilinir) noktasal yakınsama sonra ortaya çıkan topolojik vektör uzayı (TVS) bir olan tam Haussdorf lokal konveks TVS.
Altta yatan alanı için yerel olarak tam bir Hausdorff dışbükey TVS olup, aynı Kartezyen ürün için de geçerlidir tam bir alan kapalı bir alt kümesi, böylece lemması ile, uzay, tamamlandığında tamamlanır.
Sıralı Banach-Alaoğlu teoremi
Banach-Alaoğlu teoreminin özel bir durumu, ayrılabilir normlu vektör uzayının ikili uzayının kapalı birim topunun zayıf-* topolojisinde sıralı olarak kompakt olduğunu iddia eden teoremin sıralı versiyonudur . Aslında, ayrılabilir bir uzayın dualinin kapalı birim topu üzerindeki zayıf* topoloji
ölçülebilirdir ve dolayısıyla kompaktlık ve sıralı kompaktlık eşdeğerdir.Özellikle, let bir ayrılabilir normlu uzay ve olmak kapalı birim topu yana ayrılabilir olduğu, let bir sayılabilir yoğun alt kümesi. Ardından, aşağıdakiler bir metrik tanımlar;
İspatının yapıcı doğası nedeniyle (seçim aksiyomuna dayanan genel durumun aksine), sıralı Banach-Alaoğlu teoremi genellikle PDE veya
varyasyon problemlerine çözümler oluşturmak için kısmi diferansiyel denklemler alanında kullanılır. . Örneğin, ayrılabilir bir normlu vektör uzayının dualinde bir fonksiyoneli minimize etmek isteniyorsa, ortak stratejilerden biri ilk olarak , zayıfta yakınsayan bir alt diziyi çıkarmak için ardışık Banach-Alaoğlu teoremine yaklaşan bir minimizasyon dizisi oluşturmaktır. * topolojiyi bir sınıra getirin ve ardından bunun bir minimize edici olduğunu belirleyin . Son adım genellikle zayıf* topolojide (sıralı) bir alt yarı-süreklilik özelliğine uymayı gerektirir .Zaman gerçek hat üzerinde sonlu Radon tedbirler (ve böylece de boşluk tarafından sonsuzda kaybolan sürekli fonksiyonların alanıdır
Riesz teoremi ), sıralı Banach Alaoglu teoremi eşdeğerdir Helly seçimi teoremi .her izin için
Her dolayı , kompleks düzlemin kompakt alt kümesi, aynı zamanda kompakt bir ürün topolojisi ile Tychonoff teoremi .
Kapalı birim top, doğal bir şekilde aşağıdakilerin bir alt kümesi olarak tanımlanabilir :
Bu harita, zayıf- * topolojisine ve çarpım topolojisine sahip olarak , dolaylı ve süreklidir . Bu haritanın menzilinde tanımlanan tersi de süreklidir.
Bu teoremi kanıtlamayı bitirmek için, şimdi yukarıdaki haritanın aralığının kapalı olduğu gösterilecektir. verilen bir ağ
Sonuçlar
Normlu uzaylar için sonuçlar
Varsayın bir olan
normlu uzay ve sürekli çift boşluk bağışlamak zamanki ile ikili norm .- Kapalı ünite bilyesi zayıf-* kompakttır. Bu nedenle, eğer sonsuz boyutluysa, kapalı birim bilyesi,
Hilbert uzayları için sonuçlar
- Hilbert uzayında, her sınırlı ve kapalı küme zayıf bir şekilde nispeten kompakttır, dolayısıyla her sınırlı ağ zayıf yakınsak bir alt ağa sahiptir (Hilbert uzayları dönüşlüdür ).
- Norm-kapalı, dışbükey kümeler zayıf kapalıdır ( Hahn-Banach teoremi ), Hilbert uzaylarında veya dönüşlü Banach uzaylarında dışbükey sınırlı kümelerin norm-kapalılıkları zayıf kompakttır.
- Kapalı ve sınırlı kümeler ile ilgili olarak precompact olan
seçim aksiyomu İlişkisi
Banach-Alaoglu teoremi genellikle Tychonoff teoremi ile kanıtlandığından , ZFC aksiyomatik çerçevesine ve özellikle seçim aksiyomuna dayanır . Çoğu ana akım fonksiyonel analiz de ZFC'ye dayanır. Ancak teoremi yok değil (bkz ayrılabilir durumda seçim belitinin güvenmek yukarıda ): Bu durumda bir gerçek yapıcı kanıt bulunduğunu içinde. Ayrılamaz durumda, seçim aksiyomundan kesinlikle daha zayıf olan ultrafiltre Lemma , Banach-Alaoğlu teoreminin ispatı için yeterlidir ve aslında ona eşdeğerdir.
Ayrıca bakınız
- Bishop-Phelps teoremi
- Banach-Mazur teoremi
- Delta-kompaktlık teoremi
- Eberlein–Šmulian teoremi – Bir Banach uzayında üç farklı türde zayıf kompaktlığı ilişkilendirir
- Goldstine teoremi
- James teoremi
- Krein-Milman teoremi
- Mazur'un lemması – Bir Banach uzayında zayıf yakınsak bir dizinin güçlü yakınsak kombinasyonları hakkında
- Topolojik vektör uzayı – Yakınlık kavramına sahip
Notlar
- Kanıtlar
Referanslar
- Köthe, Gottfried (1969). Topolojik Vektör Uzayları I . New York: Springer-Verlag. §20.9'a bakın.
- Meise, Reinhold; Vogt, Dietmar (1997). Fonksiyonel Analize Giriş . Oxford: Clarendon Basın. ISBN'si 0-19-851485-9.Bkz. Teorem 23.5, s. 264.
- Narici, Lawrence ; Beckenstein, Edward (2011). Topolojik Vektör Uzayları . Saf ve uygulamalı matematik (İkinci baskı). Boca Raton, FL: CRC Basın. ISBN'si 978-1584888666. OCLC 144216834 .
- Rudin, Walter (1991). Fonksiyonel Analiz . Saf ve Uygulamalı Matematikte Uluslararası Seriler. 8 (İkinci baskı). New York, NY: McGraw-Hill Bilim/Mühendislik/Matematik . ISBN'si 978-0-07-054236-5. OCLC 21163277 . Bakınız Teorem 3.15, s. 68.
- Schaefer, Helmut H .; Wolff, Manfred P. (1999). Topolojik Vektör Uzayları . GTM . 8 (İkinci baskı). New York, NY: Springer New York Baskı Springer. ISBN'si 978-1-4612-7155-0. OCLC 840278135 .
- Schechter, Eric (1997). Analiz El Kitabı ve Temelleri. San Diego: Akademik Basın.
- Treves, François (2006) [1967]. Topolojik Vektör Uzayları, Dağılımlar ve Çekirdekler . Mineola, NY: Dover Yayınları. ISBN'si 978-0-486-45352-1. OCLC 853623322 .
daha fazla okuma
- John B. Conway (1994). Fonksiyonel analizde bir kurs (2. baskı). Berlin: Springer-Verlag. ISBN'si 0-387-97245-5. Bölüm 5, bölüm 3'e bakın.
- Peter B.Lax (2002). Fonksiyonel Analiz . Wiley-Interscience. s. 120–121. ISBN'si 0-471-55604-1.