stringtranslate.com

Поглощающий набор

В функциональном анализе и смежных областях математики поглощающее множество в векторном пространстве — это множество , которое можно «раздуть» или «масштабировать», чтобы в конечном итоге всегда включать в себя любую заданную точку векторного пространства. Альтернативные термины — радиальный или абсорбирующий набор . Каждая окрестность начала координат в каждом топологическом векторном пространстве является поглощающим подмножеством.

Определение

Обозначения скаляров

Предположим, что это векторное пространство над полем действительных или комплексных чисел и для любого пусть

открытый шарзакрытый шар

Предварительные сведения

Сбалансированное ядро ​​и сбалансированный корпус

Говорят, что подмножествосбалансировано, еслидля всехи всех скаляров,удовлетворяющихэтому условию, можно записать более кратко каки оно выполняется тогда и только тогда, когда

Для данного набора наименьшее сбалансированное множество , содержащее обозначение, называетсясбалансированная оболочка ,а самый большой сбалансированный набор, содержащийся внутри,обозначаетсясбалансированное ядро ​​этих множеств задается формулами

Если есть какой-либо скаляр, то

Один набор поглощает другой

Если и являются подмножествами то, говорят, чтопоглощать , если он удовлетворяет любому из следующих эквивалентных условий:

  1. Определение : существует такая реальность, что для каждого скаляра, удовлетворяющего или, выражаясь более кратко, для некоторого
    • Если скалярное поле интуитивно « поглощает », это означает, что если оно постоянно «масштабируется» или «раздувается» (имеется в виду как ), то в конечном итоге (для всех положительных достаточно больших) все будет содержать и, аналогично, должно также в конечном итоге содержать для все отрицательные достаточно велики по величине.
    • Это определение зависит от канонической нормы основного скалярного поля (то есть от абсолютного значения ), что, таким образом, связывает это определение с обычной евклидовой топологией скалярного поля. Следовательно, определение поглощающего множества (данное ниже) также привязано к этой топологии.
  2. Существует такое вещественное число, что для каждого ненулевого [примечание 1] скаляра , удовлетворяющего Или, выражаясь более кратко, для некоторого
    • Поскольку это объединение равно тому, где находится закрытый шар с удаленным началом координат, это условие можно переформулировать как: для некоторых
    • Нестрогое неравенство можно заменить строгим неравенством , которое является следующей характеристикой.
  3. Существует такое вещественное число, что для каждого ненулевого [примечание 1] скаляра , удовлетворяющего Или, выражаясь более кратко, для некоторого
    • Вот открытый шар с удаленным началом координат и

Если это сбалансированный набор , то этот список можно расширить, включив в него:

  1. Существует ненулевой скаляр такой, что
    • В этом случае требование может быть снято.
  2. Существует ненулевой [примечание 1] скаляр такой, что

Если (необходимое условие для того, чтобы быть поглощающим множеством или быть окрестностью начала координат в топологии), то этот список можно расширить, включив в него:

  1. Существует такое, что для каждого скаляра, удовлетворяющего Или, выражаясь более кратко,
  2. Существует такое, что для каждого скаляра, удовлетворяющего Или, выражаясь более кратко,
    • Включение эквивалентно (поскольку ). Потому что это можно переписать, что даст следующее утверждение.
  3. Существует такое, что
  4. Существует такое, что
  5. Существует такое, что
    • Следующие характеристики следуют из приведенных выше и того факта, что для каждого скаляра сбалансированная оболочка удовлетворяет и (поскольку ) его сбалансированное ядро ​​удовлетворяет
  6. Существует такое, что Говоря словами, множество поглощается, если оно содержится в некотором положительном скалярном кратном сбалансированному ядру
  7. Существует такое, что
  8. Существует ненулевой [примечание 1] скаляр такой, что, словами, сбалансированное ядро ​​содержит некоторый ненулевой скаляр, кратный
  9. Существует скаляр , такой , что словами его можно масштабировать, чтобы он содержал сбалансированную оболочку
  10. Существует скаляр такой, что
  11. Существует скаляр , такой , что словами можно масштабировать так, что его сбалансированное ядро ​​содержит
  12. Существует скаляр такой, что
  13. Существует такой скаляр, что , словами, сбалансированное ядро ​​можно масштабировать так, чтобы оно содержало сбалансированную оболочку
  14. Сбалансированное ядро ​​поглощает сбалансированный корпус (в соответствии с любым определяющим условием «поглощения», отличным от этого).

Если или тогда этот список можно расширить, включив в него:

  1. поглощает (в соответствии с любым определяющим условием «поглощает», кроме этого).
    • Другими словами, в приведенных выше характеристиках можно заменить на if (или, тривиально, if ).

Множество, поглощающее точку

Говорят, что наборпоглощать точку , если она поглощаетодноэлементное множество.Наборпоглощает начало координат тогда и только тогда, когда оно содержит начало координат; то есть тогда и только тогда, когда, как подробно описано ниже, набор называется поглощающим,если он поглощает каждую точку

Это понятие одного множества, поглощающего другое, также используется в других определениях: подмножество топологического векторного пространства называется ограниченным, если оно поглощается каждой окрестностью начала координат. Множество называется рожденоядным , если оно поглощает все ограниченные подмножества.

Первые примеры

Каждое множество поглощает пустое множество, но пустое множество не поглощает непустое множество. Одноэлементное множество, содержащее начало координат, является единственным одноэлементным подмножеством, которое поглощает само себя.

Предположим, что равно либо или. Если — единичный круг (с центром в начале координат ) вместе с началом координат, то это единственное непустое множество, которое поглощает. Более того, не существует непустого подмножества , которое поглощается единичным кругом. Напротив, каждая окрестность начала координат поглощает каждое ограниченное подмножество ( и, в частности, поглощает каждое одноэлементное подмножество/точку).

Поглощающий набор

Подмножество векторного пространства над полем называетсяпоглощающее (или поглощающее ) подмножество иназываетсяпоглощает, если оно удовлетворяет любому из следующих эквивалентных условий (здесь они упорядочены так, что каждое условие является простым следствием предыдущего, начиная с определения):

  1. Определение : поглощает каждую точку того, что есть, ибо каждое поглощает
    • Так, в частности, не может быть поглощающим, если каждое поглощающее множество должно содержать начало координат.
  2. поглощает каждое конечное подмножество
  3. Для каждого существует такое вещественное число , что для любого скаляра, удовлетворяющего
  4. Для каждого существует такое вещественное число , что для любого скаляра, удовлетворяющего
  5. Для каждого существует такое реальное, что
    • Вот открытый шар радиуса в скалярном поле с центром в начале координат и
    • Закрытый шар можно использовать вместо открытого.
    • Потому что включение справедливо тогда и только тогда, когда это доказывает следующее утверждение.
  6. Для каждого существует такое реальное, что где
    • Связь с топологией : если дана обычная евклидова топология Хаусдорфа , то множество является окрестностью начала координат, таким образом, существует такое вещественное число, что тогда и только тогда, когда является окрестностью начала координат в. Следовательно, удовлетворяет этому условию тогда и только тогда, когда ибо каждое является окрестностью in , когда задана евклидова топология. Это дает следующую характеристику.
    • Единственными TVS-топологиями [примечание 2] в одномерном векторном пространстве являются (нехаусдорфова) тривиальная топология и хаусдорфова евклидова топология. Каждое одномерное векторное подпространство имеет вид для некоторого ненулевого значения , и если это одномерное пространство наделено (уникальным) векторной топологией Хаусдорфа , то отображение, определяемоеобязательно, является TVS-изоморфизмом (где, как обычно,наделено своей стандартной евклидовой топологией, индуцированной евклидовой метрикой ).
  7. содержит начало координат и для каждого одномерного векторного подпространства является окрестностью начала координат, когда задана его уникальная векторная топология Хаусдорфа (т. е. евклидова топология ).
    • Причина, по которой в этой характеристике выделяется евклидова топология, в конечном итоге вытекает из определяющего требования к топологиям TVS [примечание 2], что скалярное умножение должно быть непрерывным, когда скалярному полю задана эта (евклидова) топология.
    • - Окрестности поглощают : это условие дает представление о том, почему каждая окрестность начала координат в каждом топологическом векторном пространстве (TVS) обязательно является поглощающей: если это окрестность начала координат в TVS , то для каждого одномерного векторного подпространства является окрестностью. начала координат в, когда наделена топологией подпространства, индуцированной на нем Эта топология подпространства всегда является векторной топологией [примечание 2] и, поскольку она одномерна, единственными векторными топологиями на ней являются евклидова топология Хаусдорфа и тривиальная топология , которое является подмножеством евклидовой топологии. Таким образом, независимо от того, какая из этих векторных топологий находится на множестве, она будет окрестностью начала координат относительно своей уникальной векторной топологии Хаусдорфа (евклидовой топологии). [примечание 3] Таким образом, это захватывает.
  8. содержит начало координат и для каждого одномерного векторного подпространства поглощает (в соответствии с любым определяющим условием «поглощения» , отличным от этого).
    • Эта характеристика показывает, что свойство поглощать зависит только от того, как ведет себя по отношению к одномерным (или 0) векторным подпространствам. Напротив, если конечномерное векторное подпространство имеет размерность и наделено своей уникальной TVS-топологией Хаусдорфа, тогда поглощения в уже недостаточно, чтобы гарантировать, что это является окрестностью начала координат (хотя это все равно будет необходимым условием). Для того чтобы это произошло, достаточно, чтобы поглощающее множество было также выпуклым, уравновешенным и замкнутым в (такое множество называется бочонком и будет окрестностью начала координат в, поскольку всякое конечномерное евклидово пространство, в том числе и это бочкообразное пространство ).

Если то к этому списку можно добавить:

  1. Алгебраическая внутренность содержит начало координат (т. е. ).

Если сбалансировано , то к этому списку можно добавить:

  1. Для каждого существует скаляр такой, что [1] (или, что то же самое, такой, что ).
  2. Для каждого существует скаляр такой, что

Если выпукло или сбалансировано , то к этому списку можно добавить:

  1. Для каждого существует положительная реальность такая, что
    • Доказательство того, что сбалансированное множество , удовлетворяющее этому условию, обязательно является поглощающим, следует непосредственно из условия (10) выше и того факта, что для всех скаляров (где действительно).
    • Доказательство того, что выпуклое множество , удовлетворяющее этому условию, обязательно является поглощающим, менее тривиально (но несложно). Подробное доказательство приведено в этой сноске [доказательство 1] , а краткое изложение приведено ниже.
      • Краткое изложение доказательства : По предположению, для любого ненулевого числа можно выбрать положительное вещественное число и такое, что и так, что выпуклое множество содержит открытый подинтервал , который содержит начало координат ( называемый интервалом , поскольку мы отождествляем себя с каждым ненулевым числом). -пустое выпуклое подмножество является интервалом). Дайте его уникальную векторную топологию Хаусдорфа, чтобы осталось показать, что это окрестность начала координат в Если тогда мы закончили, поэтому предположим, что Множество представляет собой объединение двух интервалов, каждый из которых содержит открытый подинтервал, содержащий начало координат. ; причем пересечение этих двух интервалов и есть начало координат. Таким образом, выпуклая оболочка четырехугольной формы , содержащаяся в выпуклом множестве, явно содержит открытый шар вокруг начала координат.
  2. Для каждого существует положительная реальность такая, что
    • Это условие эквивалентно следующему: каждое принадлежит множеству. Это происходит тогда и только тогда, когда которое дает следующую характеристику.
    • Можно показать, что для любого подмножества тогда и только тогда, когда для каждого где
  3. Для каждого

Если (что необходимо для того, чтобы быть поглощающим), то достаточно проверить любое из приведенных выше условий для всех ненулевых, а не для всех

Примеры и достаточные условия

Чтобы один набор поглотил другой

Пусть – линейное отображение векторных пространств и пусть и – сбалансированные множества. Тогда поглощает тогда и только тогда, когда поглощает [2]

Если набор поглощает другой набор , то любое надмножество также поглощает. Множество поглощает начало координат тогда и только тогда, когда начало координат является элементом

Множество поглощает конечное объединение множеств тогда и только тогда, когда оно поглощает индивидуальность каждого множества (то есть тогда и только тогда, когда поглощает для каждого ). В частности, множество является поглощающим подмножеством тогда и только тогда, когда оно поглощает каждое конечное подмножество множества.

Чтобы набор был захватывающим

Единичный шар любого нормированного векторного пространства (или полунормированного векторного пространства ) является поглощающим. В более общем смысле, если это топологическое векторное пространство (TVS), то любая окрестность начала координат в является поглощающей. Этот факт является одной из основных причин для определения свойства «поглощающая ».

Каждый суперсет поглощающего набора является поглощающим. Следовательно, объединение любого семейства (одного или нескольких) поглощающих множеств является поглощающим. Пересечение конечного числа поглощающих подмножеств снова является поглощающим подмножеством. Однако все открытые шары радиуса поглощают, хотя их пересечение не поглощает.

Если - диск (выпуклое и сбалансированное подмножество), то и поэтому, в частности, диск всегда является поглощающим подмножеством в [3]. Таким образом, если - диск в, то поглощает в том и только в том случае, если этот вывод не гарантируется, если множество сбалансирован, но не выпуклый; например, объединение осей и в представляет собой невыпуклое сбалансированное множество, не поглощающее в

Образ поглощающего множества под действием сюръективного линейного оператора снова является поглощающим. Прообраз поглощающего подмножества (кообласти) под действием линейного оператора снова является поглощающим (в области определения). Если поглощающее, то то же самое справедливо и для симметричного множества

Вспомогательные нормированные пространства

Если является выпуклым и поглощающим, то симметричное множество будет выпуклым и сбалансированным (также известным как абсолютно выпуклое множество или диск ) в дополнение к поглощающему. Это гарантирует, что функционал Минковского будет полунормой , тем самым превращаясь в полунормированное пространство , несущее свою каноническую псевдометризуемую топологию. Набор скалярных кратных в виде диапазонов (или любого другого набора ненулевых скаляров, имеющих предельную точку) образует базис окрестности поглощающих дисков в начале координат для этой локально выпуклой топологии. Если — топологическое векторное пространство и если это выпуклое поглощающее подмножество является также ограниченным подмножеством , то все это будет справедливо и для поглощающего диска, если к тому же не содержит никаких нетривиальных векторных подпространств, то оно будет нормой и будет образовывать то, что известно как вспомогательное нормированное пространство . [4] Если это нормированное пространство является банаховым пространством , то оно называется банаховым диском .

Характеристики

Каждое поглощающее множество содержит начало координат. Если – поглощающий диск в векторном пространстве , то существует поглощающий диск в таком, что [5]

If является поглощающим подмножеством then и, в более общем смысле, для любой последовательности скаляров такой, что Следовательно, если топологическое векторное пространство является нетощим подмножеством самого себя (или, что то же самое, для TVS, если это пространство Бэра ) и if является замкнутое поглощающее подмножество обязательно содержит непустое открытое подмножество (другими словами, топологическая внутренность ' не будет пустой), что гарантирует, что это окрестность начала координат в

Каждое поглощающее множество является полным множеством , а это означает, что каждое поглощающее подпространство плотно .

Смотрите также

Примечания

  1. ^ abcd Требование, чтобы скаляр был ненулевым, нельзя исключить из этой характеристики.
  2. ^ abc Топология в векторном пространстве называется векторной топологией или TVS-топологией, если она делает сложение векторов и скалярное умножение непрерывными, когда скалярному полю задана его обычная евклидова топология , индуцированная нормой (эта норма является абсолютным значением ). Поскольку ограничения непрерывных функций непрерывны, если - векторное подпространство TVS, то операции сложения векторов и скалярного умножения также будут непрерывными. Таким образом, топология подпространства , которую любое векторное подпространство наследует от TVS, снова будет векторной топологией.
  3. ^ Если это окрестность начала координат в TVS , то было бы патологией, если бы существовало какое-либо одномерное векторное подпространство, в котором не было окрестностей начала координат хотя бы в некоторой топологии TVS. Единственные топологии TVS - это евклидова Хаусдорфа. топология и тривиальная топология , которая является подмножеством евклидовой топологии. Следовательно, эта патология не возникает тогда и только тогда, когда она является окрестностью в евклидовой топологии для всех одномерных векторных подпространств , что и является условием, которое является поглощающим в Тот факт, что все окрестности начала координат во всех TVS обязательно поглощающие означает, что такого патологического поведения не происходит.

Доказательства

  1. ^ Доказательство : Пусть векторное пространство над полем имеет или и наделяет поле его обычной нормированной евклидовой топологией . Пусть это выпуклое множество такое, что для каждого существует положительное вещественное число такое, что Потому что если тогда доказательство завершено, то предположим. Ясно, что каждое непустое выпуклое подмножество действительной прямой является интервалом (возможно, открытым, замкнутым или полузамкнутым). ; возможно, вырожденное (то есть одноэлементное множество ), возможно, ограниченное или неограниченное. Напомним, что пересечение выпуклых множеств является выпуклым, так что для каждого множества и являются выпуклыми, причем теперь выпуклость (которая содержит начало координат и содержится в прямой ) означает, что это интервал, содержащийся в прямой. Лемма : Если тогда интервал содержит открытый подинтервал, содержащий начало координат. Доказательство леммы : По предположению, поскольку мы можем выбрать такие , что и (потому что ) мы также можем выбрать такие, что где и (поскольку ). Потому что он выпуклый и содержит различные точки , а также выпуклую оболочку точек , которая (в частности) содержит открытый подинтервал , где этот открытый подинтервал содержит начало координат (чтобы понять, почему, выберите то, что удовлетворяет ), что доказывает лемма. Теперь зафиксируйте пусть. Поскольку было произвольно, чтобы доказать, что является поглощающим в, необходимо и достаточно показать, что является окрестностью начала координат в, когда задана его обычная евклидова хаусдорфова топология, где напомним, что эта топология превращает отображение, определенное в TVS -изоморфизм. Если тогда тот факт, что интервал содержит открытый подинтервал вокруг начала координат, означает именно то, что это окрестность начала координат, в которой завершается доказательство. Итак, предположим, что Write so that и (наивно, это « -ось» и « -ось» ). Множество содержится в выпуклом множестве , так что выпуклая оболочка содержится в По лемме каждое из и являются отрезками линий (интервалами), каждый из которых содержит начало координат в открытом подинтервале; при этом они явно пересекаются в начале координат. Выберите вещественное число такое, что и Обозначим выпуклую оболочку которого содержится в выпуклой оболочке и, таким образом, также содержится в выпуклом множестве. Чтобы закончить доказательство, достаточно показать, что это окрестность in Рассматривается как подмножество комплекса Плоскость имеет форму открытого квадрата с четырьмя углами на положительной и отрицательной и -осях (то есть в и ). Таким образом, легко проверить, что он содержит открытый шар радиуса с центром в начале координат. Таким образом, это окрестность начала координат в, как и хотелось.

Цитаты

  1. ^ Наричи и Бекенштейн 2011, стр. 107–110.
  2. ^ Наричи и Бекенштейн 2011, стр. 441–457.
  3. ^ Наричи и Бекенштейн 2011, стр. 67–113.
  4. ^ Наричи и Бекенштейн 2011, стр. 115–154.
  5. ^ Наричи и Бекенштейн 2011, стр. 149–153.

Рекомендации