FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 7

Transkriptio

1 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 7 2. Normi ja normiavaruus Olkoon E vektoriavaruus (eli lineaariavaruus) skalaarikuntana K = R tai K = C. Kurssilla Lineaarialgebra I määriteltiin vain R-kertoimiset vektoriavaruudet, mutta kompleksikertoimiset avaruudet määritellään täysin analogisesti: Avaruudessa E on yhteenlaskun x + y lisäksi annettu skalaarillla kertominen (λ, x) λx, kuvaus C E E, joka toteuttaa ehdot λ(x + y) = λx + λy, λ(µx) = (λµ)x ja (λ + µ)x = λx + µx kaikilla vektoreilla x, y E ja skalaareilla λ, µ C. Useimmiten kurssin tulokset ja käsitteet toimivat täysin samoin molemmille skalaarikunnan valinnalle, R tai C, ja käytämme silloin skalaarikunnalle merkintää K. Jos skalaarikunta pitää spesifioida, siitä huomautetaan erikseen. Esimerkkejä. C n = {x = (x 1,..., x n ) : x j C} on C-kertoiminen vektoriavaruus. Sellainen on myös kompleksisten polynomien avaruus P = {p(z) = a k z k : a k C, n N} k=0 Dimensio: Kerrataan ensin lineaarialgebran käsitteitä. Jos A E, sen virittämä E:n vektorialiavaruus on (2.1) span(a) = { λ k x k : x k A, λ k K} k=0 Lineaarialgebrasta muistetaan myös että vektorijono x 1,..., x n E on lineaarisesti riippumaton eli vapaa, jos λ 1 x 1 + λ n x n = 0 λ 1 = = λ n = 0 Honkasalon monisteen Lineaarialgebra I sivulla 50 on todistettu seuraava tulos, jonka oletamme tunnetuksi: Vektoriavaruus E on äärellisulotteinen (so. äärellisen vektorijoukon virittämä) jos ja vain jos E:n vapaiden jonojen pituudet ovat ylhäältä rajoitetut, so. on luku M < niin että jokaisessa E:n vapaassa joukossa on korkeintaan M vektoria. Muistetaan vielä, että äärellisulotteisen avaruuden E dimensio dim(e) on E:n kannan (so. vapaan virittäjäjoukon) lukumäärä; tämä lukumäärä on kannasta riippumaton luku.

2 8 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Tämä kaikki toimii myös kun kerroinkuntana on C. Esimerkiksi yllä C n on äärellisulotteinen (tarkemmin, n-ulotteinen), kun taas P on ääretönulotteinen: Vektorit z n, n N, muodostavat vapaan joukon (Miksi?) ja koska tuo joukko on ääretön, yo. tuloksen nojalla dim(p) =. Keskeinen idea Funktionaalianalyysissä on tuoda hyödyllisiä struktuureja funktioiden muodostamiin vektoriavaruuksiin erilaisten normien avulla Määritelmä. Kuvaus p : E R + on normi E:ssä, jos (N1) (N2) (N3) p(x + y) p(x) + p(y) kaikilla x, y E ( kolmioepäyhtälö ) p(ax) = a p(x) kaikilla x E, a K ( homogeenisuus ) p(x) = 0 x = 0 (nolla-alkio E:ssä) Tavallisesti merkitään p(x) = x. Paria (E, ) eli vektoriavaruutta E varustettuna normilla sanotaan normiavaruudeksi. Huomautus. (1) normi edellyttää, että määrittelyjoukko E on lineaariavaruus: x + y E kun x, y E ja ax E kun x E, a K. (2) Kuvaus p : E R + on seminormi E:ssä, jos p toteuttaa ehdot (N1) ja (N2). 1 Tällöin p( 0) = p(0 0) = 0 p( 0) = 0, ja { x E : p(x) = 0 } on avaruuden E vektorialiavaruus ehtojen (N1) ja (N2) nojalla Esimerkkejä. (1) x 2 = j=1 x 2 j = x x x 2 n, x = (x 1,..., x n ) R n on avaruuden R n euklidinen normi, kun n = 1, 2,.... Ehdot (N1)-(N3) toteutuvat; katso Topo I. Hieman myöhemmin tämä todistetaan myös erikoistapauksena yleisemmän avaruuden l p yhteydessä. (2) Kun A on (m.v.) joukko, asetetaan B(A, K) := { f : A K : f := sup f(t) < }. t A Tämä on rajoitettujen kuvausten A K avaruus. Helposti nähdään, että f on normi: 1 tämä yleisempi käsite on joskus tarpeen; tällä kurssilla suhteellisen harvoin

3 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 9 Perustelu. Olkoon f, g B(A, K) ja t A. Tällöin (f + g)(t) = f(t) + g(t) ey sup yli = t A f(t) + g(t) määr. f + g = sup (f + g)(t) f + g t A eli ehto (N1) on voimassa. Olkoon a R vakio. Tällöin f + g (af)(t) = af(t) = a f(t) sup yli t:n af = a f eli myös ehto (N2) on voimassa. Koska f = sup f(t) = 0 f(t) = 0 t A t A f on 0-funktio niin myös (N3) toteutuu. (3) Myös R n :ssä tai C n :ssä voidaan määritellä normi edellisen kohdan erikoistapauksena: tällöin A = {1,..., n}, jolloin saadaan normi x := sup( x 1,..., x n ), missä x = (x 1,..., x n ) K n. Vaikka tämä normi antaa entisen topologian, sup-normin geometria on hieman erilainen. Esimerkiksi dimensiossa n = 2 avaruuden E = (R 2, ) yksikköpallo B E = {x : x 1} näyttää seuraavalta: y (0, 1) (1, 0) x Kuva 3. Pallo B E avaruudessa E = (R 2, ) (4) Toinen erikoistapaus (2)-kohdasta saadaan, kun A = N. Tällöin merkitään l := B(N, K) = { (x n ) n=0 : x n K, x = sup x n < }. n Koska vektorit e n = (0, 0,..., 0, }{{} 1, 0,...) l ovat lineaarisesti n:s riippumattomia (Miksi?), on dim(l ) =.

4 10 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Seuraavaksi osoitetaan pari normin perusominaisuutta, joista seuraavan lauseen (2)-kohta liittää normiavaruudet metrisiin Lause. Olkoon (E, ) normiavaruus. Tällöin (1) kaikilla x, y E on voimassa x y x y eli ns. ey alaspäin. Erityisesti, kuvauksena normi x x on tasaisesti jatkuva E:ssa (2) kuvaus d: E E R +, d(x, y) := x y on metriikka avaruudessa E. Erityisesti x = d(x, 0), x E. Todistus. (1) (vrt. Topo I, D II) Olkoon x, y E. Tällöin x = x y + y ey = x y x y x y + y symm = y x y x (N2) = x y = x y x y (2) (vrt. Topo I) kaikilla x, y, z E on voimassa d(x, z) = x z = x y + y z (N1) x y + y z = d(x, y) + d(y, z), joten (M1) toteutuu. Ehto (M2) seuraa välittömästi ehdosta (N2). Edelleen d(x, y) = x y = 0 (N2) x y = 0 x = y, joten myös (M3) on voimassa. Metrisinä avaruuksina funktioavaruudet voivat olla melko suuria, esimerkkinä olkoon vaikkapa l, joka ei ole edes separoituva (vrt. Harjoitukset). Useille käytännössä eteen tuleville funktioavaruuksille separoituvuus toisaalta pätee; myöhemmin osoitamme tämän esimerkiksi C(0, 1):lle.

5 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 11 Normiavaruuden luonnolliset rakenteet ovat yhteensopivat, toisin sanoen: 2.5. Lause. Normiavaruudessa (E, ) ovat kuvaukset ψ 1 : E E E, ψ 1 (a, b) := a + b ja ψ 2 : K E E, ψ 2 (λ, a) := λa jatkuvia. Todistus. Harjoitukset 1. Huomautus. Normiavaruuden E metriikka on siirto- eli translaatioinvariantti: on siis voimassa, että d(x + a, y + a) = d(x, y) kaikilla x, y, a E Tästä sekä ominaisuudesta (N2) seuraa, että A E on avoin (vast. suljettu, kompakti) joss x 0 +A ja λa ovat avoimia (vast. suljettuja, kompakteja), missä λ K \ {0} ja x 0 E ovat mielivaltaisia. Samoin joukko U E, joka sisältää pisteen x 0 on pisteen x 0 ympäristö joss U x 0 on nolla-alkion 0 ympäristö. Pistejono (x n ) n=0 E suppenee alkioon y E joss x n y 0 kun n avaruudessa E. Edellä käytimme merkintöjä x 0 + A = { x 0 + y : y A } E, λa = { λx : x A } Samoin määritellään, kun A E, B E ja Λ K, A + B = { x + y : x A, y B }, ΛA = { λx : λ Λ, x A } Huomautus. Monet funktioavaruuksien konvergenssikäsitteistä voidaan kuvata normin avulla (ja kääntäen, normi antaa konvergenssikäsitteen): 2.6. Esimerkkejä. (1) Kun avaruus C(0, 1) = {f : [0, 1] K jatkuva } varustetaan tavallisella normillaan f = sup t [0,1] f(t), pätee f n f 0 kun n f n (x) f(x) tasaisesti joukossa [0, 1]

6 12 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI (2) Toisaalta C(0, 1):ssä voidaan määritellä myös normi f 1 = 1 f(t) dt. 0 (Selvitä itsellesi miksi 1 on normi C(0, 1):ssä!). Nyt pätee lim f n f 1 = 0 n 1 0 f n (t) f(t) dt 0 f n (x) f(x) keskimäärin Esimerkiksi, jos f n (x) = x n, niin f n 0 keskimäärin eli normin 1 mielessä, sillä f n 1 = 1 0. Toisaalta jono ei konvergoi sup-normin n+1 mielessä nollaan, sillä f n = 1 jokaisella n N. Annetuista normiavaruuksista saadaan muodostettua uusia avaruuksia monella eri tavalla. Tulemme jatkossa näkemään tästä useitakin esimerkkejä. Aloitamme seuraavalla yksinkertaisella periaatteella Lause. Jokainen normiavaruuden (E, ) vektorialiavaruus F on normiavaruus (E:n indusoimalla normilla varustettuna) Esimerkkejä. (1) Voimme esimerkiksi valita E = B([0, 1], K), jolla on aliavaruutena jatkuvien funktioiden avaruus F = C(0, 1). (2) Olkoon sitten E = l ; seuraavat jonoavaruudet ovat sen vektorialiavaruuksia. c := { x = (x n ) n=0 : x n K, lim x n on olemassa, kun n }, c 0 := { x = (x n ) n=0 : x n K, lim x n = 0 }. Molemmissa normina toimii siis x = sup n x n. Joskus voi olla hyödyllistä muuttaa normia, ilman että sen määräämä topologia tai konvergenssi muuttuu. Tämä idea johtaa seuraavaan käsitteeseeen Määritelmä. Vektoriavaruuden E normit 1 ja 2 ovat ekvivalentteja, jos on olemassa vakiot C 1, C 2 > 0, joille C 1 x 1 x 2 C 2 x 1 x E Lause. Olkoot 1 ja 2 ekvivalentteja normeja avaruudessa E. Tällöin ne määrittelevät avaruudessa E samat avoimet ja suljetut joukot (eli ne määrittävät saman topologian). Todistus. Harjoitukset 1

7 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Esimerkki. (1) Helposti nähdään, että C n :n normit x 2 = x j 2 = x x x n 2 j=1 ja x = max 1 j n x j, x = (x 1,..., x n ) C n ovat ekvivalentit; jätämme lukijan tarkastettavaksi arviot x x 2 n x, jotka pätevät jokaisella x C n. Itse asiassa, tulemme myöhemmin näkemään, että äärellisulotteisen vektoriavaruuden kaikki normit ovat ekvivalentit. (2) Olkoon P = {p(z) = n k=0 a kz k : a k C, n N} polynomien muodostama vektoriavaruus. Tällöin esimerkiksi p 1 = k=0 a k ja p 2 = max a k k ovat hyvin määriteltyjä (Miksi?) normeja (Miksi?) avaruudessa P. Normit eivät ole kuitenkaan ekvivalentteja: jos p n (z) = n k=0 zk, niin jokaisella n, p n 2 = 1 mutta p n 1 = n. Koska tässä n voidaan valita mielivaltaisen suureksi, normit ovat epäekvivalentit Esimerkki. Merkitään C k (0, 1) = { f : [0, 1] K : f, f,..., f (k) ovat jatkuvia välillä [0, 1] }, kun k N. Normit ja f = sup f = 0 j k 0 t 1 k j=0 sup f (j) (t) sup 0 t 1 f (j) (t) ovat ekvivalentteja avaruudessa C k (0, 1), minkä todistus jää harjoitustehtäväksi. l p -avaruudet Normiavaruudet l, c ja c 0 ovat esimerkkejä klassisista Banachin avaruuksista. Mainitsemme vielä esimerkkinä avaruuden l 1 = { x = (x n ) n=0 : x 1:= x n < }, n=0

8 14 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI joka on itseisesti tai absoluuttisesti suppenevien lukujonojen avaruus. Myös tässä 1 on helppo todistaa normiksi. Vaikeammin käsiteltäviä esimerkkejä ovat muut ns. l p -avaruudet, joita nyt ryhdymme määrittelemään Määritelmä. Olkoon 1 p <. Tällöin ( l p := { x = (x n ) n=0 : x ) 1 p:= x n p p < }. n=0 Seuraavassa p ja q ovat reaalilukuja, jotka täyttävät ehdot: p > 1, q > 1 ja 1 p + 1 q = 1. Sanomme lukuja p ja q toistensa duaalieksponenteiksi. Esimerkiksi p = q = 2 tai p = 7, q = 7 ovat duaalieksponenttipareja. Edelleen on voimassa, että 6 q = ja p + q = pq. p p Lemma. Jos a 0, b 0 ja p ja q ovat duaalieksponentteja, niin (2.15) ab ap p + bq q. Todistus. Jos a = 0 tai b = 0, niin (2.15) on voimassa. Voimme olettaa: a, b > 0. Merkitään ϕ(t) = tp p + t q q, kun t > 0. Tällöin ϕ (t) = t p 1 t q 1, joten ϕ (t) < 0, kun 0 < t < 1 ja ϕ (t) > 0, kun t > 1. Siispä ϕ saa pienimmän arvonsa, kun t = 1, eli kaikilla t > 0 1 = ϕ(1) ϕ(t) = tp p + t q q. Sijoitetaan t = a 1/q b 1/p, jolloin saadaan 1 ap/q pb + bq/p qa, sillä p q + 1 = p ja q p + 1 = q. ab ap/q+1 p + bq/p+1 q = ap p + bq q, Lause (Hölderin epäyhtälö jonoille). Olkoot 1 < p, q < siten, että = 1. Tällöin 1 p + 1 q (H) x k y k ( x k p ) 1 p ( y k q ) 1 q

9 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 15 kaikilla jonoilla (x k ) l p, (y k ) l q (tässä x k, y k K kaikilla k ja K = R tai K = C). Siis (x k y k ) 1 (x k ) p (y k ) q, ja erityisesti (x k ) l p, (y k ) l q = tulojono (x k y k ) l 1. Huomautus. Kun epäyhtälöön (H) sijoitetaan luvut, jotka toteuttaa lisäehdot 0 = x k = y k kaikilla k > n, saadaan erikoistapauksena äärellinen versio Hölderin epäyhtälöstä: x k y k ( x k p ) 1 p ( y k q ) 1 q kun (x 1,..., x n ), (y 1,..., y n ) K n ja n = 1, 2, 3,... Todistus. (Epäyhtälölle (H)): Merkitään A = ( x k p ) 1 p = (xk ) p, B = ( y k q ) 1 q = (yk ) q, jolloin A 0, B 0. Jos A = 0 tai B = 0, niin x k = 0 kaikilla k N tai y k = 0 kaikilla k N. Tällöin (H) on ilmeinen, sillä vasen puoli = 0. Voidaan siis olettaa: A > 0, B > 0. Kiinnitetään k N ja sovelletaan Lemmaa 2.14, kun a = x k ja b = y k. Saadaan A B x k A y k B 1 p x k p + 1 A p q y k q B, q mikä on voimassa kaikilla k N. Summataan edelliset muuttujan k suhteen, jolloin 1 x k x k y k = AB A y k B 1 x k p + 1 y k q p A p q B q = 1 p 1 x A p k p + 1 q 1 y B q k q = 1 p + 1 q = 1, } {{ } =A p } {{ } =B q joten kertomalla AB:llä puolittain, saadaan x k y k AB = (x k ) p (y k ) q.

10 16 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Hölderin erikoistapauksella p = q = 2 on oma nimitys ja merkitys (vrt. Hilbertin avaruudet, luku 4) Seuraus (Schwarzin epäyhtälö). Jos x = (x k ), y = (y k ) l 2, niin (S) x k y k ( x k 2 ) 1 2 ( y k 2 ) 1 2 = x 2 y 2 kaikilla jonoilla (x k ), (y k) l2. Lisäksi äärellisten jonojen erikoistapauksessa saadaan (S ) x k y k ( x k 2 ) 1 2 ( y k 2 ) 1 2 kaikilla luvuilla x 1,..., x n, y 1,..., y n K ja kaikilla n N. Erityisesti, Schwarzin epäyhtälö takaa että avaruudessa l 2 bilineaarimuoto < x, y > = x k y k, x = (x k ), y = (y k ) l 2 on hyvin määritelty. Tämä antaa l 2 :een sisätulon struktuurin; tulemme näkemään Hilbertin avaruuksia koskevassa osaluvussa, että sisätuloavaruuksilla on monia poikkeuksellisen hyviä ominaisuuksia. Hölderin epäyhtälön avulla voimme osoittaa, että l p -normit toteuttavat kolmioepäyhtälön; saatua arviota sanotaan (usein) Minkowskin epäyhtälöksi Lause (Minkowskin epäyhtälö). Olkoon 1 < p <. Tällöin (M) ( x k + y k p ) 1 p ( x k p ) 1 p + ( y k p ) 1 p kaikilla jonoilla (x k ), (y k) lp. Erityisesti: Kun (x k ) l p, (y k ) l p, niin summajono (x k + y k ) l p, joten l p on siis vektoriavaruus. Valitsemalla x k = 0, y k = 0 kun k n + 1 saadaan äärellinen versio: (M ) ( x k + y k p ) 1 p ( x k p ) 1 p + ( y k p ) 1 p kaikilla luvuilla x 1,..., x n, y 1,..., y n K.

11 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 17 Todistus. Olkoon 1 < q < sellainen, että p = 1 (eli siis q = ). p q p 1 Hölderin epäyhtälön (H) ja K:n kolmioepäyhtälön avulla saadaan x k + y k p = x k + y k p 1 x k + y k }{{} x k + y k x k x k + y k p 1 + y k x k + y k p 1 (H) ( x k p ) 1 p ( x k + y k q(p 1) ) 1 q + ( y k p ) 1 p ( x k + y k q(p 1) ) 1 q. Koska q(p 1) = p, niin edellinen epäyhtälö. voidaan kirjoittaa muodossa (x k + y k ) p p ( ) (x k ) p + (y k ) p ( x k + y k p ) 1 q. Jakamalla saatu epäyhtälö puolittain termillä ( x k + y k p ) 1 q = (x k + y k ) p/q p ja käyttämällä identiteettiä p p/q = 1, saadaan (x k + y k ) p = (x k + y k ) p p/q p (x k ) p + (y k ) p, joka on tarkalleen etsitty Minkowskin epäyhtälö (M). Lisäys yllä olevaan todistukseen: Edellisessä todistuksessa on pieni ongelma; viimeisessä vaiheessa tehty jakaminen on mahdollista vain, jos 0 < x k + y k p <. Pulman korjaamiseksi huomataan: Jos x k + y k p = 0, niin väite (M) on triviaali. Voidaan siis olettaa x k + y k p > 0. Epäyhtälöä x k + y k p < varten käytetään arviota ( ) a + b p ( a + b ) p (2 max{ a, b }) p 2 p ( a p + b p ), mikä on voimassa kaikilla a, b K. Kun sijoitetaan a = x k, b = y k epäyhtälöön ( ) ja summataan yli muuttujan k saadaan x k + y k p 2 p ( x k p + y k p ) <, koska (x k ), (y k ) l p. Näin Lause 2.19 on saatu täydellisesti todistetuksi.

12 18 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Huomautus. Erikoistapauksessa p = 2 äärellisiä jonoja koskeva epäyhtälö (M ) on itse asiassa tuttu kolmioepäyhtälö kotiavaruuden K n euklidiselle normille (DII, Topo I), sillä x 2 = x x n 2, kun x = (x 1,..., x n ) K n, n = 1, 2,... Kootaan yhteen edelliset tulokset (tapaukset p = 1 tai käsiteltiin aikaisemmin) seuraavaksi tärkeäksi lauseeksi l p -avaruuksista Lause. (l p, p ) on normiavaruus kun 1 < p <. Todistus. Jos x = (x k ) l p, y = (y k ) l p niin x + y = (x k + y k ) ja Minkowskin epäyhtälön 2.19 mukaan x + y p = ( x k + y k p ) 1 p ( x k p ) 1 p + ( y k p ) 1 p = x p + y p (ja erityisesti x + y l p ). Siis (N1) pätee. Koska ax p = ( ax k p ) 1 p = a ( x k p ) 1 p = a x p, kun x = (x k ) l p, a K, niin myös homogeenisuusehto (N2) on voimassa. Edelleen 0 = (x k ) p = ( x k p ) 1 p ) = xk = 0 k N = (x k ) = (0, 0,...) = 0, joten myös (N3) toteutuu. Huomautus. l p -avaruuksien välillä pätevät seuraavat sisältyvyydet (joukkoina): l 1 l p l q c 0 l kun 1 < p < q <. Lisäksi x x q x p x 1 kaikille jonoille x = (x k ) (Harjoitukset 2). Edellä olemme piirtäneet yksikköpallot normien 2 ja suhteen. Entä yksikköpallo yleisten l p -normien suhteen? Alla kuva tapauksesta p = 3 ja p = 1; mieti millainen on yksikköpallo yleisellä p! (0, 1) y (0, 1) y (1, 0) x (1, 0) x

13 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 19 Huomautus (Lisätietoja). On olemassa luontevia vektoriavaruuksia E, joissa on luonnollinen siirtoinvariantti topologia τ, joka kuitenkaan ei ole minkään E:n normin indusoima (ts. ei ole olemassa sellaista normia : E R +, että τ = τ ). Sellaisten avaruuksien teoriaa ei käsitellä kurssin aikana; esimerkkeinä mainitaan kuitenkin (1) Varustetaan avaruus C(R n ) = {f : R n R jatkuva } topologialla τ, jossa jono f n f, jos lim sup f n (x) f(x) = 0 n x K kaikilla kompakteilla joukoilla K R n. Topologia τ saadaan kasvavasta seminormiperheestä ( m ), kun f m = sup x K m f(x), f C(R n ) ja K m = [ m, m] n R n, sekä m N. Konvergenssia ei kuitenkaan voi kuvata vain yhden normin avulla. Topologinen vektoriavaruus (C(R n ), τ) on ns. nukleaarinen Frechet n avaruus. Vastaava koskee myös äärettömästi derivoituvien funktioiden avaruutta C (0, 1) = {f : [0, 1] K, f (j) jatkuva jokaisella j N}. (2) Olkoon 0 < p < 1. Määritellään: jono x = (x k ) l p, jos x p = ( x k p ) 1 p < Tällöin x x p toteuttaa normin ehdot (N2) ja (N3) sekä kolmioepäyhtälön muodossa x + y p = ( x k + y k p ) 1 1 p 2 p 1 ( x p + y p ) kaikilla x = (x k ), y = (y k ) l p. Tässä 2 1 p 1 > 1, kun 0 < p < 1, eli p on ns. kvasinormi l p :ssä. Alla kuva yksikköpallosta {(x, y) R 2 : x p + y p 1}, kun p = 1/2. (0, 1) y (1, 0) x Huomautus. Jokaisessa normiavaruudessa yksikköpallo B E = {x E : x 1} on konveksi, so. jos x, y B E, niin tx + (1 t)y B E

14 20 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI kaikilla 0 < t < 1; nimittäin tx + (1 t)y t x + (1 t) y 1. Siispä myöskään yo. kuvan mukaan p ei voi olla normi: vastaava yksikköpallo ei ole konveksi. (3) Kaikkien jonojen avaruus s = { (x n ) : x k K jokaisella k N }. Avaruudessa s on summa ja skalaarilla kertominen määritelty kuten l p :ssä, ja metriikka d(x, y) = 1 2 x k y k k 1 + x k y k, kun x = (x k ), y = (y k ) s. Voidaan osoittaa, että d on siirtovariantti metriikka (HT). Avaruus s on myös nukleaarinen Frechet n avaruus. Lineaariset operaattorit Olkoon E ja F vektoriavaruuksia. Kuvaus T : E F on lineaarinen jos T (αx + βy) = αt (x) + βt (y) x, y E ja α, β K Sanomme usein että T on lineaarinen operaattori. Usein myös merkitsemme lyhyesti T x, merkinnän T (x) sijaan. Äärellisulotteisessa normiavaruudessa kaikki lineaariset kuvaukset ovat jatkuvia, mutta äärettömän monen dimension avulla jatkuvuus on helppo rikkoa (annamme esimerkin hieman myöhemmin). Jos E, F ovat normiavaruuksia, on siis luonnollista kysyä: Koska lineaarinen kuvaus T : E F on jatkuva?? Vastausta varten tarvitsemme uuden käsitteen, rajoitetut operaattorit Määritelmä. Olkoot E ja F normiavaruuksia sekä T : E F lineaarinen. Sanomme, että T on rajoitettu, jos on vakio C < jolle T x F C x E kaikilla x E. Yleisesti sanotaan että normiavaruuden osajoukko A E on rajoitettu, jos sup{ x : x A} M < ; yhtäpitävästi (Miksi?), A:n halkaisija on äärellinen. Kuten Harjoituksissa 2 nähdään, lineaarinen kuvaus T on rajoitettu jos ja vain jos se kuvaa E:n rajoitetut joukot F :n rajoitetuiksi joukoiksi.

15 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Esimerkki. Olkoon E = F = l 2 ja T : E F kuvaus T : (x k ) (3x k+1 ) kun x = (x k) l2. Tällöin T on lineaarinen (Miksi?) ja rajoitettu: ( ) 1/2 ( ) 1/2 ( ) 1/2 T x 2 = 3x k+1 2 = 3 x k x k 2 = 3 x 2 Huomaamme, että vaadituksi vakioksi voidaan ottaa C = 3. Operaattorin rajoittuneisuus voidaan myös testata seuraavan suureen avulla; nimittäin (Harjoitukset) T on rajoitettu jos ja vain jos (2.23) T := sup{ T x : x E, x 1} < Niinkuin merkintä jo vihjaa, saatua suuretta kutsutaan lineaarisen kuvauksen T normiksi. Se mittaa kuinka suureksi joukoksi T kuvaa yksikköpallon B E = {x E : x 1}. Siis operaattori T on rajoitettu jos ja vain jos normi T <. Jos tarve vaatii, merkitsemme avaruudet E ja F näkyviin, so. T E F. Huomautus. Koska Siis saamme x x T x x = = 1 jokaisella vektorilla x E, nähdään että ( ) x T T kaikilla x E x (2.24) T x T x jokaisella vektorilla x E ja lineaarikuvauksella T : E F. [vrt. myös Harjoitukset 2, tehtävä 3 c)] Esimerkkejä. a) Olkoon E = l 2 ja F = l 1 sekä T x = T (x k ) := ( 1 k x k Onko T rajoitettu (operaattorina T : l 2 l 1 )? Heti havaitaan että 1 T x 1 = k x k mutta helppo arvio x k ( x k 2) 1/2 ei ole yleisesti totta. Voimme kuitenkin käyttää Hölderin epäyhtälöä kun p = q = 2, 1 k x k ( 1 k 2 ) ) 1/2 ( ) 1/2 x k 2 = C x 2

16 22 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI missä C = 1/k2 <. (Itse asiassa, C = π 2 /6). Näin ollen T : l 2 l 1 on rajoitettu ja saamme normille arvion T π 2 /6. b) Rakennetaan sitten lineaarinen operaattori, joka ei ole rajoitettu. Voimme vaikkapa tarkastella avaruutta P = { p(z) = n k=0 a kz k : a k C, n N }, joka muodostuu kaikista polynomeista; varustetaan se normilla p = max{ a k }. Tällöin, esimerkiksi, (derivaatta)kuvaus T : n k=0 a kz k n k=0 k a k z k on lineaarinen (Miksi?), mutta ei rajoitettu: Jos p n = z n, n N, silloin p n = 1, T p n = n sup{ T p : p = 1, p P } =. Palataan sitten alkuperäiseen kysymykseemme, milloin lineaarinen kuvaus on jatkuva? Käy ilmi, että lineaarinen operaattori on jatkuva täsmälleen silloin kun se on rajoitettu! Lause. Olkoot E, F normiavaruuksia ja T : E F lineaarikuvaus. Tällöin seuraavat ehdot ovat yhtäpitäviä: (i) T on rajoitettu operaattori (ii) T on jatkuva (koko E:ssä) (iii) T on jatkuva yhdessä pisteessä x 0 E. Todistus. (i) (ii): jos x, y E ja ε > 0 T x T y T lin. = T (x y) T x y < ε kun x y ε T (ii) (iii): ilmeinen (iii) (i): Olkoon T jatkuva x 0 :ssa. Jos ε > 0 annettu, voimme valita sellaisen luvun δ > 0 että aina Jos nyt x E ja x < δ, saadaan x x 0 δ T x T x 0 < ε T x = T lin. T (x + x 0 ) T x 0 < ε. Toisaalta, jos x B E, on δx = δ x δ ja siis δ T x = T (δx) < ε, eli T x < ε δ x B E Olemme näin näyttäneet: T on rajoitettu. Erityisesti, näemme, että Esimerkki 2.25 b) antaa lineaarisen operaattorin, joka ei ole jatkuva. Näillä tiedoin voimme myös aloittaa johdannossa esitetyn integraalioperaattorin tarkemman tarkastelun. Tulemme palaamaan teemaan useasti myöhemminkin.

17 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Esimerkki. Olkoon K : [0, 1] [0, 1] C jatkuva. Kun f C(0, 1), muunnamme sen uudeksi funktioksi T f, missä (T f)(x) = 1 0 K(x, s)f(s)ds, x [0, 1] Väite: näin saadaan jatkuva lineaarinen operaattori T : C(0, 1) C(0, 1). Meidän siis on osoitettava kolme asiaa, 1. f T f on lineaarinen, 2. T f on jatkuva funktio aina kun f on jatkuva välillä [0, 1], ja 3. operaattorina T on rajoitettu C(0, 1) C(0, 1). Jätetään 1. väite lukijan tehtäväksi. Väite 2. kertoo että todellakin T ( C(0, 1) ) C(0, 1). Sitä varten arvioidaan (T f)(x) (T f)(y) = K(x, s)f(s)ds 1 K(x, s) K(y, s) f(s) ds 0 K(y, s)f(s)ds Funktion T f:n jatkuvuus siis palautuu K:n ominaisuuksiin. Heti kuitenkin huomataan, että pelkkä pisteittäinen K:n jatkuvuus ei riitä, vaan arvio pitää tehdä tasaisesti s:n suhteen. Tarvitsemme siis hieman tietoja Topologian kurssilta: Oletamme tunnetuksi, että kompaktissa joukossa määritelty jatkuva funktio on tasaisesti jatkuva 2. Sovellamme tätä ytimeen K(x, s). Koska [0, 1] [0, 1] on kompakti, jokaisella ε > 0 löydämme δ:n niin että jos x y < δ eli (x, s) (y, s) < δ, silloin (2.28) K(x, s) K(y, s) < ε kaikilla s [0, 1] Erityisesti, vaaditun δ:n suuruus ei riippunut pisteestä s. Saamme siksi (2.29) (T f)(x) (T f)(y) ε 1 0 f(s) ds ε f, kun x y < δ Koska ε oli mielivaltainen, olemme osoittaneet T f:n jatkuvuuden (väite 2). Myös väite 3. käyttää topologista tulosta: Koska K on jatkuva kompaktissa joukossa [0, 1] [0, 1], se saa siinä suurimman arvonsa, ja erityisesti K on rajoitettu. Siis eräällä vakiolla M <, K(x, s) M < kaikilla x, s [0, 1] 2 Funktio g : A C on tasaisesti jatkuva jos jokaista ε > 0 kohti löytyy δ > 0 niin että x y < δ g(x) g(y) < ε. Olennaista tässä siis että vaadittu δ riippuu vain etäisyydestä x y, eikä siitä missä pisteet x, y sijaitsevat.

18 24 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Näin voimme arvioida (T f)(x) 1 0 K(x, s) f(s) ds M f mikä antaa T f M f. Näin ollen T on rajoitettu operaattori; itse asiassa voimme valita M = K ja siis saamme arvion T K. Olemme siten todistaneet viimeisenkin väitteen Huomautus. Yllä esitetty integraalioperaattorin jatkuvuuden todistus antaa hieman enemmänkin kuin mitä Esimerkki 2.27 tarvitsi: Havaitaan että T f:n jatkuus riippuu olennaisesti vain ytimestä K eikä niinkään funktiosta f. Koska tällä havainnolla on käyttöä myöhemmin, formalisoidaan sitä hieman, käyttäen jatkuvuusmodulin käsitettä: Olkoon meillä w : [0, ) [0, ) jolle t w(t) jatkuva, aidosti kasvava ja w(t) = 0 t = 0 Sanomme silloin että w on jatkuvuusmoduli. y w(t) t Nimittäin, jos funktiolle g : A C pätee (2.31) g(x) g(y) w( x y ) kaikilla x, y A niin w kertoo kuinka jatkuva g on. [Tyypillinen esim: w(t) = t α, 0 < α < 1] Jos g:llä on jatkuvuusmoduli joukossa A, eli (2.31) pätee, se on selvästikin tasaisesti jatkuva (Miksi?). Mutta pätee myös kääntäen, jokaisella tasaisesti jatkuvalla funktiolla on jatkuvuusmoduli. Voimme nimittäin asettaa w 0 (t) = sup{ g(x) g(y) : x, y A, x y t} Tasaisen jatkuvuuden nojalla w 0 on jatkuva ja w 0 (t) 0 kun t 0. Aidosti kasvava siitä saadaan määrittelemällä w(t) = w 0 (t) + t. Tälle (2.31) selvästi pätee, ja siten g:llä on jatkuvuusmoduli w. Jos palaamme Esimerkkiin 2.27, ytimellä K on ylläolevan nojalla jatkuvuusmoduli w K. Lisäksi, arviot (2.28), (2.29) antavat (2.32) (T f)(x) (T f)(y) w K (x y) f w K (x y) mikäli f 1, eli f B E, E = C(0, 1). Toisin sanoen, oli f:n jatkuvuus miten heikkoa tahansa, T f:n jatkuvuus on aina vähintään luokkaa w K!