FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 25 3. Täydellisyys ja Banachin avaruus Reaaliluujen jouo R (varustettuna normilla x y ) eroaa rataisevasti rationaaliluujen jouosta Q seuraavan ominaisuutensa perusteella: reaaliluujono x n suppenee joss (x n ) on Cauchyn jono. Tätä reaaliluujen jouon R ominaisuutta sanotaan täydellisyydesi. Toisena esimerinä mainitaan avaruus varustettuna seminormilla E = { f : [0, 1] R : f on Riemann-integroituva } f 1 = 1 0 f(t) dt, f E. Avaruus (E, 1 ) ei ole täydellinen (todistus sivuutetaan); tämä puute oli eräs eseisistä syistä Lebesgue integraalin äyttöönottoon ja ehittämiseen. Yleisemmällä tasolla, (esim. differentiaali)yhtälöitä rataistaan tyypillisesti haemalla approsimatiivisia rataisuja, ja lähes säännöllisesti funtioavaruusilta vaaditaan täydellisyyttä, jotta approsimatiivisille rataisuille löydetään join rajafuntio. 3.1. Määritelmä. Normiavaruuden (E, 1 ) jono (x n ) n on Cauchyn jono, jos joaista ε > 0 vastaa sellainen luu m ε N, että aina un m ε ja j m ε. x x j < ε Huomautus. Kun tarastellaan jonon (x n ) n määräämiä jouoja A m = { x n : n m }, missä m = 1, 2,... ja huomataan näiden halaisijoitten diam(a) = sup x,y A x y avulla, että: (x n ) on Cauchyn jono lim m diam(a m ) = 0. Seuraavat olme lausetta ertovat Cauchy jonojen perusominaisuudet. 3.2. Lause. Normiavaruuden E suppeneva jono (x n ) on aina Cauchyn jono. Todistus. Oloon lim x n sellainen m ε N, että = y eli lim x n y = 0. Jos ε > 0, on olemassa x n y < ε 2 aiilla n m ε. Siis un j, m ε, niin x x j ey x y + y x j < ε 2 + ε 2 = ε. Toisaalta, 3.3. Lause. Normiavaruuden E Cauchy jono (x n ) on rajoitettu.
26 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Todistus. Oloon (x n ) E Cauchy jono ja A m = { x n : n m }. Kosa (x n ) on Cauchy jono, niin on olemassa sellainen m 0 N, että diam(a m0 ) < 1. Jos y A m0, niin olmioepäyhtälön avulla saadaan y ey y x m0 + x m0 < 1 + x m0. Siispä täyden jonon vetoreille saamme arvion sup x n max{ x 1, x 2,..., x m0 1, 1 + x m0 } <. n Lopusi hyödyllinen riittävä ehto Cauchyn jonon suppenemiselle. 3.4. Lause. Jos normiavaruuden E Cauchyn jonolla (x n ) on osajono, joa suppenee ohti vetoria y E, niin myös oo jonolle on lim x n = y. Todistus. Oloon ε > 0 mielivaltainen. Valitaan Cauchyn ehdosta sellainen m ε N, että x x j < ε 2 aiilla, j m ε. Jos (x nj ) on sellainen osajono, jolle lim j x nj = y, niin aiilla riittävän suurilla indeseillä j N on n j m ε ja x nj y < ε. Tällöin 2 x n y x n x nj + x nj y < ε 2 + ε 2 = ε aiilla n m ε. Siis lim x n = y. Alamme sitten tarastelemaan täydellisiä normiavaruusia. 3.5. Määritelmä. Normiavaruus (E, ) on täydellinen, jos avaruuden E joainen Cauchyn jono (x n ) suppenee avaruudessa E (siis on olemassa sellainen y E, että lim x n = y). Täydelliset normiavaruudet ovat funtioanalyysin eseinen tutimusohde ja työalu, joten näille on otettu äyttöön oma nimi (puolalaisen Stefan Banach in (1892-1945) muaan, joa merittävällä tavalla ehitti alaa). 3.6. Määritelmä. Täydellistä normiavaruutta (E, ) sanotaan Banachin avaruudesi (usein sanomme lyhyesti: E on Banachin avaruus). Selvitetään seuraavasi mitä edellisessä luvussa löydetyistä avaruusista ovat täydellisiä, ja erityisesti, uina äytännössä näytetään että annettu normiavaruus on täydellinen. Oloon siis ensin A jouo ja B(A, K) = B(A) := { x : A K : x rajoitettu uvaus },
varustettuna normilla FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 27 x = sup x(t), un x B(A, K) t A 3.7. Lause. (B(A, K), ) on Banachin avaruus. Todistus. Todistus perustuu salaariunnan K täydellisyyteen. Nimittäin, oloon (x n ) Cauchyn jono avaruudessa B(A, K) ja t A mielivaltainen. Kosa (3.8) x (t) x j (t) x x j < ε aiilla j, N, un indesit, j m ε ovat riittävän suuria, on salaarijono (x (t)) Cauchyn jono salaariunnassa K. Tällöin on siis olemassa raja-arvo lim x n (t) K, sillä metriset avaruudet K = R tai K = C ovat täydellisiä. Pitämällä t A muuttujana saadaan raja-arvosta uvaus y : A K, y(t) := lim n x n (t), t A. Lauseen väite seuraa osoittamalla seuraavat apuväiteet: (i) uvaus y B(A, K) eli y on rajoitettu uvaus, (ii) x n y 0, un n eli x n y avaruudessa B(A, K) Tätä varten, oloon ε > 0 mielivaltainen, ja äytetään arviota (3.8), joa pätee tasaisesti joaisella t A. Pidetään siinä m ε seä t A iinteinä, ja annetaan j. Silloin lim x (t) x j (t) = x (t) y(t), j osa yo. tarastelee vain salaariluuja x j (t). Epäyhtälön (3.8) säilyminen rajalla taaa, että (3.9) x (t) y(t) ε un t A ja m ε. Tästä saadaan ensinnäin että y(t) y(t) x (t) + x (t) ε + x un t A eli että y B(A, K). Toisesi (3.9) pätee tasaisesti, so. samalla ε joaisessa pisteessä t A, Saadaan siis x y = sup x (t) y(t) ε aiilla m ε t A Olemme näin näyttäneet, että lim x = y avaruudessa B(A, K), eli suppeneminen tapahtuu o. avaruuden normin suhteen. Ylläolevat argumentit yhdistäen nähdään että (B(A), ) on Banachin avaruus.
28 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 3.10. Seuraus. a) vetoriavaruus K n varustettuna metriialla on Banachin avaruus. b) (l, ) on Banachin avaruus. x = sup x i 1 i n Annetaan myös esimeri epätäydellisestä normiavaruudesta. 3.11. Esimeri. (l 1, ) ei ole täydellinen normiavaruus, un (x ) = sup x, (x ) l 1. Rataisu: Oloon x (n) = (1, 1 2, 1 3,... 1 n, 0, 0,...), un n N. Selvästi x(n) l 1 aiilla n N. Toisaalta aiilla n, p N pätee x (n) x (n+p) 1 = (0,..., 0, }{{},..., 1, 0, 0,...) n+1 n+p n pl 1 = sup n+1 j n+p j = 1 n + 1 0 aiilla p N, un n. Siispä (x (n) ) Cauchyn jono avaruudessa (l 1, ). Väite epätäydellisyydestä seuraa, un osoitetaan, että ei ole olemassa sellaista jonoa y = (y ) l 1, että lim n x(n) y = 0. Tehdään vastaoletus eli oletetaan, että löytyisi sellainen y = (y ) l 1, että x (n) y sup-normissa. Jonon (x (n) ) alioiden :nnet oordinaatit x (n) ovat muotoa x (n) 1 =, 1 n 0, > n. ja aiilla indeseillä N pätee un n. Sisi un = 1, 2,.... Toisaalta x (n) y x (n) y 0, =1 y = lim x (n) n = lim n 1 = 1, 1 =, eli y = ( ) 1 / l1, miä on ristiriidassa vastaoletusen anssa. Siis (l 1, ) on epätäydellinen.
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 29 Huomautus. Vastaavalla tavalla osoitetaan (Tee se!) että jos 1 p < q <, niin l p l q mutta (l p, q ) ei ole täydellinen. Huomautus. Polynomien muodostama normiavaruus varustettuna sup-normilla P = { p: [0, 1] R : p polynomi } p = sup p(t) t [0,1] ei ole täydellinen. Samoin, jos P varustetaan luvun 2 Esimerin 2.11 ohdassa (2) annetuilla normeilla, osoittautuu että P:stä ei tule täydellistä. Epätäydellisyyden todistus on samantapainen uin edellisessä Esimerissä (vrt. Harjoituset). Seuraavan tulosen avulla saadaan lisää esimerejä Banachin avaruusista. 3.12. Lause. Oloon E Banachin avaruus ja M E suljettu aliavaruus. Tällöin M on täydellinen eli Banachin avaruus, avaruuden E indusoimassa normissa. Todistus. Jos (x n ) M on Cauchyn jono avaruudessa M, niin (x n ) on myös avaruuden E Cauchyn jono. Kosa E täydellinen, niin on olemassa sellainen raja-alio y E, että lim x n = y. Kosa M on suljettu ja x n M aiilla n, niin raja y M, joten M on täydellinen. Edellinen tulos pätee myös äänteiseen suuntaan: 3.13. Lause. Normiavaruuden E täydellinen aliavaruus M on suljettu avaruudessa E. Todistus. Oloon z M mielivaltainen. Tällöin löytyy sellainen jono (x n ) M, että x n M aiilla n = 1, 2,... ja lim x n = z. Tällöin (x n ) n=0 on Cauchyn jono avaruudessa E Lauseen 3.2 nojalla ja siten myös avaruudessa M, joten avaruuden M täydellisyyden nojalla lim x n = y M on olemassa. Raja-arvon ysiäsitteisyyden nojalla on oltava z = y M, joten siis M = M ja M on suljettu avaruudessa E. 3.14. Seuraus. Oloon M Banachin avaruuden E vetorialiavaruus. Tällöin M on täydellinen (eli Banachin avaruus) M on suljettu. Todistus. Seuraa välittömästi Lauseista 3.12 ja 3.13. Käytämme seuraavasi näitä tietoja tutimaan jatuvien uvausten avaruusia.
30 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 3.15. Esimeri. Oloon X topologinen avaruus, ja C(X) = C(X, K) := { f : X K : f jatuva avaruudessa X }. Jos f, g C(X) ja λ K, niin pisteittäinen summafuntio f + g C(X) ja λf C(X) eli C(X) on vetoriavaruus. Meritään BC(X) = BC(X, K) := B(X, K) C(X), eli jatuvien ja rajoitettujen uvausten X K avaruus. Siis BC(X) on avaruuden B(X) on vetorialiavaruus. Kysymys. Ono BC(X) B(X) suljettu (normin suhteen)? Oloon t X iinteä, ja BC t (X) = { f B(X) : f on jatuva pisteessä t }. Huomautus. (Topo I) f : X K on jatuva pisteessä t X, jos joaista ε > 0 vastaa sellainen avoin ympäristö V, t V X, että f(u) f(t) < ε aiilla u V. 3.16. Lemma. BC t (X) on avaruuden B(X) suljettu vetorialiavaruus aiilla t X. Todistus. Oloon g B(X) sellainen funtio X K, että g sisältyy avaruuden BC t (X) suleumaan sup-normin suhteen. Oloon ε > 0 annettu. Tällöin on olemassa sellainen f BC t (X), että g f < ε. Kosa funtio f on 3 jatuva pisteessä t, niin löytyy sellainen avoin ympäristö t V X, että f(t) f(u) < ε 3 aiilla u V. Tällöin g(t) g(u) g(t) f(t) + f(t) f(u) + f(u) g(u) }{{}}{{} g f g f 2 g f }{{ + ε } 3 < ε < ε 3 aiilla u V. Siis g on jatuva pisteessä t, joten g BC t (X) ja siis BC t (X) on suljettu. 3.17. Lause. (BC(X), ) on Banachin avaruus. Todistus. Kosa f on jatuva avaruudessa X joss f on jatuva aiissa pisteissä t X, niin BC(X) = BC t (X), t X
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 31 missä BC t (X) on suljettu aiilla t X Lemman 3.16 nojalla. Siis BC(X) on suljettu aliavaruus avaruudessa B(X). Nyt väite seuraa Lauseista 3.7 ja 3.12. 3.18. Seuraus. Jos X on ompati topologinen avaruus, niin (C(X), ) on Banachin avaruus. Erityisesti (C(0, 1), ) on Banachin avaruus. Todistus. Käytetään Topo I:n tulosta jona muaan ompatissa avaruudessa X joainen jatuva uvaus f : X K on rajoitettu, eli C(X) = BC(X). Esimerin 2.8 ohdassa (2) esiteltiin avaruuden l aliavaruudet c ja c 0. c := { x = (x n ) n=0 : x n K, lim x n on olemassa, un n }, c 0 := { x = (x n ) n=0 : x n K, lim x n = 0 }. 3.19. Lause. c ja c 0 ovat Banachin avaruusia. Todistus. 1) c 0 l on suljettu vetorialiavaruus (Harjoituset 1) 2) c l on suljettu: Oloon x = (x ) l sellainen jono, että x c. Kun ε > 0, niin löytyy sellainen jono y = (y ) c, että x y < ε 3. Kosa (y ) on suppeneva jono, niin erityisesti (y ) on salaariunnan K Cauchyn jono. Siis on olemassa sellainen m ε N, että aiilla j, m ε. Tällöin y j y < ε 3 x j x ey x j y j + y j y + y x < ε 3 + ε 3 + ε 3 = ε aiilla j, m ε. Kosa ε > 0 mielivaltainen, niin x = (x ) on myös salaariunnan K Cauchyn jono. Siispä (x ) suppenee, joten x c. Siis c = c on suljettu, joten Lauseen 3.12 nojalla c on Banachin avaruus. Huomautus. Oloon N = N { } ja varustetaan se topologialla τ, jona antana ovat jouot U = {n} ja V = { } { N : m }, missä n, m N.
32 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Saatu avaruus (N, τ) on N:n yhden pisteen ompatifiointi. Tällöin itse asiassa c = C(N). Siten Lause 3.19 seuraa myös Seurausesta 3.18. Vetoriarvoisista sarjoista Oloon E normiavaruus ja (x ) jono avaruudessa E. Mietimme seuraavasi vastaavan vetorisarjan j=1 x j summautumista. Toisin sanoen, pätevätö tutut sarjateorian perusteet myös äärettömän dimension tapausessa? Sarjaa meritään tavallisesti symbolilla x tai x. Osasummille äytetään myös tuttuja merintöjä, n s n = x 1 + x 2 + + x n = x j un n N. (s n E n.) j=1 Edelleen, alio x E on sarjan :s termi. 3.20. Määritelmä. Oloon x normiavaruuden E alioiden muodostama sarja. Miäli osasummien jono (s n ) suppenee ohti vetoria s E, eli lim s n s = 0, n sanotaan että sarja x suppenee ja sen summa on s; meritään tällöin s = x. =1 Sanotaan, että E:n sarja x on normisuppeneva (tai absoluuttisesti suppeneva), jos (R-terminen) sarja x suppenee. 3.21. Esimeri. Oloon e n = (0, 0,..., 0, 1 }{{}, 0,...) l 2, un n N. Sup- n:s peneeo sarja e nn l 2 :ssä? Rataisu: Oloon x = ( 1 n ) n. Nyt 1 n 2 <, joten x l 2. Tällöin e nn = x ja yseinen sarja suppenee, sillä sarjan m:s osasumma s m on m e n s m = n = (1, 1 2, 1 3,..., 1, 0, 0,...) m ja siis 1 x s m 2 = (0, 0,..., 0, }{{} m + 1, 1 ( m + 2,...) 2 = mpl j=m+1 1 j 2 ) 1/2 0,
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 33 un m ; yseessä on suppenevan sarjan jäännöstermi. Kuitenaan sarja enn ei ole normisuppeneva avaruudessa l 2, sillä e n = n 2 1 n e n 2 = 1 n DI =. Täydellisyyden ja normisuppenevien sarjojen välillä on täreä yhteys: 3.22. Lause. Normiavaruus E on Banachin avaruus jos ja vain jos joainen avaruuden E normisuppeneva sarja x suppenee avaruudessa E. Todistus. Oloon E Banachin avaruus ja x sarja. Jos n N, p N, niin avaruuden E normisuppeneva n+p s n+p s n = x j ey j=1 n+p j=n+1 n x j = x n+1 + + x n+p j=1 x j j=n+1 x j 0 aiilla p N, un n. Siis (s n ) on Cauchyn jono avaruudessa E, joten se suppenee. Oletetaan, että avaruuden E joainen normisuppeneva sarja suppenee. Oloon (x n ) Cauchyn jono avaruudessa E. Lauseen 3.4 nojalla riittää löytää suppeneva osajono (x nj ). Konstruoidaan osajono (x nj ) indutiolla seuraavasti: Kosa (x n ) on Cauchyn jono, niin löytyy sellainen n 0 N, että x p x q < 1 2 aiilla p, q n 0. Oletetaan, että on jo valittu luvut n 0 < n 1 <... < n j ja valitaan seuraavasi n j+1. Kosa jono (x n ) on Cauchyn jono, niin edelleen löytyy sellainen n j+1 N, että n j+1 > n j ja x p x q < 1 2 j+2 aiilla p, q n j+1. Meritään nyt y 0 = x n0, y j = x nj x nj 1 un j = 1, 2,.... Tällöin y j = x nj x nj 1 < 1 2 j aiilla j = 1, 2,..., sillä n j > n j 1 ja valitsemalla p = n j ja q = n j 1 arvio seuraa.
34 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Siispä jono (y j ) on normisuppeneva, sillä y j < 2 (j+1) <. j j Oletusen nojalla sarja y j siis suppenee ja meritään sarjan summaa y = y j. j=0 Tarastellaan sitten sarjan y j osasummia. Havaitaan, että itse asiassa y j = x n0 + (x n1 x n0 ) + + (x n x n 1 ) = x n. j=0 Näin ollen jonon (x n ) osajono (x n ) suppenee ohti pistettä y E. Lauseen 3.4 nojalla siis myös jono (x n ) suppenee ohti pistettä y ja siis E on täydellinen. Lauseen 3.22 nojalla voidaan usein osoittaa avaruuden täydellisyys: näin on esimerisi reaaliluujen jouon R tapausessa. Oloon a itseisesti suppeneva sarja R:ssä. Meritään b = a a, un N. Tällöin 0 b 2 a, joten sarja b suppenee vertailuperiaatteen nojalla. Kosa a = a b, suppenee sarja a myös. Siis Lause 3.22 sanoo, että R on täydellinen. Normisuppenevien sarjojen avulla myös avaruusien l p täydellisyys saadaan ivuttomasti. 3.23. Lause. Joainen jonoavaruus l p on Banachin avaruus. Todistus. Oloon x (n) normisuppeneva sarja avaruudessa l p, siis x (n) p <. n=0 Jos vetori eli jono x (n) = (x (n) ), niin ( x (n) aiilla N, joten x (n) n=0 x (n) i i p ) 1 p = x (n) p <, ullain N. Siten salaariluujen sarja n x(n) suppenee, sillä K on täydellinen. Meritään y = x (n), N. n=0
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 35 Olemme näin löytäneet uuden luujonon (y ), ja väitämme että o. sarja suppenee ohti vetoria y. Oloon ε > 0. Normisuppenevuuden perusteella löytyy sellainen m N, että x (n) p ε. =0 n=0 n=m+1 Oloon i, r, s N, m r < s. Tällöin i r y x (n) i p s = lim s Mutta =0 s n=r+1 n=r+1 x (n) =0 p = n=0 s n=r+1 ( ) p x (n) p ε p. Kun s, niin tästä seuraa, että i y =0 x (n) r n=0 x (n) x (n) r n=0 x (n) p ( s p p ε p p lim s n=r+1 =0 ) p x (n) p aiilla i N ja r m. Antamalla siis i nähdään, että r y x (n) p p = r y p ε p, n=0 =0 n=0 x (n) s n=r+1 un r m. Siis jono (y m n=0 x(n) ) l p, joten Lauseen 2.20 sivulla 18 nojalla ja edelleen y = (y ) = ( y y m n=0 ) x (n) ( m + r x (n) p ε, n=0 n=0 ) x (n) l p un r m. Näin ollen sarja x (n) suppenee ja Lauseen 3.22 sivulla 33 nojalla l p on Banachin avaruus. x (n) p
36 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI L p -avaruudet Haluamme seuraavasi määritellä jonoavaruuden l p vastineet jatuvassa tapausessa, eli avaruudet joiden normit saadaan suureista ( ) 1/p f p := f(x) p µ( dx) Päädymme näin L p -avaruusien äsitteeseen. Tämän tarempi/syvällisempi teoria uuluu ursseihin Mitta- ja integraali seä Reaalianalyysi. L p -avaruudet ovat uitenin eseisiä esimerejä Funtionaalianalyysissä ja sen sovellusissa; lisäsi Hilbert-avaruusien (todellisesta) äytöstä ei saa unnon uvaa ilman L 2 -avaruusia. Käymme sisi alla L p -avaruusien perusideat lyhyesti läpi, niitä luijoita silmällä pitäen, jota eivät ole vielä suorittaneet yo. ursseja. Kesitymme nimenomaan ideoitten esittelyyn ja sivuutamme useiden väitteiden todistuset, jota jäävät Mittateorian ursseilla äsiteltävisi. Tämän urssin tarpeisiin riittää tarastella (Lebesgue-)mitallisia osajouoja R n, mutta mitä alla errotaan pätee myös yleisissä mitta-avaruusissa (, µ). Muotoa n f = a χ E =1 olevia funtioita utsutaan ysinertaisisi funtioisi; tässä a K, E on mitallinen jouo seä arateristinen funtio χ E (x) = 1 jos x E ja χ E (x) = 0 un x / E. Ysinertaisen funtion integraali määritellään ysinertaisesti n f dµ = f(x)dµ(x) = a µ(e ) [Muista myös: m.. melein aiialla, so. nollamittaisen jouon ulopuolella.] Jos 0 f on mitallinen funtio, löytyy jono ysinertaisia funtioita f n niin että 0 f n f n+1 f ja f(x) = lim n f n (x) melein aiialla. Itse asiassa funtio on mitallinen jos ja vain jos se on ysinertaisten funtioiden pisteittäinen raja m.. x. Asetetaan (3.24) f dµ = lim f n dµ, n missä f n :nien integraalit muodostavat asvavan luujonon, ja siten yo. rajaarvo on olemassa. Mittateoriassa näytettään että (3.24):n raja-arvo on approsimoivan jonon {f n } valinnasta riippumaton. Mutta voi hyvin olla että (3.24):n raja-arvo ja siis f:n integraali on! Tämän pulman välttämisesi, yleiselle mitalliselle funtiolle f sanotaan että se on integroituva, miäli f dµ <. =1
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 37 Jos nyt f : R on integroituva, funtion positiivinen osa f + = max{f(x), 0} ja negatiivinen osa f (x) = max{ f(x), 0} ovat integroituvia, ja voimme asettaa fdµ = f + dµ f dµ Komplesiarvoiselle funtiolle f = u+iv asetetaan fdµ = udµ+i vdµ. Mittateoriassa osoitetaan, että jos f on Riemann integroituva (erityisesti, jos f on jatuva!), silloin nyt määritelty integraali on täsmälleen sama uin tuttu Riemann integraali!! Oloon sitten 1 p <, R n mitallinen jouo ja µ() > 0, missä µ on Lebesguen mitta avaruudessa R n. Määrittelemme alusi jouon L (p) () = L (p) niiden mitallisten funtioiden f : K jouona, joille ( 1/p f p := f(x) p µ( dx)) <. Jotta L (p) olisi vetoriavaruus, on näytettävä, että p on seminormi avaruudessa L (p). Tähän tarvitaan (uten l p -avaruusien tapausessa) Hölderin epäyhtälöä. 3.25. Lemma (Hölderin epäyhtälö). Jos f L (p) ja g L (q), un 1 + 1 = 1, p q p > 1, niin tällöin tulo fg L (1) ja fg 1 f p g q eli ( ) 1 ( ) 1 (fg)(x) dµ(x) f(x) p p dµ(x) g(x) q q dµ(x) Todistus. Jos f p = 0, niin f(x) = 0 m.. x, jolloin myös tulo (fg)(x) = 0 m.. x ja siis fg dµ = 0. Samoin pätee, jos g q = 0. Näissä tapausissa väite on ilmeinen. Voidaan siis olettaa, että f p g q > 0. Sovelletaan Lemmaa 2.14 sivulla 14 muuttujat asettamalla mistä seuraa epäyhtälö a = f(x) f p ja b = g(x) g q, (fg)(x) 1 f(x) p f p g q p f p + 1 p q g(x) q g q. q Integroimalla tämä puolittain muuttujan x suhteen saadaan f 1 p g 1 q fg dµ 1 p f p p f(x) p dµ + 1 q g q q = 1 p + 1 q = 1. g(x) q dµ
38 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 3.26. Seuraus (Minowsin epäyhtälö). Jos f, g L p ja p 1, niin f + g p f p + g p. Todistus. HT. Kosa selvästi λf p = λ f p, niin L (p) on tämän ja Minowsin epäyhtälön nojalla K-ertoiminen vetoriavaruus. Mutta avaruudessa L (p) on se pulma, että p ei ole normi: f(x) = 0 m.. x f p = 0! ( f p on vain seminormi). Pulmasta selvitäsemme, samaistamme aii ne funtiot, jota ovat samoja m.. x. Seuraava esimeri antaa mieliuvan mitä tämä samaistaminen äytännössä meritsee. Integroidaan vaiapa seuraava funtio välillä [0, 1], f(x) = x, un 0 x < 1/2 ja f(x) = 3, un 1/2 x 1 Voisimme myös asettaa (Piirrä funtioiden uvaajat!) f(x) = 1, un 0 x 1/2 ja f(x) = 3, un 1/2 < x 1 osa ei ole mitään luonnollista tapaa valita f:n arvoa epäjatuvuuspisteessä x = 1/2; selvästi molemmat valinnat ovat yhtä hyviä, ja integroinnin annalta molemmat valinnat tuottavat saman tulosen. Onin sisi järevää samaistaa nämä funtiot! Yleisemmin, annetulla funtiolla voi olla paljon enemmän epäjatuvuus- (tai epämääräisyys )pisteitä, joten saman filosofian muaan on järevää samaistaa funtiot f ja g, jos f(x) = g(x) nollamittaista x:ien jouoa luuunottamatta. Täsmällistä määrittelyä varten sanotaan että funtiot f, g L (p) ovat evivalentit, mer. f g, jos f = g m.. x. Asetetaan myös [f] = {g L (p) : g f} Huomataan, että jos f g ja F G niin (f +F ) (g +G), eli evivalenssiluoat muodostavat vetoriavaruuden, [af + bg] = a[f] + b[g] (Selvitä itsellesi tämän ysityisohdat!). Määritellään nyt (3.27) L p () = {[f] : f L (p) ()} Huomataan että f p = g p aina un f g, ja [f] p := f p on siten hyvin määritelty. Edelleen, f p = 0 [f] = [0], eli avaruudessa L p () suure p on normi.
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 39 Käytännössä, pidämme (so. ohtelemme) L p ():n elementtejä funtioina. Myös, siisteissä tapausissa, esimerisi jos luoassa [f] on jatuva funtio, valitsemme sen luoan edustajasi, eiä tulinta f L p () tuota pulmia. Kuitenin, yleisessä tapausessa L p -funtion arvo ei pisteittäin hyvin määritelty. Jos tarvitsemme tiettyä arvoa f(x), joudumme valitsemaan luoasta [f] yhden edustajan; jos haluamme näin saada tietoa oo luoasta [f], meidän on tällöin huolehdittava siitä, että päättelyjen lopputulos (!) ei riipu edustajan f valinnasta. Toinen tapa määritellä L p () on tulita yo. onstrutio enemmän lineaarialgebrallisin onstein, äyttäen vetoriavaruuden teijäavaruusia. Taremmin, oloon X vetoriavaruus ja M sen aliavaruus. Kosa X on yhteenlasun suhteen Abelin ryhmä ja M sen aliryhmä, voimme muodostaa teijäryhmän X/M, jona alioina ovat jäännösluoat modulo Y, x + M, x X. (Tässä x + M määritelty jouona, uten Luvussa 2) Asetetaan yhteenlasu ja salaarilla ertominen luonnollisilla aavoilla (3.28) (x + M) + (y + M) = (x + y) + M (3.29) λ(x + M) = λx + M ja näin saadaan teijäryhmästä X/M vetorialiavaruus. 3 Oloon nyt M avaruuden L (p) vetorialiavaruus, joa oostuu niistä funtioista f, joille pätee f(x) = 0 m.. x. 3.30. Määritelmä. Avaruus L p = L p () on teijäavaruus L (p) /M. Jos f L (p) on yleensä tapana meritä funtion f määräämää teijäavaruuden L p aliota eli luoaa f +M myös symbolilla f! Tässä on siis vain pidettävä mielessä, että jos asi avaruuteen L (p) uuluvaa funtiota poieaa toisistaa enintään 0-mittaisessa jouossa, ne ovat avaruuden L p alioina samoja. Kuten edellä todettiin, f p on sama aiille funtioille f L (p), jota poieavat toisistaan enintään 0-mittaisessa jouossa, joten lausee f p on hyvin määritelty myös aiille f L p. Seuraava tulos on eseinen Funtionaalianalyyttisiä sovellusia silmälläpitäen. 3.31. Lause. p on normi avaruudessa L p. Tällä normilla varustettena L p on Banachin avaruus. 3 Taremmin tätä ideaa selvitetään urssilla Lineaarialgebra II.
40 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Todistus. Ensimmäinen väite seuraa yo. esustelusta (Huomaa, että Hölderin ja Minowsin epäyhtälöt pätevät myös avaruudessa L p ; Misi?). L p -avaruusien täydellisyys uuluu oieastaan Reaalianalyysin urssin materiaaliin, sillä päättely tarvitsee muutaman perustulosen Lebesgue-integroinnista. Sisi ne luijat, jota eivät ole vielä Reaalianalysiä suorittaneet, voivat ottaa tulosen annettuna; todistusen argumentteja ei tarvita muualla tässä urssissa. Luonnostelemme alla uitenin täydellisyystodistusen pääpiirteet, jotta Mittateoriaan perehtymätönin luija saa mieliuvan miten mitallisten funtioiden anssa operoidaan. Täydellisyysagumentti on itse asiassa analoginen l p avaruusien tapausen anssa. L p -avaruusien täydellisyyttä varten tarvitaan seuraava Mitta ja integraalin tulos: 3.32. Lemma (Fatoun Lemma). Jos f n : [0, ] on mitallinen aiilla n N, niin lim inf f n(x) dµ lim inf f n (x) dµ. n n Todistus. Oloon g (x) = inf n f n (x). Silloin g on mitallinen, g f, 0 g 1 g 2... seä lim g (x) = lim inf f n(x). n Kosa {g } on asvava funtiojono, Monotonisen suppenemisen lauseen muaan lim g dµ = lim g dµ. Erityisesti, lim inf f n(x) dµ = lim g j (x) dµ lim inf f (x) dµ. n Lauseen 3.31 todistus jatuu. Oloon f n normisuppeneva sarja avaruudessa L p ja f n p M <. Lauseen 3.22 sivulla 33 nojalla riittää osoittaa, että fn suppenee. Voimme valita edustajan f n L (p) joaisella n N ja riittää siis löytää sellainen f L (p), jolle Jos meritään niin g p = lim g (x) = f n f = 0. p f n (x), x, f n p f n p M.
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 41 Monotonisen suppenemisen lauseen nojalla ( p ( p f n ) dµ = lim f n ) dµ = lim g p p M p <. Siis g := f n (x) L (p) ja edelleen tästä seuraa, että g(x) < m.. x ja näillä x f(x) := f n (x) suppenee avaruudessa K. Asetetaan f(x) = 0, jos g(x) =, jolloin f(x) g(x) ja f L (p). Lisäsi Fatoun lemman nojalla p j p f f n dµ = lim f n f n dµ j lim inf j j f n p f n dµ Otetaan nyt p:nnet juuret puolittain saadusta epäyhtälöstä, jolloin päädytään p j p j f f n = lim inf f n lim inf f n p = f n p 0, j j n=+1 n=+1 n=+1 un. Siispä joainen avaruuden L p normisuppeneva sarja suppenee, joten L p on täydellinen eli L p on Banachin avaruus. Yllä oletettiin, että 1 p <. Tapaus p = on itse asiassa helpompi. Kosa tapausissa 1 p < samaistimme funtiot, jota poieavat enintään 0-mittaisessa jouossa, haetaan nyt tälle vastine un p =. Päädymme seuraavaan äsitteeseen: 3.33. Määritelmä. Mitallinen funtio f : K on oleellisesti rajoitettu, jos on olemassa 0 M <, jolle f(x) M aiilla x jonin 0-mittaisen jouon ulopuolella. Oleellinen supremum eli f := ess sup f(x), x on infimum aiista edellä mainituista luvuista M, siis f := inf{ M : jouon { x : f(x) > M } mitta = 0 }. Kuten tapausessa 1 p < samaistamme taas f g, jos f(x) ja g(x) poieavat enintään 0-mittaisessa jouossa. Meritään avaruudella L jouoa, jona muodostavat aii oleellisesti rajoitettujen funtioiden evivalenssiluoat [f]. Kuten edellä, tulemme säännöllisesti äyttämään merintää f L, un taraan ottaen taroitetaan, että f:n määräämä luoa [f] L.
42 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 3.34. Lause. (L, ) on Banachin avaruus. Todistus. Taas tarvitaan hieman Mittateorian tietoja, ja sisi ne luijat jota eivät ole Reaalianalyysia suorittaneet, voivat ottaa tulosen annettuna. Selvyyden vuosi annamme uitenin tässä todistusen ysityisohdat. 1) f(x) f m.. x, sillä µ({x : f(x) > f }) µ({x : f(x) > f + 1/n}) = 0 2) L on vetoriavaruus ja on normi: Kosa f(x) f ja g(x) g m.. x, saadaan f + g f + g f + g m.. x f + g f + g (Selvitä itsellesi misi af = a f aiilla f L! ) 3) L on täydellinen: Oloon (f n ) Cauchyn jono avaruudessa L. Lauseen 3.3 sivulla 25 nojalla jono on rajoitettu eli f n M < aiilla n N. Oloon A ja B n,m ne jouon osajouot, joissa f (x) < f ja f n (x) f m (x) < f n f m. Oleellisen supremumin määritelmän nojalla jouot A ja B n,m ovat 0-mittaisia. Asetetaan ( ) ( ) E = A B n,m Tällöin n,m µ(e) µ(a ) + µ(b n,m ) = 0. n,m Oloon ε > 0. Kosa jono (f n ) on Cauchyn jono, löytyy sellainen n e N, että f n f m < ε unhan n, m n ε. Kun x \ E, niin f n (x) f m (x) f n f m < ε unhan n, m n ε, joten (f n (x)) on Cauchyn jono avaruudessa K. Siispä on olemassa raja-arvo f(x) := lim f n (x) joaisella x \ E. Asetetaan f(x) = 0, un x E. Kosa f n (x) f n M aiilla x \ E, niin f L. Samoin on voimassa f(x) f n (x) = lim f m(x) f n (x) lim sup f m f n ε, m m
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 43 un n n ε. Kosa µ(e) = 0, niin tästä seuraa, että lim f f n = 0. n Huomautus. Yleisimmin määritellään (vastaavalla tavalla uin L -avaruus) Banachin avaruus L p (, Σ, µ) un (, Σ, µ) on (täydellinen) mitta-avaruus ja 1 p (vrt. Reaalianalyysi I, 1.4-1.6) Ylimääräinen huomautus: Avaruuden L täydellisyys voidaan todistaa myös äyttäen edellä uvattua teijäavaruuden strutuuria. Nimittäin, jos M on avaruuden X vetorialiavaruus niin yhtälöiden (3.28) avulla määriteltiin uusi vetoriavaruus X/M. Jos nyt X on normiavaruus ja M sen suljettu vetorialiavaruus, saadaan X/M:stä normiavaruus asettamalla x+m X/M = inf{ x+m : m M} = inf{ x m : m M} = dist(x, M) Helposti nähdään että x + M X/M on normi: Joaisella m 1, m 2 M x + y + M X/M x + y + m 1 + m 2 x + m 1 + y + m 2 ja ottamalla inf yli vetoreiden m 1, m 2, saadaan x + y + M X/M x + M X/M + y + M X/M Samalla tavalla nähdään, että ax + M X/M = a x + M X/M. Lisäsi, ylläolevasta seuraa, että x + M X/M = 0 dist(x, M) = 0 x M = M, eli x + M = 0 + M, avaruuden X/M nolla-alio. Lisäsi, harjoitusissa näytetään, että jos X on Banach avaruus ja M X on suljettu v.a.a, niin silloin X/M on Banach avaruus. Valitsemalla nyt X = {f : K rajoitettu ja mitallinen} B(, K) havaitaan mittateorian avulla, että X on suljettu B(, K):ssa, ja siis Banach avaruus. Jos M = {f X : f(x) = 0 m..x }, niin silloin voidaan samaistaa L = X/M (Väitteen ysityisohdat jätetään ylimääräisesi harjoitustehtäväsi) Harjoitus 4/Tehtävä 5 ertoo nyt että L on Banach avaruus.
44 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Banachin iintopistelause (epälineaarinen FA) Seuraava täydellisyyden aspeti on osoittautunut hyödyllisesi ja monipuolisesi työalusi monissa eri funtionaalianalyysin sovellusissa. 3.35. Määritelmä. Oloon E Banach-avaruus ja D E osajouo (D ). Kuvaus T : D E on ontratio D:ssä, jos T (x) T (y) x y aiilla x, y D Kuvaus T : D E on aito ontratio jos on olemassa sellainen vaio 0 < 1, että T (x) T (y) x y aiilla x, y D Joainen ontratio T : D E on tasaisesti jatuva D:ssä. Piste x D on uvausen T : D E iintopiste, jos T (x) = x. Huomaa, että ontration ei tarvitse olla lineaarinen uvaus. Huomautus. Oloon (X, d) metrinen avaruus ja D X osajouo. Vastaavalla tavalla määritellään (aito) ontratio T : D X ja sen iintopiste. 3.36. Lause (Banachin iintopistelause, 1922). Oloon E Banachin avaruus ja D E suljettu osajouo ja T : D D aito ontratio. Tällöin uvausella T on ysiäsitteinen iintopiste x D (eli T (x) = x). Todistus. Jos x 0 D on mielivaltainen, asetetaan reursiivisesti x 1 = T (x 0 ), x n+1 = T (x n ), un n = 1, 2... Meritään α n = x n+1 x n (n N). Tällöin (3.37) α n = x n+1 x n = T (x n ) T (x n 1 ) x n x n 1 = T (x n 1 ) T (x n 2 ) 2 x n 1 x n 2... n x 1 x 0 = n α 0, un n N. Kolmioepäyhtälöä, arviota (3.37) ja geometrisen sarjan summaaavaa äyttämällä saadaan aiilla p = 1, 2,..., n N arvio (3.38) x n+p x n n+p 1 j=n x j+1 x j = p 1 = α 0 n j α 0 n j=0 n+p 1 j=0 j=n α j n+p 1 j=n j α 0 j = α 0 n 1 0,
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 45 un n. Siis (x n ) E on Cauchyn jono. Kosa E Banachin avaruus, niin lim x n = x E. Kosa x n = T (x n 1 ) D aiilla n = 1, 2,..., niin x = lim n x n D = D, osa D on suljettu. Kosa edelleen oletettiin, että T jatuva, niin T (x) = T ( lim n x n ) = lim n T (x n ) = lim n x n+1 = x, eli x on iintopiste. Osoitetaan vielä, että x on ysiäsitteinen. Oloon y D toinen iintopiste uvauselle T eli T (y) = y. Tällöin x y = T (x) T (y) x y jollain 0 < 1, sillä T on aito ontratio. Siispä ainoa mahdollisuus on, että x y = 0 eli x = y. Huomautus. Yllä olevassa todistusessa iintopiste x löytyi iteroimalla: x = lim T (x n ), missä x n = T (x n 1 ) =... = T... T n }{{}(x 0 ), missä x 0 D oli jopa mielivaltainen. Lisäsi epäyhtälöstä (3.38) saadaan virhearvio (antamalla p ): (3.39) x T n (x 0 ) n 1 T (x 0) x 0 aiilla n N. Seuraavasi tarastellaan parilla esimerillä uina Banachin iintopistelausetta voidaan soveltaa. Sovellusohteita on itse asiassa luematon määrä, aina yhden muuttujan numeriiasta esim. frataaligeometriaan asti. Sovellusissa on tietysti löydettävä uhunin ongelmaan sopiva Banachin avaruus ja vastaava ontratiouvaus. 3.40. Esimeri. Johdantoluvussa [ vrt. (0.1) ] lupasimme rataista integraaliyhtälön (3.41) f(x) λ 1 0 n pl K(x, s)f(s)ds = g(x), x [0, 1], ainain un parametri λ on pieni. Nyt meillä on oossa tässä tapausessa tarvittavat rataisun elementit: Annetuista funtioista g : [0, 1] R ja K : [0, 1] [0, 1] R oletettiin että ne ovat jatuvia. Sisi on luontevaa valita alla olevasi Banach avaruudesi C(0, 1). Sopiva ontratiouvaus voidaan muodostaa monellain tavalla; niistä helpoin ja luonnollisin ehä (3.42) T : C(0, 1) C(0, 1), (T f)(x) = g(x) + λ 1 0 K(x, s)f(s)ds
46 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI sillä heti nähdään, että f on T :n iintopiste, T (f) = f, jos ja vain jos f rataisee yhtälön (3.41). Esimerin 2.27 tulosista seuraa, että T : C(0, 1) C(0, 1) on jatuva uvaus. Saman Esimerin menetelmillä voimme myös selvittää milloin T on aito ontratio. Nimittäin 1 T f T h = sup λ K(x, s) (f(s) h(s)) ds x [0,1] 0 λ K f h missä K = sup{ K(x, s) : x, s [0, 1] }. Havaitaan siis että T on aito ontratio jos λ on niin pieni, että λ < 1/ K. Banachin iintopistelauseesta seuraa nyt että miäli λ < 1/ K, on uvausella T iintopiste ja siten yhtälöllä (3.41) rataisu f C(0, 1); lisäsi f on ysiäsitteinen. Banachin iintopistelause on varsin vahva, sillä se antaa myös nopean algoritmin integraaliyhtälön rataisun f onstruoimisesi (esim. numeerisesti): Lauseen jäleisen huomautusen muaan f = lim n g n missä g 0 (x) = g(x), g 2 (x) = g(x) + λ 1 0 g 1 (x) = g(x) + λ 1 1 K(x, s)g(s)ds + λ 2 K(x, t) 0 0 K(x, s)g(s)ds, 1 0 K(t, s)g(s)ds dt, ja niin edelleen. Lisäsi, arvion (3.39) muaan jonon g n suppeneminen on esponentiaalista. Ainoa pulma Banachin lauseessa on että se toimii vain (aidoille) ontratioille. Erityisesti, herää ysymys: miten yhtälöt (3.41) äyttäytyvät yleisillä parametreilla λ?! Seuraava esimeri näyttää, että yllä λ:n pienuus oli olennaista; yleisten parametrien tapaus on siis monimutaisempi. 3.43. Esimeri. Valitaan integraaliyhtälön (3.41) ytimesi K(x, s) = xs, 0 x, s 1, seä oloon annettu funtio g(x) 1. Silloin yhtälö (3.41) saa muodon (3.44) f(x) λ x 1 0 sf(s)ds = 1, x [0, 1] Kosa K = sup x,s [0,1] K(x, s) = 1, yhtälöllä on rataisu ainain un λ < 1. Lisäsi uten yllä, rataisun voi löytää iteroimalla operaattoria T h = 1 + λ 1 xsh(s)ds; iteroinnissa huomataan että rataisun voi ehittää 0 potenssisarjana λ:n suhteen. Valitussa erioistapausessamme potenssisarjan
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 47 voi jopa esittää suljetussa muodossa (Ylimääräinen HT: Määrää o. sarja ja sen summa). Toisaalta, tapausessa K(x, s) = x s yhtälön voi myös rataista suoraan: Havaitaan nimittäin, että joainen (3.44):n rataisu on muotoa f(x) = 1 + Cx jollain vaiolla C (Misi?). Sijoittamalla nähdään että (3.44):n anssa on yhtäpitävää (3.45) 1 + Cx λ x 1 0 s(1 + Cs)ds = 1 Integroinnin jäleen (Tee se!) tämä identiteetti saa muodon C λ(1/2+c/3) = 0. Siten C = 3 λ 3λ x ja f(x) = 1 + 2 3 λ 6 2λ Integraaliyhtälö siis rateaa aina un λ 3. Kun λ = 3 rataisua ei olemassa, millään vaiolla C. Ylläolevassa löysimme tasan yhden poieusarvon λ. Esimeriä muoaamalla voit helposti löytää ytimiä, joilla on 2, 3 tai useampia poieusarvoja. Kun seuraavassa luvussa olemme raentaneet Hilbertavaruusien perusteorian, tulemme osoittamaan vielä enemmän: 3.46. Esimeri. Oloon (3.47) K(x, s) = 1, x, s [0, 1] 3 e2πi(x s) [Huom: Eulerin identiteettiä e ix = cos x + i sin x äyttäen yo. ytimen voi irjoittaa myös trigonometristen funtioiden avulla.] Tällöin: Jos λ 3 n, n = 1, 2,..., yhtälö (3.41) rateaa aiilla g C(0, 1). Toisaalta, jos λ = 3 n jollain n, ei rataisua aiilla funtioilla g löydy! Väitteen todistus seuraa nopeasti Fourier-sarjojen ominaisuusista, ja jätämme sen sisi luuun 4. Huomaa, että tässäin esimerissä poieusarvojen jouo jää disreetisi.
48 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Katsotaan lopusi vielä ysi (hyvin!) erilainen esimeri Banachin iintopistelauseen soveltamisesta; tämä esimerin luonne on yleissivistävä, eiä uulu varsinaiseen urssisisältöön; sivuutamme sisi osan todistusista. Muistetaan että Banachin iintopistelause on yleispätevä periaate, jota voidaan äyttää myös täydellisissä metrisissä avaruusissa. Konstruoidaan nyt sen avulla Kochin lumihiutaleäyrä! 3.48. Esimeri. Oloon X = { A R 2 : A on ompati 4 osajouo }. Jos A, B X, asetamme d H (A, B) = max{sup dist(x, B), sup dist(y, A)}, x A y B missä etäisyys dist(x, B) pisteestä x jouoon A määritellään dist(x, B) = inf{ x b : b B } un normina on eulidinen normi tasossa R 2. Tällöin d H on metriia jouoperheessä X ja tätä metriiaa sanotaan Hausdorffin metriiasi. Lisäsi (X, d H ) on täydellinen (perustuu ompatisuuteen, sivuutetaan ysityisohdat; HT). Oloot f j : R 2 R 2, 1 j n, aitoja ontratioita ja j < 1 vastaavat ontratiovaiot. Tällöin ( ) = max j=1,...,n j < 1, jolloin siis f j (x) f j (y) x y aiilla x, y R 2 ja j = 1, 2,..., n. Asetetaan n Φ(A) = f j (A), j=1 un A X eli un A R 2 on ompati osajouo. Kosa ompatien jouojen äärellinen yhdiste on ompati (Topologia I) on Φ(A) = n f j (A) j=1 ompati aiilla A X. Siis Φ(A) on uvaus X X. Väite. Φ on aito ontratio (X, d H ) (X, d H ) Todistus. Oloot A, B R 2 ompateja. Jos n z Φ(A) = f j (A), j=1 4 Heine-Borel: A R 2 ompati A suljettu ja rajoitettu
FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 49 niin z = f l (x) joillain x A ja l {1,..., n}. Oloon y B m.v. Tällöin f l (y) f l (B) Φ(B), joten dist(z, Φ(B)) f l (x) f l (y) x y missä < 1 ehdon ( ) nojalla. Siis ottamalla infimum muuttujan y B suhteen saadaan, että Kosa z Φ(A) mielivaltainen, on sup z Φ(A) Symmetrian perusteella pätee: Siispä sup z Φ(B) dist(z, Φ(B)) dist(x, B). dist(z, Φ(B)) sup dist(x, B) x A dist(z, Φ(A)) sup dist(y, A) y B d H (Φ(A), Φ(B)) d H (A, B) un A, B X, joten Φ on aito ontratio. Nyt Banachin iintopistelauseen metrisen version nojalla uvausella Φ on ysiäsitteinen iintopiste A X eli on olemassa ompati osajouo A R 2, jolle n A = Φ(A) = f j (A). j=1 Valitaan esimerisi ontratiot f j similariteeteisi eli f j (x) = r j O j (x) + b j, j = 1,..., n missä 0 < r j < 1, b j R 2 ja O j : R 2 R 2 join tason ierto origon ympäri. Tällöin saadaan auniita esimerejä frataaleista jouoista. Valitaan vaiapa similaariteetit f 1,..., f 4 : R 2 R 2 siten, että ne uvaavat ysiöjanan I = [0, 1] R 2 uten seuraavassa uvassa. f 2 (I) f 3 (I) f 1 (I) f 4 (I) Nämä similariteetit määräävät uvausen Φ uten yllä. Miä on tällöin vastaava invariantti jouo A, jolle Φ(A) = A?!
50 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Banachin iintopistelauseen todistusesta tiedämme, että iintopiste A saadaan iteroimalla uvausta Φ (esim. lähtien jouosta I X ). Nyt Φ 2 (I) = Φ(Φ(I)) näyttää tältä: Rajalla A = lim n Φ n (I) saa seuraavan muodon (Kochin lumihiutaleäyrä): Edellä oleva Banachin iintopistelauseen sovellus on peräisin J. E. Hutchinsonilta vuodelta 1981.