MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Samankaltaiset tiedostot
Harjoitusten 4 ratkaisut Topologiset vektoriavaruudet 2010

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Analyysi A. Harjoitustehtäviä lukuun 1 / kevät 2018

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 5 (6 sivua)

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

Kompaktissa joukossa jatkuva funktio K on rajoitettu, joten M =sup{ K(s, t) (s, t) [0, 1] 2 } <. Siksi jokaisella Af Hja t [0, 1] pätee

Matematiikan tukikurssi

8. Avoimen kuvauksen lause

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N,

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Funktionaalianalyysi Harjoitukset 1,

MATA172 Sami Yrjänheikki Harjoitus Totta vai Tarua? Lyhyt perustelu tai vastaesimerkki!

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 1, ratkaisut Maanantai

Äärettämän sarjan (tai vain sarjan) sanotaan suppenevan eli konvergoivan, jos raja-arvo lims

Mat Lineaarinen ohjelmointi

Tehtävä 1. Voidaanko seuraavat luvut esittää kahden neliön summina? Jos voidaan, niin kuinka monella eri tavalla? (i) n = 145 (ii) n = 770.

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Kompaktisuus ja filtterit

Täydellisyysaksiooman kertaus

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

7. Tasaisen rajoituksen periaate

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

= {x E x 1} {z K. z x } K = K E. B K (0, x )

Matematiikan tukikurssi. Kertausta 1. välikokeeseen. Tehtävät

( ) k 1 = a b. b 1) Binomikertoimen määritelmän mukaan yhtälön vasen puoli kertoo kuinka monta erilaista b-osajoukkoa on a-joukolla.

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

8. Avoimen kuvauksen lause

Kertaa tarvittaessa induktiota ja rekursiota koskevia tietoja.

Joukot metrisissä avaruuksissa

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

1 Eksponenttifunktion määritelmä

Kompaktisuus ja kompaktisointi

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

9. ORTOGONAALIPROJEKTIOT JA KANNAT HILBERTIN AVARUUDESSA 51

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 11

Määritelmä 2.5. Lause 2.6.

3 x < < 3 x < < x < < x < 9 2.

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuja viikolle 4. ( ) Jeremias Berg. n(n + 1) 2. k =

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 3B

Avaruuden R n aliavaruus

Tehtäviä neliöiden ei-negatiivisuudesta

Solmu 3/ toteutuu kaikilla u,v I ja λ ]0,1[. Se on aidosti konveksi, jos. f ( λu+(1 λ)v ) < λf(u)+(1 λ)f(v) (2)

TAMPEREEN YLIOPISTO Informaatiotieteiden yksikkö TOPOLOGIA

1. (Jatkoa Harjoitus 5A tehtävään 4). Monisteen esimerkin mukaan momenttimenetelmän. n ne(y i Y (n) ) = 2E(Y 1 Y (n) ).

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Ratkaisu: (i) Joukko A X on avoin jos kaikilla x A on olemassa r > 0 siten että B(x, r) A. Joukko B X on suljettu jos komplementti B c on avoin.

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

EX1 EX 2 EX =

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

Noora Nieminen. Hölderin epäyhtälö

Seuraavat peruslauseet 1-8 voidaan helposti todistaa integraalin määritelmästä. Integroimisjoukko R oletetaan rajoitetuksi Jordanmitalliseksi

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Kanta ja dimensio 1 / 23

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

Topologian demotehtäviä

Ryhmän osajoukon generoima aliryhmä ja vapaat ryhmät

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I

Bijektio. Voidaan päätellä, että kuvaus on bijektio, jos ja vain jos maalin jokaiselle alkiolle kuvautuu tasan yksi lähdön alkio.

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Metriset avaruudet 2017

Metristyvät topologiset avaruudet

2 Funktion derivaatta

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

Topologisten avaruuksien metristyvyys. Toni Annala

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

3 x < < 3 x < < x < < x < 9 2.

1. osa, ks. Solmu 2/ Kahden positiivisen luvun harmoninen, geometrinen, aritmeettinen ja + 1 u v 2 1

1 sup- ja inf-esimerkkejä

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Mitta- ja integraaliteoria 2 Harjoitus 1, Olkoon f : A! [0, 1] mitallinen ja m(a) < 1. Näytä, että josonp>1javakio M<1, joille

(ω, t) W t (ω) 1 2π(t s) exp x2

Insinöörimatematiikka IA

Epäyhtälöoppia matematiikkaolympialaisten tehtäviin

Laaja matematiikka 2 Kertaustehtäviä Viikko 17/ 2005

Fourier n sarjan suppeneminen

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Matematiikka tutuksi Harjoitus 2, malliratkaisut

3 Lukujonon raja-arvo

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Metriset avaruudet ja Topologia

Mathematicians are like Frenchmen: whatever you say to them they translate into their own language and forthwith it is something entirely

1 Supremum ja infimum

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

U β T. (1) U β T. (2) {,X} T. (3)

3 10 ei ole rationaaliluku.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Stokastiikan perusteet Harjoitukset 1 (Todennäköisyysavaruus, -mitta ja -funktio)

Transkriptio:

f ( ) JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO Harjoituste 3 ratkaisut MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Topologiset vektoriavaruudet 3.1. Jokaie kompakti joukko K R määrää fuktioavaruudessa E = C(R ) = {f : R R f o jatkuva} semiormi pk (f) = sup f(k) (= max f(k)). Nämä semiormit määräävät avaruutee E lokaalikoveksi topologia T. a) Oko T Hausdorff-topologia? b) Suppeeeko fuktiojoo f (x) = 1 ex topologiassa T? c) Oko olemassa E: ormi, joka ataisi topologia T, eli oko E ormeerautuva? (vihje: ei) a) O T 2. Riittää, että jokaie f E \ {0} voidaa erottaa origosta erillisi ympäristöi. Olkoo f 0. Jatkuvuude ojalla o olemassa luku ɛ > 0 ja kompakti väli K R, jolla f(x) > 3ɛ. Nyt B pk,0,ɛ B pk,f,ɛ =. b) Suppeee ollaa. Huomataa heti, että semipallot B = B pk,0,ɛ muodostavat origo ympäristökaa. Olkoo B = B pk,0,ɛ. Nyt p K (f ) = sup f(k) = sup K (ex ) 0, jote o olemassa 0 N site, että f B, ku 0. c) Ei ormeeraudu. Vastaoletus: Joki ormi ataa sama toplogia T. Silloi erityisesti ormi o jatkuva kuvaus, jote olla ympäristö alkukuvaa ormi yksikköpallo sisältää origo T ympäristö, joka puolestaa sisältää joki semipallo B = B pk,0,ɛ, koska semipallot B = B pk,0,ɛ muodostavat origo ympäristökaa. Silloi p K (f) < ɛ = f 1 ja siis p K (f) < ɛ = f 1, jote p K (f ) 0 = f 0 = f 0, mikä ei pidä paikkaasa. 3.2. Semiormit p (f) = sup 0 t 1 f () (t) ( = 0, 1, 2,... ) määräävät avaruutee E = C ([0, 1]) = {f : [0, 1] R f o äärettömä mota kertaa derivoituva} lokaalikoveksi topologia T. Ku f E, merkitää T f(x) = x 0 f(t) dt. T o siis lieaarikuvaus (eli operaattori eli trasformaatio) E E. a) Oko T jatkuva? b) Oko topologia T ormeerautuva? a) T o jatkuva. Kuvafuktio g = T f derivaatat ovat tieteki g = f, g = f,..., g () = f ( 1). Site kaikilla > 1 pätee p (T f) = p g = p 1 f, jote täytyy eää tutkia p 0. p 0 (T f) = sup x 0 f(t) dt sup f = p 0 (f). OK! b) Ei ormeeraudu. Idea o sama kui edellisessä tehtävässä. Vastaoletus: Joki ormi ataa sama toplogia T. Silloi erityisesti ormi o jatkuva kuvaus, jote olla ympäristö alkukuvaa ormi yksikköpallo B. sisältää origo T ympäristö, joka puolestaa sisältää joki semipalloje leikkaukse ja siis B. λ m i=1 B p i, ( 1 < 2 < < m ( N)). Toisi saoe jollaki µ > 0 pätee µ max 1 i m p i.

Toisaalta vastaoletettii, että yksiää virittää topologia, jolloi { } o jatkuvie semiormie kata ja o siis olemassa luku λ > 0 site, että p m+1 < λ. Yhdistämällä arviot saadaa p m+1 < λ λµ max 1 i m p i. Tämä huomaa mahdottomaksi keksimällä joo (f α ) α N, jolla p i (f α ) 0 kaikilla i = 1,..., m, ku α, mutta ei p m+1(f α ) 0. Sellaiseksi kelpaa esimerkiksi f α (x) = α m 1 si(αx), sillä f α () (x) = α m 1 r(x), missä r(x) o rajoitettu fuktio, jote p (f α ) = sup [0,1] f α () (x) 0, ku m ja α, mutta ei lähee ollaa, ku > m. Erityisesti p i (f α ) 0 kaikille i = 1,... m mutta ei p m+1(f α ) 0. 3.3. Olkoo E reaalikertoimie lokaalikoveksi avaruus ja A se koveksi osajoukko. Osoita, että A o suljettu, jos ja vai jos A joideki E: suljettuje puoliavaruuksie leikkaus. Koska suljettuje joukkoje leikkaus o koveksi, riittää tarkastaa ehdo välttämättömyys. Olkoo siis A koveksi ja suljettu. Komplemetti C = \A o avoi. Olkoo x C. O olemassa pistee x avoi ympäristö U, jolla U C. Koska E o lokaalikoveksi voidaa U valita koveksiksi. Koska E o reaalikertoimie, o Baachi erottelulausee ojalla olemassa jatkuva lieaarimuoto f ja luku α > 0 (Voidaa muute aia valita α = 1) site, että A H = {x E f(x) α} ja U H =, erityisesti x / H. Tästä väite seuraa. 3.4. a) Olkoo E bf ääretöulotteie ormiavaruus. Näytä, että ormikuvaus x x ei ole jatkuva E: heiko topologia suhtee eli heikosti jatkuva. (Heiko topologia määrääviä semiormeia ovat jatkuvie lieaarimuotoje itseisarvot eli kuvaukset x x, x, missä x E.) b) Etä oko ormi tässä topologiassa alhaalta puolijatkuva? Alhaalta puolijatkuvuudelle o riittävää olla jatkuvie kuvauste pisteittäie supremum. a) Jos ormi olisi jatkuva, ii olisi jatkuvie semiormie karakterisoii mukaa olemassa luku N ja jatkuvat semiormit, x i, (i=1,... ), joilla, x i. Tällöi i=1 x i=1 ker x i = x = 0 = x = 0, jote lieaarikuvaus T : E K : x ( x, x 1,..., x, x ) o ijektio, jote dim E dim R = <. b) Hahi ja Baachi lausee tuetu seuraukse mukaa x = siis supremum jatkuvista kuvauksista x, x sup x E \{0} x, x x, x x. 2

3.5. Olkoo (E, P ) lokaalikoveksi avaruus. Osoita, että E: joo (x ) N o Cauchyjoo, jos ja vai jos p P ja ɛ > 0 0 N s.e. q, r 0 = p(x q x r ) ɛ. Määritelmä mukaa joo (x ) o Cauchy topologisessa vektoriavaruudessa E, T jos ja vai jos vastaava alkeisfiltteri o Cauchy-filtteri, mikä puolestaa tarkoittaa, että kaikilla 0: ympäristöillä U U o olemassa luku 0 N site, että x x m U kaikilla, m 0. Tehtävä tilateessa (E, P ) o lokaalikoveksi avaruus, jote voi olettaa, että U o katajoukko ja muotoa U = λ p H U p, missä H P o äärellie joukko katasemiormeja. Yllä esitetty Cauchy-joo määritelmä kohta x x m U saa muodo x x m λ p H U p, eli p(x x m ) λ p H. 1) (vai jos) Jos joo o Cauchy ja p P ja ɛ > 0, ii valitaa H = {p} ja λ = ɛ, jolloi määritelmä ataa väittee. 2) (jos) Jos joo toteuttaa tehtävä ehdo ja U o muotoa U = λ p H U p, missä H P o äärellie, ii valitaa kulleki p H luku p site, että p(x x m ) λ, m p. Ku, m 0 = max{ p p H}, ii siis p(x x m ) λ, m p eli x λ p H U p. 3.6. Olkoo E = i I E i topologiste vektoriavaruuksie tuloavaruus (tulotopologia!) ja π i : E E i siihe liityvä projektio (i I). Osoita, a) että F o Cauchy filtteri E:ssä tasa silloi, ku jokaie π(f) E i o Cauchy filtteri E i :ssä ja b) että E o täydellie aia ja vai, ku jokaie E i o täydellie. Jos äärettömä moe avaruude tulotopologia ei ole tuttu, voit olettaa, että I = {1, 2} eli tarkastella kahde avaruude tuloa. a) Tulotopologia o hieoi topologia, jossa kaikki projektiokuvaukset π i : E = i I E i E i : x x i ovat jatkuvia. Tieteki e ovat lieaarisia surjektioita, jote kaattaaki todistaa hiema yleisempi tulos, joka mukaa topologise vektoriavaruude E Cauchy-filtteri F kuva jatkuvassa lieaarisessa kuvauksessa T : E F o Cauchy-filtteri. Muistetaa, että missä tahasa kuvauksessa filtterii kuuluvie joukkoje kuvat muodostavat filtterikaa, joka virittämää filtteriä saotaa alkuiperäise kuvafiltteriksi. Surjektio ataa suoraa kuvafiltteri. Tarkastamme sille Cauchy-ehdo. Olkoo siis U U F. Koska T 1 U U E, o olemassa M F, jolla M M T 1 U, jolloi T (M) kuuluu filtteri kuvaa ja T (M) T (M) = T (M M) T (T 1 U) U. Oletetaa seuraavaksi, että jokaie π i (F) o Cauchy. Olkoo U U E tulotopologiassa. Voimme olettaa, että U o katajoukko eli muotoa U = U j E i, j J missä J o äärellie ja U j U Ei. Valitaa kullaki j J joukko M j π j (F), jolla M j M j U j. Kuvafiltteri määritelmä mukaa M j π j (N j ) jolleki N j F. (Surjektiivisuude vuoksi voisi vaatia jopa M j = π j (N j ).) Valitaa N = N j E i. j J i I\J i I\J 3

Tällöi tieteki N +N U, jote o eää äytettävä, että N F. Huomataa, että N = j J π 1 (M j ) = j J π 1 (π(n j )) = N j J N j ja muisteaa, että N j F ja että filtteri sisältää joukkojesa äärelliset leikkaukset ja ylijoukot. Selvä! b) Avaruude E täydellisyys tarkoittaa, että jokaie se Cauchy-filtteri F suppeee eli että sille o olemassa x E, jolle F U x (= x + U 0 ). Olkoo esi jokaie E i täydellie ja F Cauchy filtteri tuloavaruudessa E. a) kohda mukaa kuvafiltterit F i = π i (F) ovat Cauchy-filttereitä, siis oletukse mukaa suppeevia: F i U xi joilleki x i E i. Verifioidaa, että F x eli F U x = x+u 0,E, missä x = (x i ) i I E : Olkoo U U x E = E = i I E i. Voimme olettaa, että U o katajoukko eli muotoa U = x + U j E i = x + π 1 U j, j J i I\J j J missä J o äärellie ja U j U 0,Ei. Kullaki j J o U j F j = π j (F), jote π 1 U j F ja siis j J π 1 U j F, jote U x + F. Olkoo sitte tuloavaruus E = i I E i täydellie, ja F j Cauchy filtteri avaruudessa E j jollai j I. Olkoo kaikilla i j F i = U Ei ja olkoo F avaruude E filtteri, joka kataa ovat joukot N i = π 1 M i, i I, M i F i. (Tätä voisi varmaa saoa filtterie tuloksi.) Tämä o a) kohda perusteella Cauchy, sillä π i (F) = F i kaikilla i I ja sekä tutkittava F j että jokaie ympäristöfiltteri U Ei ovat suppeevia, siis Cauchy. Oletukse mukaa siis F suppeee eli F x+u E jolleki x = (x i) i I E. Osoitetaa lopuksi, että F j x j eli F j x j + U Ej. Olkoo x j + U j x j + U ej. Nyt x + π 1 j (U) x + U E F. Siis x j + U Ej jote x j + U Ej F j, ja siis x j + U Ej F j. 3.7. Olkoo π j (x + π 1 j (U)) π j (F) = F j, E = {f C[0, 1] ɛ f > 0 site, että f(t) = 0 0 t ɛ(f)} varustettua ormilla f = sup f. a) Oko joukko {T = f E f( 1 ) 1 N } tyyri? b) Etä oko se origo ympäristö? a) Joukko o mitä absorboiva, sillä jos f E, ii valitaa ɛ = max{ N 1 ɛ}, jolloi λf T aiaki silloi, ku λ 1 ɛ ( max 1 ɛ f( 1 ) ) 1. Joukko T o selvästiki balasoitu ja koveksi. Se o myös suljettu (ja siis tyyri), koska se komplemetti o avoi; olkoo imittäi f E \ T. Silloi o olemassa N, jolla f() > 1. Valitaa r = ( f() 1 ). Silloi avoi pallo B(f, r) = {g E f g < r sisältyy komplemettii ET. Joukko T ei ole origo ympäristö. Muute se sisältäisi joki pallo B(0, 1 ), mutta eipä sisällä. Vastaesimerkiksi kelpaa mikä tahasa sellaie jatkuva, kasvava fuktio, joka o vakio 0 välillä [0, 1 ] ja vakio 1 välillä [ 1, 1]. 2 2 4

Olemme siis huomaeet, että tutkittava ormiavaruus E ei ole tyyriavaruus. Koska ormiavaruus o merisoitruva ja lokaalikoveksi, seuraa tyyrilauseesta, että E ei voi olla täydellie. 3.8. Esimekki lokaalikoveksi avaruude osajoukosta, joka o jootäydellie, mutta ei täydellie: E = F([0, 1], R) = R [0,1] = {kaikki fuktiot [0, 1] R. Pistesuppeemise topologis, eli semiormit p x = f(x). M = {f E f(x) 0 vai eitää umeroituva moella x [0, 1]. Ratkaisu esi viikolla 3.9. Lisätehtävä jos ehditääja halutaa. Olkoo K R kompakti joukko. Avaruudessa otetaa käyttöö semiormit E = C c (K) = {f : R R f C, supp f K} q α (f) = sup x K ( ) α f(x) x, missä ( x) α f(x) o multi-ideksiä α N vastaava (korkeammaasteie) osittaisderivaatta. Merkitää Q = {q α α N }. Osoita, että (E, Q) o Fréchet avaruus. Ohjeita: Tyydy tilateesee R = R, jos et halua käsitellä moiulotteista tapausta multi-idekseiee. Asiaa ei tule oleellisia eroja. Voit joko osoittaa suoraa, että E o lokaalikoveksi, metrisoituva ja (joo(!)-)täydellie tai sitte tarkastaa, että E o tuetu avaruude C (R ) = {f : R R f C, supp f K} suljettu aliavaruus. Avaruude C (R ) stadarditopologia eli derivaattoje kompakti kovergessi topologia määräävät semiormit p,k (f) = sup x K f(x) tai yhtä lailla ormit f m,k = sup m sup x K f(x), missä K käy läpi kompaktit reaalilukujoukot ja m luoolliset luvut. Tässä topologiassa C o metrisoituva ja täydellie tämä voi olla tuttua aalyysistä.) Ratkaistaa aikaisitaa esi vikolla. 5