3. Przestrzenie sprzeżone.

ι

Definicja 3.1 Niech E bedzie przestrzenia (liniowa) unormowana. Operator liniowy ι

ι

ι

ι

ξ : E → R

nazywamy funkcjonaÃlem liniowym ( lub forma liniowa ).

ι

ι

Przestrzeń Banacha

E∗ := L( E, R)

nazywamy przestrzenia sprzeżona z przestrzenia E.

ι

ι

ι

ι

¤

Uwaga 1. Zgodnie z przyjetymi wcześniej oznaczeniami, L( E, R) oznacza przestrzeń Banacha której ι

elementami sa ciagÃle (= ograniczone) funkcjonaÃly liniowe.

ι

ι

Z definicji normy w przestrzeni unitarnej ( kxk 2 = < x, x > ) wynika nastepujaca uwaga.

ι

ι

Uwaga 2. Jeżeli H jest przestrzenia unitarna to dla dowolnych x, y ∈ H mamy ι

ι

kkyk 2 x− < x, y > yk 2 = kyk 2[ kxk 2 kyk 2 − < x, y > 2]

(3.1)

kx + yk 2 + kx − yk 2 = 2[ kxk 2 + kyk 2]

(3.2)

Z (3.1) wynika nierówność Schwartza:

| < x, y > | ≤ kxkkyk

(3.3)

Twierdzenie 3.2 Niech V bedzie domknieta podprzestrzenia liniowa przestrzeni Hilberta H.

ι

ι

ι

ι

ι

a) Dla każdego x ∈ H istnieje dok Ãladnie jeden element P ( x) ∈ V taki, że kx − P ( x) k = inf {|x − yk; y ∈ V }

b) Przyporzadkowanie x 7→ P ( x) definiuje operator liniowy ograniczony ι

P : H → H

c)

kP k = 1

d)

P ( x) = 0 ⇐⇒ x ⊥ V

e)

P ( x) = x ⇐⇒ x ∈ V

1

Dowód. a) Przyjmijmy d := inf {kx − yk; y ∈ V }. Z tej definicji wynika oda razu, że istnieje ciag ι

{yn}, yn ∈ V taki, że

1

kx − ynk < d +

(3.4)

n

Podstawiajac w (3.2) x 7→ 1( y ( y

ι

2

n − x) , y 7→ 1

2

m − x) otrzymujemy

1

1

1

kyn − ymk 2 = 2[ k ( y ( y

( y

2 n − x) k 2 + k 2 m − x) k 2] − 4 k 2 n + ym) − xk 2

(3.5)

Ponieważ 1( y

( y

d

2

n + ym) ∈ V to k 1

2

n + ym) − xk ≥ d, sta ι

1

− 4 k ( y

2 n + ym) − xk 2 ≤ − 4 d 2

(3.6)

Jeżeli n, m < N to z (3.4),(3.5) oraz (3.6) wynika 1

1

1

1

kyn − ymk 2 ≤ 2[( d +

)2 + ( d +

)2] − 4 d 2 = 4(

+

)

(3.7)

N

N

N

N 2

Dla każdego ² > 0 istnieje N takie, że 1

1

4(

+

) < ² 2

(3.8)

N

N 2

co oznacza, że ciag {y

tym podzbiorem

ι

n} speÃlnia warunek Cauchy’ego.

Ponieważ jest domknie ι

przestrzeni zupeÃlnej H, to jest zbieżny oraz P ( x) := lim yn ∈ V

(3.9)

n→∞

Aby pokazać że element P ( x) ∈ V jest wyznaczony jednoznacznie (t.j.nie zależy od wyboru ciagu ι

{yn}) zaÃlóżmy, że {zn}, zn ∈ V też speÃlnia warunek (3.4) i niech z 0 := lim zn

(3.10)

n→∞

Ponieważ ciag {y

c jest zbieżny, skad

ι

1 , z 2 , . . . , y 2 n− 1 , z 2 n, . . . } te ż speÃlnia warunek (3.4) a wie ι

ι

lim zn = lim yn

(3.11)

n→∞

n→∞

Twierdzenie 3.3 ( Riesz-Frechet ) Niech H

bedzie przestrzenia Hilberta. Dla każdego ξ ∈ H∗ istnieje dok Ãladnie jeden element a ∈ H taki, że ι

ι

ξ( x) = < a, x > dla x ∈ H

2