Analiza funkcjonalna

Wykªad 6

O±rodkowo±¢, baza topologiczna. Operatory liniowe ograniczone.

1. Zbiór A jest g¦sty w przestrzeni metrycznej (X, d), gdy dla ka»dego x ∈ X i ka»dego

> 0 istnieje y ∈ A taki, »e d(x, y) < . Równowa»nie, dla ka»dego x ∈ X istnieje taki ci¡g (yn) elementów A, »e limn yn = x. Jeszcze inaczej, A = X. Przykªady, Q jest g¦sty w R, 2

2

Q w R , zbiór wszystkich wielomianów na [0, 1] jest g¦sty w C([0, 1]) w normie supremum.

Przestrze« (X, d) jest o±rodkowa, gdy istnieje przeliczalny zbiór P g¦sty w X. Przykªady: jak wy»ej, ale wielomiany trzeba wzi¡¢ ze wspóªczynnikami wymiernymi.

W przestrzeniach unormowanych mo»e by¢ wygodniej posªu»y¢ si¦ poj¦ciem, które pozwala uzyska¢ zaczyny zbiorów g¦stych.

Denicja 1. Zbiór P jest liniowo g¦sty, gdy lin P jest g¦sty.

Przykªady: {1} w

2

R, {(1, 0), (0, 1)} w R , ei = (0, 0, ..., 0, 1, 0, ...) (jedynka na i-tym miejscu) w ka»dej lp dla 1 ≤ p < ∞ oraz dla c0. Z ostatniego przykªadu wynika, »e lp s¡

o±rodkowe dla 1 ≤ p < ∞. Nie jest natomiast o±rodkowa przestrze« l∞, bo wszystkie ci¡gi zerojedynkowe tworz¡ nieprzeliczalny zbiór, w którym odlegªo±ci mi¦dzy dowolnymi dwoma elementami wynosz¡ 1.

Denicja 2. Baza topologiczna przestrzeni (V, k·k) to taki ci¡g elementów ¯e1, ¯e2, ¯e3, ...

przestrzeni V , »e ka»dy element ¯v przestrzeni ma jednoznaczne przedstawienie w postaci szeregu

∞

X

¯

v =

λn¯

en.

n=1

Baza topologiczna jest przeliczalnym zbiorem liniowo g¦stym. Bior¡c tylko szeregi o wymiernych wspóªczynnikach dostaniemy o±rodek. Zatem bazy topologiczne istniej¡ tylko w przestrzeniach o±rodkowych.

Przykªady: ei = (0, 0, ..., 0, 1, 0, ...) w ka»dej lp dla 1 ≤ p < ∞ oraz dla c0; {ei} ∪

{(1, 1, 1, ...)} w c. Przestrze« l∞ nie ma bazy topologicznej, bo nie jest o±rodkowa.

2.

Denicja 3.

1. Operator liniowy A: V → W (V ,W - przestrzenie liniowe) to przeksztaªcenie speªniaj¡ce dla ka»dej pary ¯v, ¯u ∈ V i ka»dej pary skalarów α, β warunek A(α¯

v + β¯u) = αA(¯v) + βA(¯u).

2. Niech V , W b¦d¡ przestrzeniami unormowanymi. Operator liniowy A: V → W jest ograniczony, gdy istnieje taka liczba nieujemna m, »e kA¯

vk ≤ mk¯vk

∀ ¯

v ∈ V.

3. Norm¡ operatora A nazywamy kres dolny liczb m speªniaj¡cych powy»szy warunek.

Norm¦ operatora A oznaczamy przez kAk.

Twierdzenie 1. Dla ka»dego operatora ograniczonego zachodzi nierówno±¢ kA¯vk ≤ kAkk¯vk dla ka»dego ¯v ∈ V . Ponadto

kA¯

vk

kAk = sup kA¯

vk = sup kA¯vk = sup

.

k¯

vk≤1

k¯

vk=1

¯

v∈V k¯

vk

1

Proof. Pierwsza nierówno¢ wynika z wªasno±ci kresu dolnego. Ostatnia równo±¢ jest ªatwa, bo ¯v = 1. Oznaczmy M = sup

kA¯

vk i ustalmy ¯v ∈ V . Poªó»my ¯u = ¯v . Wtedy

k¯

vk

k¯

vk=1

k¯

vk

kA¯

vk ≤ kT ¯uk · k¯vkk ≤ Mkk¯vk, czyli kAk ≤ M.

Z drugiej strony, dla k¯vk ≤ 1 mamy kA¯vk ≤ kAk. Czyli supk k

¯

vk≤1 A¯

vk ≤ kAk ≤

supk¯vk=1 A¯v.

Twierdzenie 2. Nast¦puj¡ce warunki s¡ równowa»ne: 1. A jest ograniczony,

2. A jest ci¡gªy,

3. A jest ci¡gªy w ¯0.

Proof. Na ¢wiczeniach.

Uwaga: istniej¡ operatory liniowe, które nie s¡ ograniczone. Np. A: C1([0, 1]) →

C([0, 1])

Af (x) = f 0(x).

Wa»ny przykªad operatora ograniczonego - operator j¡drowy na przestrzeni funkcji: niech X ⊂

m

R (mo»e by¢ X ⊂ R ),

Z

Af (x) =

K(x, y)f (y) dy.

(1)

X

Oczywi±cie, funkcja dwóch zmiennych K(x, y) i dziedzina A musza by¢ tak ustalone, by powy»sza caªka byªa okre±lona.

Twierdzenie 3.

1. Operator okre±lony wzorem (1) jest liniowy.

2. Je±li K jest ograniczon¡ funkcj¡ ci¡gª¡ na X ×X, to A jest operatorem ograniczonym przeksztaªcaj¡cym C(X) w C(X).

3. Je±li K ∈ L2(X × X, λ × λ), to A jest operatorem ograniczonym przeksztaªcaj¡cym L2(X) w L2(X).

Proof. Na ¢wiczeniach.

2