stringtranslate.com

Пространство последовательности

В функциональном анализе и смежных областях математики пространство последовательностей — это векторное пространство , элементами которого являются бесконечные последовательности действительных или комплексных чисел . Эквивалентно, это функциональное пространство , элементами которого являются функции из натурального ряда в поле K действительных или комплексных чисел. Множество всех таких функций естественным образом отождествляется с множеством всех возможных бесконечных последовательностей с элементами из K и может быть превращено в векторное пространство с помощью операций поточечного сложения функций и поточечного скалярного умножения. Все пространства последовательностей являются линейными подпространствами этого пространства. Пространства последовательностей обычно снабжены нормой или , по крайней мере, структурой топологического векторного пространства .

Наиболее важными пространствами последовательностей в анализе являются пространства p , состоящие из последовательностей, суммируемых в степени p , с нормой p . Это особые случаи пространств L p для меры подсчета на множестве натуральных чисел. Другие важные классы последовательностей, такие как сходящиеся последовательности или нулевые последовательности, образуют пространства последовательностей, обозначаемые соответственно c и c 0 , с нормой sup . Любое пространство последовательностей также может быть снабжено топологией поточечной сходимости , при которой оно становится особым видом пространства Фреше, называемым FK-пространством .

Определение

Последовательность в наборе — это просто -значное отображение, значение которого в обозначается вместо обычного обозначения в скобках

Пространство всех последовательностей

Пусть обозначает поле действительных или комплексных чисел. Множество всех последовательностей элементов является векторным пространством для покомпонентного сложения

и покомпонентное скалярное умножение

Пространство последовательностей — это любое линейное подпространство

Как топологическое пространство, естественно наделено топологией произведения . В этой топологии находится Фреше , что означает, что это полное , метризуемое , локально выпуклое топологическое векторное пространство (TVS). Однако эта топология довольно патологическая: на нет непрерывных норм (и, таким образом, топология произведения не может быть определена никакой нормой ). [1] Среди пространств Фреше минимально в том, что не имеет непрерывных норм:

Теорема [1]  —  Пусть — пространство Фреше над Тогда следующие условия эквивалентны:

  1. не допускает непрерывной нормы (то есть любая непрерывная полунорма на имеет нетривиальное нулевое пространство).
  2. содержит векторное подпространство TVS-изоморфное .
  3. содержит дополненное векторное подпространство TVS, изоморфное .

Но топология произведения также неизбежна: она не допускает строго более грубой хаусдорфовой, локально выпуклой топологии. [1] По этой причине изучение последовательностей начинается с нахождения строго линейного подпространства , представляющего интерес, и наделения его топологией, отличной от топологии подпространства .

ℓ ппространства

Для — это подпространство, состоящее из всех последовательностей, удовлетворяющих

Если тогда вещественная функция на , определенная равенством , определяет норму на Фактически, является полным метрическим пространством относительно этой нормы и, следовательно, является банаховым пространством .

Если тогда также является гильбертовым пространством , наделенным своим каноническим внутренним произведением , называемымЕвклидово скалярное произведение , определяемое для всехкак Каноническая норма, индуцируемая этим скалярным произведением, является обычной-нормой, что означает, чтодля всех

Если тогда определяется как пространство всех ограниченных последовательностей, наделенное нормой, также является банаховым пространством.

Если тогда не несет нормы, а скорее метрики, определяемой

с,с0и с00

Сходящаяся последовательность — это любая последовательность, такая что существует. Множествовсех сходящихся последовательностей есть векторное подпространство, называемоепространство сходящихся последовательностей . Поскольку каждая сходящаяся последовательность ограничена,является линейным подпространством Более того, это пространство последовательностей является замкнутым подпространствомотносительносупремум-нормы, и поэтому оно является банаховым пространством относительно этой нормы.

Последовательность, которая сходится к, называется нулевой последовательностью и, как говорят,. Множество всех последовательностей, которые сходятся к , является замкнутым векторным подпространством, которое при наделениисупремум-нормойстановится банаховым пространством, которое обозначается каки называетсяпространство нулевых последовательностей илипространство исчезающих последовательностей .

Theпространство последовательностей, в конечном счете равных нулю ,— это подпространство из , состоящее из всех последовательностей, которые имеют только конечное число ненулевых элементов. Это не замкнутое подпространство и, следовательно, не является банаховым пространством относительно нормы бесконечности. Например, последовательность , где для первых элементов (для ) и равен нулю везде в остальных случаях (то есть ), является последовательностью Коши , но она не сходится к последовательности в

Пространство всех конечных последовательностей

Позволять

,

обозначает пространство конечных последовательностей над . Как векторное пространство, равно , но имеет другую топологию.

Для каждого натурального числа обозначим обычное евклидово пространство, наделенное евклидовой топологией , и обозначим каноническое включение

.

Изображение каждого включения

и, следовательно,

Это семейство включений дает окончательную топологию , определяемую как наилучшая топология на , такая, что все включения непрерывны (пример когерентной топологии ). С этой топологией становится полным , хаусдорфовым , локально выпуклым , последовательным , топологическим векторным пространством , которое не является пространством Фреше–Урысона . Топология также строго тоньше топологии подпространства , индуцированной на .

Сходимость в имеет естественное описание: если и является последовательностью в , то в тогда и только тогда, когда в конечном итоге содержится в одном изображении и в рамках естественной топологии этого изображения.

Часто каждое изображение отождествляется с соответствующим ; явно, элементы и отождествляются. Это облегчается тем фактом, что топология подпространства на , топология фактора из карты и евклидова топология на всех совпадают. При таком отождествлении является прямым пределом направленной системы , где каждое включение добавляет конечные нули:

.

Это показывает, что это LB-пространство .

Другие пространства последовательностей

Пространство ограниченных рядов , обозначаемое bs , — это пространство последовательностей , для которых

Это пространство, оборудованное по норме

является банаховым пространством, изометрически изоморфным посредством линейного отображения

Подпространство cs, состоящее из всех сходящихся рядов, является подпространством, переходящим в пространство c при этом изоморфизме.

Пространство Φ или определяется как пространство всех бесконечных последовательностей с конечным числом ненулевых членов (последовательности с конечным носителем ). Это множество плотно во многих пространствах последовательностей.

Свойства ℓппространства и пространствос0

Пространство ℓ 2 является единственным пространством ℓ p , которое является гильбертовым пространством , поскольку любая норма, индуцируемая скалярным произведением, должна удовлетворять закону параллелограмма

Подстановка двух различных единичных векторов вместо x и y непосредственно показывает, что тождество неверно, если только p  = 2.

Каждое p отлично в том смысле, что p является строгим подмножествомs всякий раз, когда p  <  s ; более того, p не является линейно изоморфнымs , когда  ps . Фактически, по теореме Питта (Pitt 1936), каждый ограниченный линейный оператор из s в p является компактным, когда p < s . Ни один такой оператор не может быть изоморфизмом; и, кроме того, он не может быть изоморфизмом ни на каком бесконечномерном подпространстве s , и поэтому называется строго сингулярным .

Если 1 <  p  < ∞, то (непрерывное) сопряженное пространствоp изометрически изоморфно ℓ q , где qсопряжение Гельдера с p : 1/ p  + 1/ q  = 1. Конкретный изоморфизм сопоставляет элементу x из q функционал для y в p . Неравенство Гельдера подразумевает, что L x — ограниченный линейный функционал на p , и фактически так, что норма оператора удовлетворяет

Фактически, если взять y как элемент p с

дает L x ( y ) = || x || q , так что на самом деле

Наоборот, если задан ограниченный линейный функционал L на p , последовательность, определяемая x n = L ( e n ), лежит в ℓ q . Таким образом, отображение дает изометрию

Карта

полученный путем композиции κ p с обратным его транспонированием совпадает с канонической инъекциейq в его двойной дуальный . Как следствие ℓ q является рефлексивным пространством . Злоупотребляя обозначениями , типично отождествлять ℓ q с дуальным ℓ p : (ℓ p ) *  = ℓ q . Тогда рефлексивность понимается как последовательность отождествлений (ℓ p ) **  = (ℓ q ) *  = ℓ p .

Пространство c 0 определяется как пространство всех последовательностей, сходящихся к нулю, с нормой, идентичной || x || . Это замкнутое подпространство ℓ , следовательно, банахово пространство. Двойственное к c 0 — это ℓ 1 ; двойственное к ℓ 1 — это ℓ . Для случая набора индексов натуральных чисел ℓ p и c 0 являются разделимыми , за исключением ℓ . Двойственным к ℓ является пространство ba .

Пространства c 0 и ℓ p (для 1 ≤ p  < ∞) имеют канонический безусловный базис Шаудера { ei | i  = 1, 2,...}, где ei последовательность, которая равна нулю  , за исключением 1 в i  -м элементе.

Пространство ℓ 1 обладает свойством Шура : в ℓ 1 любая последовательность, которая слабо сходится, также является сильно сходящейся (Шур 1921). Однако, поскольку слабая топология на бесконечномерных пространствах строго слабее сильной топологии , существуют сети в ℓ 1 , которые слабо сходятся, но не сильно сходятся.

Пространства ℓ p могут быть вложены во многие банаховы пространства . Вопрос о том, содержит ли каждое бесконечномерное банахово пространство изоморф некоторого ℓ p или c 0 , был решен отрицательно конструкцией пространства Цирельсона Б. С. Цирельсона в 1974 году. Двойственное утверждение о том, что каждое сепарабельное банахово пространство линейно изометрично факторпространству ℓ 1 , было дано утвердительно Банахом и Мазуром (1933). То есть для каждого сепарабельного банахова пространства X существует факторотображение , так что X изоморфно . В общем случае ker Q не дополняемо в ℓ 1 , то есть не существует подпространства Y1 такого, что . На самом деле, ℓ 1 имеет несчетное число недополняемых подпространств, которые не изоморфны друг другу (например, возьмем ; поскольку таких X несчетное число , и поскольку ни одно ℓ p не изоморфно никакому другому, то, таким образом, существует несчетное число ker Q ) .

За исключением тривиального конечномерного случая, необычной особенностью ℓ p является то, что он не является полиномиально рефлексивным .

ℓппространства увеличиваются вп

Для пространства возрастают по , причем оператор включения непрерывен: для , имеем . Действительно, неравенство однородно по , поэтому его достаточно доказать в предположении, что . В этом случае нам нужно показать только, что для . Но если , то для всех , и тогда .

ℓ2изоморфно всем сепарабельным бесконечномерным гильбертовым пространствам

Пусть H — сепарабельное гильбертово пространство . Каждое ортогональное множество в H не более чем счетно (т.е. имеет конечную размерность или ). [2] Следующие два пункта связаны между собой:

Свойстваℓ1пространства

Последовательность элементов из 1 сходится в пространстве комплексных последовательностей 1 тогда и только тогда, когда она слабо сходится в этом пространстве. [3] Если K — подмножество этого пространства, то следующие условия эквивалентны: [3]

  1. К компактен;
  2. K слабо компактен;
  3. K ограничен, замкнут и равномал на бесконечности.

Здесь K, будучи равномалым на бесконечности, означает, что для каждого существует натуральное число такое, что для всех .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Jarchow 1981, стр. 129–130.
  2. ^ Debnath, Lokenath; Mikusinski, Piotr (2005). Гильбертовы пространства с приложениями . Elsevier. стр. 120–121. ISBN 978-0-12-2084386.
  3. ^ ab Treves 2006, стр. 451–458.

Библиография