Funktionaalianalyysi. että näiden laajennusten joukossa on maksimaalinen laajennus. Työläin kohta todistuksessa

Samankaltaiset tiedostot
Zornin lemman nojalla joukossa E on siis maksimaalinen alkio (G, g). Kun näytetään, että G = E, niin väite on todistettu (L := g kelpaa).

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt, sl Ari Lehtonen

0 (Ω) ovat Hilbertin avaruuksia, joissa sisätulo on

arvoja. Niiden muodostamaa joukkoa kutsutaan T resolventtijoukoksi ja merkitään

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

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

f(x) sin k x dx, c k = 1

Harjoitusten 4 ratkaisut Topologiset vektoriavaruudet 2010

9. Dualiteetti. Todistus. Väite seuraa suoraan Lauseesta 6.6, koska skalaarikunta K on täydellinen.

8. Avoimen kuvauksen lause

7. Tasaisen rajoituksen periaate

Konvergenssilauseita

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

6. Lineaariset operaattorit

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

on Hilbertin avaruus, jonka normin määrää sisätulo (f g) 1,2 = (f g) 2 + (f g ) 2, missä ( ) 2 on L 2 (0, 1):n tavallinen sisätulo.

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

Helsingin Yliopisto, Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Luennot, kevät 2006 ja kevät Kari Astala ja Petteri Piiroinen (v.

FUNKTIONAALIANALYYSI 2017

8. Avoimen kuvauksen lause

1 Lineaarialgebraa Vektoriavaruus Lineaarikuvaus Zornin lemma ja Hamelin kanta... 10

Määritelmä 2.5. Lause 2.6.

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Täydellisyysaksiooman kertaus

f(k)e ikx = lim S n (f; x) kaikilla x?

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Lebesguen mitta ja integraali

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 7

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

4. Hilbertin avaruudet

2. Normi ja normiavaruus

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 );

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

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 );

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

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

Avaruuden R n aliavaruus

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS

B k := on tiheä G δ -joukko.

Analyysin peruslause

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

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

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

1 Tensoriavaruuksista..

Merkitään vaiheessa s jäljellä olevien suljettujen välien yhdistettä

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

Metriset avaruudet. Erno Kauranen. 1 Versio: 10. lokakuuta 2016, 00:00

Kanta ja dimensio 1 / 23

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

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

u 2 dx, u A f siten, että D(u) = inf D(U). Tarkemmin: Tarkoitus on osoittaa seuraavat minimointitehtävä ja Dirichlet n tehtävä u A f ja

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

3 Lukujonon raja-arvo

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

HILBERTIN AVARUUKSISTA

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

(1.1) Ae j = a k,j e k.

Joukot metrisissä avaruuksissa

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

Epäyhtälöt ovat yksi matemaatikon voimakkaimmista

3 Lukujonon raja-arvo

Reaalianalyysin perusteita

Funktiojonon tasainen suppeneminen

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

14. Juurikunnat Määritelmä ja olemassaolo.

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

2 Konveksisuus ja ratkaisun olemassaolo

r 1 Kuva 1. Cantorin joukon ensimmäiset sukupolvet. Merkitään vaiheessa s jäljellä olevien suljettujen välien yhdistettä s=1

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Onko kuvaukset injektioita? Ovatko ne surjektioita? Bijektioita?

Lineaarialgebra II P

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 );

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Hilbertin avaruudet, 5op Hilbert spaces, 5 cr

SUORAVIIVAISTA AJATTELUA OSA III TOPOLOGISET VEKTORIAVARUUDET JA DISTRIBUUTIOT

Helsingin Yliopisto, Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Luennot, kevät Kari Astala ja Petteri Piiroinen

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

6 Vektoriavaruus R n. 6.1 Lineaarikombinaatio

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Kompaktisuus ja filtterit

4. Martingaalit ja lokaalit martingaalit

Taustatietoja ja perusteita

Metriset avaruudet 2017

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

x > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y.

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

Transkriptio:

f ( n) Funktionaalianalyysi n H. Hahnin ja Banachin sublineaarikuvauslause Määritelmä H.1. Olkoon E vektoriavaruus. Kuvaus p: E R on sublineaarinen, jos a) p(λx) = λp(x) kaikille λ 0, x E, b) p(x + y) p(x) + p(y) kaikille x, y E. Esimerkki H.2. a) Vektoriavaruuden E seminormi on sublineaarinen kuvaus. b) Reaalisen vektoriavaruuden E lineaarimuoto on sublineaarinen kuvaus. c) Olkoon l rajoitettujen reaalisten lukujonojen (x k ) k=1 muodostama vektoriavaruus. Tällöin kuvaus (x k ) k=1 lim sup k x k on sublineaarinen. Rajoitetuille kompleksisille lukujonoille kuvaus (x k ) k=1 lim sup k Re x k on sublineaarinen. d) Olkoot E ja F reaalisia vektoriavaruuksia, T : E F lineaarikuvaus ja p: F R sublineaarinen. Tällöin p T : E R on sublineaarinen. Lause H.3 (Hahn ja Banach). Olkoot E reaalinen vektoriavaruus, F E vektorialiavaruus, p: E R sublineaarikuvaus ja l: F R lineaarikuvaus siten, että l(y) p(y) kaikille y F. Tällöin on olemassa lineaarikuvaus L: E R siten, että L F = l ja L(x) p(x) kaikille x E. Todistuksen ideana on tarkastella kaikkia niitä f:n laajennuksia johonkin E aliavaruuteen, jotka toteuttavat vaaditun epäyhtälön. Zornin lemman avulla näytetään, että näiden laajennusten joukossa on maksimaalinen laajennus. Työläin kohta todistuksessa on näyttää, että maksimaalinen laajennus on määritelty koko E:ssä. Todistuksen tätä kohtaa voidaan separoituvan normiavaruuden tapauksessa käyttää muokkaamaan todistuksesta konstruktiivisen (s.o. sellaisen, missä Zornin lemmaa ei tarvita). Jos F E, x 1 E \ F, F 1 = F x 1 ja l 1 : F 1 R on l:n jokin lineaarinen laajennus, niin l 1 (x + λx 1 ) = l 1 (x) + λl 1 (x 1 ) = l(x) + λc, kaikille x F ja λ R, missä c = l 1 (x 1 ) R. Lauseessa kaivattua laajennusta varten tarvitaan lisäksi ehto l(x) + λc p(x + λx 1 ), kaikille x F ja λ R. Todistus. Olkoon E kaikkien parien (V, h) joukko, missä V on E:n vektorialiavaruus siten, että V F, ja h: V R on lineaarikuvaus siten, että h F = l ja h(v) p(v) kaikille v V. Määritellään joukkoon E järjestys asettamalla (V 1, h 1 ) (V 2, h 2 ), jos V 1 V 2 ja h 2 V1 = h 1. Tällöin jokaisella E:n osaketjulla on yläraja E:ssä. Nimittäin, jos {(V α, h α ) α A} on E:n osaketju, niin sen yläraja on (V, h ), missä V = α A V α ja h (x) = h α (x), kun x V α. Zornin lemman nojalla joukossa E on siis maksimaalinen alkio (G, g). Kun näytetään, että G = E, niin väite on todistettu (L = g kelpaa). Tehdään antiteesi: G E. Tällöin on olemassa y 1 E siten, että y 1 G. Olkoon G 1 G:n ja y 1 :n virittämä vektorialiavaruus, G 1 = G {y 1 } = G y 1 (summa on suora, koska y 1 G). Jokainen x G 1 on tällöin muotoa x = y + λy 1, missä y G ja λ R. Määritellään 1

2 lineaarikuvaus g 1 : G 1 R asettamalla g 1 (y + λy 1 ) = g(y) + λc, missä c R valitaan seuraavasti: Selvästi g 1 on g:n laajennus. Jotta (G 1, g 1 ) E, on oltava (1) g 1 (y + λy 1 ) = g(y) + λc p(y + λy 1 ) kaikille λ R ja y G. Osoitetaan, että tämän ehdon toteuttava luku c on olemassa. Kun tämä on osoitettu, saadaan (G 1, g 1 ) E sekä lisäksi (G, g) (G 1, g 1 ) ja G G 1, mikä on ristiriidassa alkion (G, g) maksimaalisuuden kanssa, joten väite seuraa. Luvun c valintaa varten havaitaan aluksi, että kaikilla x, y G on p:n sublineaarisuuden nojalla voimassa Siis g(y) g(x) = g(y x) p(y x) p(y + y 1 ) + p( y 1 x). Tästä seuraa, että luvuille p( y 1 x) g(x) p(y + y 1 ) g(y). A = sup( p( y 1 x) g(x)) ja B = inf (p(y + y 1) g(y)) x G y G pätee A B. Valitaan c R siten, että A c B. Tällöin (2) (3) c p(y + y 1 ) g(y) kaikille y G ja p( y 1 y) g(y) c kaikille y G. Sijoitetaan epäyhtälöön (2) y:n tilalle y/λ, missä λ > 0, ja kerrotaan epäyhtälö puolittain luvulla λ. Tällöin saadaan (4) λc λp(y/λ + y 1 ) λg(y/λ) = p(y + λy 1 ) g(y). Vastaavasti, kun sijoitetaan epäyhtälöön (3) y:n tilalle y/λ, missä λ < 0, ja kerrotaan epäyhtälö puolittain luvulla λ, päädytään samaan epäyhtälöön (4). Huomaa, että sublineaarisuusehdosta saadaan negatiivisille luvuille λ epäyhtälö p(λx) = p(( λ)( x)) ( λ)p( x) eli p(λx) λp( x). Koska epäyhtälö (4) pätee myös, kun λ = 0, toteuttaa näin valittu luku c alunperin vaaaditun epäyhtälön. Huomautus H.4. Edellinen todistus löytyy jo Banachilta [2, II.2]. Oleellisesti samaa todistustapaa on käytetty kirjoissa [3, I.1], [9, 4.8], [11, Theorem 14.9], [12, II.6], [16, III.3] (tässä näytetään, että p on konveksi riittää), [18, Theorem 3.2], [19, Theorem 5.16], [20, Théorème II.1], [22, III.1] ja [23, IV.1]. Rudinin kirjassa [19, Theorem 5.16] osoitetaan suoraan jäljempänä oleva seuraus H.7, vaikka esitetty todistus onkin lähinnä sama kuin tässä esitetyt todistukset tiivistettynä k.o. lausetta varten. Seuraus H.5 (Hahn ja Banach). Olkoot (E, ) R-normiavaruus, F E aliavaruus ja f : F R R-lineaarinen kuvaus, jolle f(x) x kaikille x F. Tällöin on olemassa R-lineaarinen kuvaus g : E R siten, että g(x) = f(x) kaikille x F ja g(x) x kaikille x E.

Todistus. Asetetaan p: E R, p(x) = x. Edellisen lauseen nojalla on olemassa lineaarimuoto g : E R siten, että g F = f ja g(x) x kaikille x E. Tällöin g(x) = g( x) x = x, joten g(x) x kaikille x E. Seuraava lemma selvittää, mikä yhteys on C-lineaarisella kuvauksella ja sen reaaliosalla. Muistettakoon, että C-vektoriavaruuden E kuvaus f on C-lineaarinen, jos f(x + y) = f(x) + f(y) ja f(λx) = λf(x) kaikille x, y E ja λ C. Vastaavasti f on R-lineaarinen, jos edellinen pätee kaikille x, y E ja λ R. Selvästi jokainen C-lineaarinen kuvaus on R-lineaarinen, mutta ei kääntäen. Esimerkiksi c: z = x + iy z = x iy, C C, on R-lineaarinen, mutta ei C-lineaarinen. Samoin r : z = x + iy x, C R, on R-lineaarinen, mutta ei C-lineaarinen. Sen sijaan h: z = x + iy z = x + iy, C C, on C-lineaarinen. Tälle kuvaukselle on Re h: z = x + iy Re z = x = r(z). Tässä r(z) ir(iz) = x i Re(ix y) = x i( y) = x + iy = z = h(z). Harjoitustehtäväksi jää osoittaa, että tämä r:n ja h:n välinen yhteys pätee yleisesti. Lemma H.6. Olkoon E C-vektoriavaruus. a) Olkoot f : E R R-lineaarinen kuvaus ja f(x) := f(x) if(ix), kun x E. Tällöin f : E C on C-lineaarinen ja Re f = f. b) Jos h: E C on C-lineaarinen kuvaus, f := Re h ja f määritellään kuten edellisessä kohdassa, niin f = h. c) Olkoot p: E R seminormi ja f : E C C-lineaarinen kuvaus. Tällöin f(x) p(x) kaikille x E Re f(x) p(x) kaikille x E. d) Jos (E, ) on normiavaruus ja f : E C jatkuva C-lineaarikuvaus, niin f = Re f. Seuraus H.7 (Bohnenblust, Sobczyk ja Suhomlinov). Olkoot (E, ) C-normiavaruus, F E aliavaruus ja f : F C C-lineaarinen kuvaus, jolle f(x) x kaikille x F. Tällöin on olemassa C-lineaarinen kuvaus g : E C siten, että g(x) = f(x) kaikille x F ja g(x) x kaikille x E. Todistus. Asetetaan f 1 = Re f. Edellisen seurauksen nojalla on olemassa R-lineaarinen kuvaus g 1 : E R siten, että g 1 F = f 1 ja g 1 (x) x kaikille x E. Asetetaan g(x) := g 1 (x) ig 1 (ix), kun x E. Edellisen lemman nojalla tällä kuvauksella on halutut ominaisuudet. Seuraus H.8. Olkoot (E, ) normiavaruus, F E aliavaruus ja x 0 F siten, että δ := d(x 0, F ) := inf{ x 0 x x F } > 0. 3

4 Tällöin on olemassa f E siten, että f = 1, f(x 0 ) = δ ja f(x) = 0 kaikille x F. Todistus. Tarkastellaan F :n ja x 0 :n virittämää aliavaruutta G = F {x 0 } = F x 0 (summa on suora, koska x 0 F ). Tällöin jokaisella z G on yksikäsitteinen esitys z = x + λx 0, missä x F ja λ K. Asetetaan g : G K, g(x + λx 0 ) = λδ. Osoitetaan, että tällä kuvauksella on aliavaruudessa G halutut ominaisuudet. Kaivattu f E löydetään Hahnin ja Banachin lauseen avulla. Selvästi g : G K on lineaarinen ja ker g = F. Lisäksi g(x 0 ) = δ. Kun λ 0 ja x F, on δ:n määritelmän nojalla x + λx 0 = λ λ 1 x + x 0 λ δ = g(x + λx 0 ). Siis g 1, joten g G. Olkoon (x n ) n=1 F siten, että x 0 x n δ. Tällöin g(x n ) = 0, joten δ = g(x 0 ) g(x n ) = g(x 0 x n ) g x 0 x n g δ. Siis g = 1. Seuraus H.9. Olkoot (E, ) normiavaruus ja x E \ {0}. Tällöin on olemassa f E siten, että f = 1, ja f(x) = x. Todistus. Sovelletaan edellistä seurausta aliavaruuteen F = {0}. Seuraus H.10. Olkoot (E, ) normiavaruus ja x E. Tällöin x = sup{ f(x) f E, f 1}. Olkoon (E, ) normiavaruus. Kun f E on kiinteä, on kuvaus x f(x), E K, lineaarinen. Vastaavasti, kun x E on kiinteä, on kuvaus f f(x), E K, lineaarinen. Koska f(x) f x, on kumpikin e.m. kuvauksista jatkuva. Erityisesti siis jälkimmäinen kuvaus on jatkuva lineaarikuvaus E K eli se on biduaalin (E ) = E alkio. Asetetaan (5) j = j E : E E, (j(x))(f) = f(x). Edellisen seurauksen tulos voidaan nyt ilmaista muodossa: j(x) = x kaikille x E, joten j : E E on lineaarinen isometria. Kuvaus j on siis lineaarinen isometrinen bijektio kuvajoukolleen j(e) E, joten normiavaruus E voidaan ajatella upotetuksi biduaaliinsa E. Koska biduaali E on normiavaruuden E duaaliavaruutena täydellinen, saadaan seuraava Lause H.11. Olkoon (E, ) normiavaruus. Tällöin on olemassa Banachin avaruus Ẽ siten, että E Ẽ, ja että E on tiheä Ẽ:ssä. Banachin avaruus Ẽ on E:n täydentymä. Todistus. Edellä olleen perusteella j : E E on lineaarinen isometria Banachin avaruuteen E. Kuvajoukon sulkeuma j(e) on tällöin Banachin avaruuden E suljettuna aliavaruutena Banachin avaruus. Normiavaruus E on isometrisesti isomorfinen kuvajoukkonsa j(e) kanssa, joten ne on luonnolista samaistaa keskenään. Tällöin E = j(e) on tiheä Banachin avaruuden j(e) =: Ẽ aliavaruus. Määritelmä H.12. Normiavaruus (E, ) on refleksiivinen, jos kuvaus j E : E E on surjektio.

Huomautus H.13. Edellisen perusteella refleksiiviselle avaruudelle E on siis kuvaus j : E E isometrinen isomorfismi ja erityisesti E itse on Banachin avaruus. Mutta jos E ja E ovat isometrisesti isomorfiset keskenään, ei E välttämättä ole refleksiivinen; ks. [22, Aufgabe I.4.8]. Määritelmä H.14. Olkoot E ja F normiavaruuksia sekä T B(E, F ). Operaattorin T transpoosi eli duaalikuvaus on lineaarikuvaus T t : F E, f f T. Lause H.15. Olkoot E ja F normiavaruuksia sekä T B(E, F ). Tällöin T :n transpoosi on jatkuva ja T t = T. Todistus. Tranpoosin jatkuvuus: (T t f)(x) = f(t x) f T x f T x T t f f T ja siis T t T. Käänteistä epäyhtälöä varten tarvitaan seurausta H.10: Siis T T t. T x = sup f B f(t x) = sup f B (T t f)(x) joten sup f B T t f x = x sup f B T t f = x T t. Määritelmä H.16. Olkoon E normiavaruus. Joukko A E on heikosti rajoitettu, jos sup f(x) < kaikille f E. x A Lause H.17. Normiavaruuden E osajoukko A on heikosti rajoitettu, jos ja vain jos se on rajoitettu. Todistus. Rajoitettu joukko on selvästi heikosti rajoitettu. Olkoon A heikosti rajoitettu. Sovelletaan tasaisen rajoituksen periaatetta lineaarikuvausperheeseen H = {f f(x) x A} B(E, K). Oletuksen mukaan perhe H on pisteittäin rajoitettu, joten lauseen [13, 19.9] ja huomautuksen [13, 19.8] nojalla on olemassa M R siten, että f(x) M f kaikille x A ja kaikille f E. Väite saadaan nyt seurauksesta H.10: x M kaikille x A. Määritelmä H.18. Olkoot E normiavaruus ja (x n ) n=1 E. Jono (x n ) n suppenee heikosti kohti vektoria x E, merkitään x k x, jos f(x n ) f(x) kaikille f E. Lause H.19. Hilbertin avaruuden l 2 rajoitetulla jonolla (x n ) n=1 on heikosti suppeneva osajono. 5

6 Todistus. Voidaan olettaa, että x n 2 1 kaikille n N. Olkoon x n = (x n,k ) k=1. Tällöin (x n,k ) n=1 K on rajoitettu lukujono kaikille k N. Bolzanon ja Weierstrassin lauseen nojalla jonolla (x n,1 ) n=1 on suppeneva osajono (x nj,1) j=1. Diagonaalimenetelmällä löydetään osajono (n j ) j=1 siten, että (x nj,k) j=1 suppenee kaikille k N. Olkoon x k = lim j x nj,k ja x = (x 1, x 2,...). Kaikille N N on N k=1 x n j,k 2 x nj 2 1, joten N k=1 x k 2 = lim N j k=1 x n j,k 2 1. Siis k=1 x k 2 1, joten x l 2. Tällöin (x nj e k ) (x e k ) kaikille k N, joten (x nj y) (x y) kaikille y {e k k N}. Koska {e k k N} on tiheä l 2 :ssa ja jono ( x nj ) j=1 on rajoitettu, on (x nj y) (x y) kaikille y l 2. Väite seuraa Fréchet n ja Rieszin esityslauseesta. Lause H.20. Olkoon E normivaruus siten, että sen duaali E on separoituva. Tällöin E on separoituva. Todistus. Kun E on separoituva, on myös S E = {x E x = 1} separoituva. Olkoon {x n n N} tiheä S E :ssä. Valitaan x n S E siten, että x n(x n ) 1. 2 Osoitetaan, että U = {x n n N} on tiheä E:ssä. Olkoon x E siten, että x U = 0. Jos x 0, niin voidaan olettaa, että x = 1. Valitaan x j S E siten, että x x j 1. Tällöin 4 1 2 x j(x j ) = x j(x j ) x (x j ) x x j x j 1. 4 Siis on oltava x = 0, joten U on tiheä E:ssä. Lause H.21. Refleksiivinen Banachin avaruus on separoituva, jos ja vain jos sen duaali on separoituva. Lause H.22. Refleksiivisen Banachin avaruuden E rajoitetulla jonolla (x n ) n=1 on heikosti suppeneva osajono. Todistus. Olkoon x n M kaikille n N. Oletetaan aluksi, että E on separoituva. Tällöin myös E on separoituva. Olkoon {x n n N} tiheä E :ssä. Diagonaalimenetelmällä löydetään osajono (n j ) j=1 siten, että jono (x k (x n j )) j=1 suppenee kaikille k N. Osoitetaan, että jono (x (x nj )) j=1 suppenee kaikille x E. Olkoot x E ja ε > 0. Valitaan k N siten, että x x k ε. Tällöin x (x nj ) x (x ni ) 2M x x k + x k(x nj ) x k(x ni ) (2M + 1)ε, kun j ja i ovat riittävän suuria. Siis jono (x (x nj )) j=1 on Cauchyn jono, joten se suppenee. Tarkastellaan lineaarikuvausta Nyt l: E K, x lim j x (x nj ). l(x ) = lim j x (x nj ) lim j x x nj M x. Siis l E. Koska E on refleksiivinen, on olemassa x E siten, että l = j E (x), t.s. l(x ) = x (x) kaikille x E. Siis lim j x (x nj ) = x (x) kaikille x E. Tämä tarkoittaa, että jono (x nj ) j=1 suppenee heikosti kohti vektoria x.

Yleisessä tapauksessa olkoon E 0 = {x n n N}. Tällöin E 0 on separoituva ja refleksiivinen, ks. [13, Lause 24.3]. Edellä todistetun perusteella on olemassa osajono (x nj ) j=1 ja x E 0 siten, että lim j x (x nj ) = x (x) kaikille x E0. Olkoon x E. Tällöin x E0 E0, joten lim j x (x nj ) = x (x). Tämä tarkoittaa, että osajono (x nj ) j=1 suppenee heikosti kohti vektoria x. Huomautus H.23. Hanhin ja Banachin lauseille löytyy kirjallisuudesta erilaisia sovelluksia. Tässä muutamia: Normiavaruuksien duaaliavaruuksien karakterisoimien [2, IV.4], [17, No. 35, 36, 52 ja 87], [23, IV.9]. Äärellisesti additiivisen mitan ongelma: [2, II.3] ja [11, Ex. 20.39 20.40]. Poissonin integraali ja maksimiperiaate polynomeille [19, 5.22 5.25] (jälkimmäisen osalta vrt. [21, Lemma 3.119]). Konveksien joukkojen erottelu hypertasoilla: Esitettynä edellisten lauseiden sovelluksena ks. [3, I.2], [12, II.6], [22, III.2] ja [23, IV.6]. Muista poiketen luentomonisteessa [13, VI.20, VI.21] Hanhin ja Banachin lauseet on esitetty näiden erottelulauseiden seurauksena. Laplacen yhtälön Greenin funktion olemassaolo: [9, 4.9]. Momenttiongelma ( millä ehdolla on olemassa mitta µ siten, että t j dµ(t) = α j j N ): [2, IV.7], [17, No. 53], [23, IV.5] ja [22, Satz III.1.13 ja s. 131]. I. Harjoitustehtäviä I.1. Todista lemma H.6. [Vihje: Kohdan c) implikaatiota = varten esitä f(x) muodossa f(x) = λ f(x), missä λ C siten, että λ = 1.] I.2. (Eräs momenttiongelma.) Olkoot (E, ) normiavaruus, c k K ja x k E lineaarisesti riippumattomia, kun k N. Osoita, että seuraavat ehdot ovat keskenään yhtäpitäviä: (i) On olemassa f E siten, että f(x k ) = c k kaikille k N. (ii) On olemassa M R siten, että kaikille äärellisille osajoukoille I N ja kaikille λ k K, k I, pätee. λ k c k M λ k x k k I [Vihje: Kohdassa (ii) = (i) aseta g : {x k k N} K, g ( k I λ kx k ) = k I λ kc k.] I.3. (Jatkoa.) Olkoot E = C([0, 1], K) varustettuna sup-normilla, c k K ja x k (t) = t k, kun k N. Anna riittävä ehto sille, että on olemassa f (C([0, 1], K)) siten, että f(x k ) = c k kaikille k N. Miten löydät Borel-mitan µ siten, että [0,1] tk dµ(t) = c k kaikille k N? I.4. Olkoot (E, ) normiavaruus, F E aliavaruus ja f F. Osoita, että on olemassa g E siten, että g F = f ja g = f. I.5. Osoita, että kuvaus T : l 1 (l ), (T x)(y) = n=1 x ny n, kun x = (x n ) n l 1 ja y = (y n ) n l, on lineaarinen isometria, mutta ei surjektio. [Vihje: Laajenna lim c, (x n ) n lim n x n, lineaarimuodoksi f (l ) ; näytä, että f T (l 1 ).] k I 7

8 Viitteet [1] Tom M. Apostol, Mathematical analysis, 2nd edition, 5th printing, Addison Wesley, 1981; ensimmäinen laitos 1957. [2] Stefan Banach, Theory of Linear Operations, North Holland Mathematical Library, 1987; alunperin Théorie des operations linéares, Monografie Matematyczne 1, Warszawa, 1932. [3] Haïm Brezis, Analyse fonctionelle. Théorie et applications, 2 e tirage, Collection mathématiques appliqueés pour la maîtrise, Masson, 1987. [4] Richard Courant und David Hilbert, Methoden der Mathematischen Physik Band I, Dritte Auflage, Heidelberger Taschenbücher 30, Springer-Verlag, 1968; Erste Auflage, 1924; Band II, Zweite Auflage, Heidelberger Taschenbücher 31, Springer-Verlag, 1968; Erste Auflage, 1937. [5] Ingrid Daubechies, Ten Lectures on Wavelets, Third printing, CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics 61, SIAM, 1994. [6] Jean Dieudonné, Foundations of Modern Analysis, Third (enlarged and corrected) printing, Academic Press, 1969; alunperin Fondements de l Analyse Moderne, Gauthier Villars, 1960. [7] Jean Dieudonné, Infinitesimal Calculus, Hermann, Paris 1971; alunperin Calcul infinitésimal, Hermann, Paris 1968. [8] Gerald B. Folland, Introduction to partial differential equations, Mathematical Notes, Princeton University Press, 1976. [9] Avner Friedman, Foundations of Modern Analysis, Dover Publications, Inc., 1982; alunperin Holt-Rinehart-Winston, 1970. [10] Werner Greub, Lineare Algebra, Heidelberger Taschenbücher Band 179, Springer-Verlag, 1976; alunperin Grundlehren der mathematischen Wissenschaften Band 97, 1958. [11] Edwin Hewitt and Karl Stromberg, Real and Abstract Analysis. A Modern Treatment of the Theory of Functions of a Real Variable, Third printing, Graduate Texts in Mathematics 25, Springer-Verlag, 1975. [12] Friedrich Hirzebruch und Winfried Scharlau, Einführung in die Funktionalanalysis, Hochschultaschenbücher Band 296, Bibliographisches Institut, Mannheim, 1971. [13] Lauri Kahanpää, Funktionaalianalyysi. Suoraviivaista ajattelua osa II, Jyväskylän yliopisto, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, luentomoniste 51, 2004. [14] Yitzhak Katznelson, An Introduction to Harmonic Analysis, Dover Publications, Inc., 1976; alunperin John Wiley & Sons Inc., 1968. [15] A. Langenbach, Vorlesungen zur höheren Analysis, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1984. [16] Michael Reed and Barry Simon, Methods of Modern Mathematical Physics I: Functional Analysis, Academic Press, 1972; II: Fourier Analysis, Self-Adjointness, 1975. [17] Frigyes Riesz and Béla Sz.-Nagy, Functional Analysis, Dover Publications, Inc, 1990; alunperin Leçons d analyse fonctionelle, Académiai Kiadó, 1952; engl. käännös Functional Analysis, Frederick Ungar Publishing Co., 1955. [18] Walter Rudin, Functional Analysis, Tata McGraw-Hill, 1982; alunperin McGraw-Hill, 1973. [19] Walter Rudin, Real and Complex Analysis, Second edition, Tata McGraw-Hill, 1979; alunperin McGraw-Hill, 1966. [20] Laurent Schwartz, Analyse Hilbertienne, Collection Méthodes, Hermann, 1979. [21] Karl Stromberg, An Introduction to Classical Real Analysis, Wadsworth International Mathematics Series, 1981. [22] Dirk Werner, Funktionalanalysis, Vierte, überarbeitete Auflage, Springer-Lehrbuch, Springer, 2002. [23] Kôsaku Yosida, Functional Analysis, Fourth Edition, Grundlehren der mathematischen Wissenschaften in Einzeldarstellungen mit besonderer Berücksichtigung der Anwendungsgebiete Band 123, Springer-Verlag, 1974.