10.1

Полные и минимальные системы векторов

[20/35%]
Показать
LaTeX
Задача 10.1

Пусть XX — нормированное пространство. Доказать, что оно сепарабельно тогда и только тогда, когда в XX существует счётная полная система.

?
Задача 10.2

Доказать, что в любом бесконечномерном банаховом пространстве существует линейно независимая система {xk}1\left\{ x_{k}\right\}_{1}^{\infty } (т. е. ни один из векторов системы не является конечной линейной комбинацией остальных), не являющаяся минимальной.

?
Задача 10.3

Доказать, что система {xk}k=1\left\{ x_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty } векторов нормированного пространства XX полна тогда и только тогда, когда она тотальна.

?
Задача 10.4

Пусть {xk}k=1\left\{ x_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty } — система векторов нормированного пространства XX. Доказать, что она минимальна тогда и только тогда, когда для неё найдётся биортогональная система функционалов {fk}k=1\left\{ f_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty }. Доказать, что эти функционалы также образуют минимальную систему в пространстве XX^{*}.

?
Задача 10.5

Привести пример банахова пространства XX и минимальной системы {fk}k=1X\left\{ f_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty } \subset X^{*}, для которой не существует биортогональной системы {xk}k=1\left\{ x_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty }. Доказать, что в рефлексивном пространстве такой пример невозможен.

?
Задача 10.6

Пусть XX — нормированное пространство. Доказать, что для любой конечной линейно независимой системы функционалов {fk}k=1nX\left\{ f_{k}\right\}_{k = 1}^{n} \subset X^{*} существует биортогональная ей система векторов {xk}k=1nX\left\{ x_{k}\right\}_{k = 1}^{n} \subset X (ср. с задачей 5.4). Доказать, что для любой конечной линейно независимой системы векторов {xk}k=1nX\left\{ x_{k}\right\}_{k = 1}^{n} \subset X существует биортогональная ей система функционалов {fk}k=1nX\left\{ f_{k}\right\}_{k = 1}^{n} \subset X^{*}.

?
Задача 10.7

Пусть {xk}k=1\left\{ x_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty } — полная минимальная система векторов нормированного пространства XX. Доказать, что биортогональная система {fk}k=1\left\{ f_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty } (она существует согласно задаче 10.4) единственна. Доказать, что в случае рефлексивного пространства XX система {fk}k=1\left\{ f_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty } полна в XX^{*} (согласно задаче 10.4 она минимальна).

?
Задача 10.8

Пусть XX и YY — нормированные пространства, оператор TB(X,Y)T \in \mathcal{B}(X, Y) и ImT=Y\overline{\operatorname {Im} T} = Y. Доказать, что полнота системы {xk}1\left\{ x_{k}\right\}_{1}^{\infty } в XX влечёт полноту системы {Txk}1\left\{ T x_{k}\right\}_{1}^{\infty } в YY.

?
Задача 10.9

Пусть система {xk}1\left\{ x_{k}\right\}_{1}^{\infty } полна в нормированном пространстве XX и каждый вектор xkx_{k} есть конечная линейная комбинация векторов системы {yk}1\left\{ y_{k}\right\}_{1}^{\infty }. Доказать, что система {yk}1\left\{ y_{k}\right\}_{1}^{\infty } тоже полна.

?
Задача 10.10

Пусть XX и YY — нормированные пространства, TB(X,Y)T \in \mathcal{B}(X, Y) и infx=1Tx=c>0\inf_{\left\| x\right\| = 1}\left\| T x\right\| = c > 0. Доказать, что минимальность системы {xk}1\left\{ x_{k}\right\}_{1}^{\infty } в XX влечёт минимальность системы {Txk}1\left\{ T x_{k}\right\}_{1}^{\infty } в YY.

?
Задача 10.11

Привести пример банахова пространства XX, инъективного оператора TB(X)T \in \mathcal{B}(X) и такой минимальной системы {xk}1X\left\{ x_{k}\right\}_{1}^{\infty } \subset X, что система {Txk}1\left\{ T x_{k}\right\}_{1}^{\infty } не является минимальной.

?
Задача 10.12

Исследовать систему {en=(0,0,,0,1n,0,0,)}1\left\{ e_{n} = \left(0,0, \ldots , 0, \frac{1}{n}, 0,0, \ldots \right)\right\}_{1}^{\infty } на полноту и минимальность в пространствах

?
(а)

lp,p[1,)l_{p}, p \in [1, \infty );

(б)

c0c_{0};

(в)

cc;

(г)

ll_{\infty }.

Задача 10.13

Для всякого λ\lambda с λ<1\left|\lambda \right| < 1 исследовать систему векторов

x1=(1,λ,λ2,λ3,λ4,);x2=(0,1,2λ,3λ2,4λ3,);x3=(0,0,21,(32)λ,(43)λ2,);x4=(0,0,0,321,(432)λ,); \begin{array}{l} x_{1} = \left(1, \lambda , \lambda ^{2}, \lambda ^{3}, \lambda ^{4}, \ldots \right); \\ x_{2} = \left(0,1,2 \lambda , 3 \lambda ^{2}, 4 \lambda ^{3}, \ldots \right); \\ x_{3} = \left(0,0,2 \cdot 1,(3 \cdot 2) \lambda ,(4 \cdot 3) \lambda ^{2}, \ldots \right) ; \\ x_{4} = \left(0,0,0, 3 \cdot 2 \cdot 1,(4 \cdot 3 \cdot 2) \lambda , \ldots \right) ; \end{array}

на полноту и минимальность в пространствах

?
(а)

lp,p[1,)l_{p}, p \in [1, \infty );

(б)

c0c_{0}.

Задача 10.14

Исследовать систему векторов {xn=(1,,1n,0,0,)}1\left\{ x_{n} = \left(1, \ldots , \frac{1}{n}, 0,0, \ldots \right)\right\}_{1}^{\infty } на полноту и минимальность в пространствах

?
(а)

lp,p[1,)l_{p}, p \in [1, \infty );

(б)

c0c_{0}.

Задача 10.15

Исследовать следующие системы векторов на полноту и минимальность в пространствах Lp[0,1],p[1,)L_{p}[0,1], p \in [1, \infty ), и C[0,1]C[0,1]:

?
(а)

{tn}n=0\left\{ t^{n}\right\}_{n = 0}^{\infty };

(б)

{t2n}n=0\left\{ t^{2 n}\right\}_{n = 0}^{\infty };

(в)

{t2n+1}n=0\left\{ t^{2 n+1}\right\}_{n = 0}^{\infty };

(г)

{eiπnt}nZ\left\{ e^{i \pi n t}\right\}_{n \in \mathbb {Z}};

(д)

{cos(πnt)}n=0\left\{ \cos (\pi n t)\right\}_{n = 0}^{\infty };

(е)

{sin(πnt)}n=1\left\{ \sin (\pi n t)\right\}_{n = 1}^{\infty };

(ж)

{teiπnt}nZ\left\{ t e^{i \pi n t}\right\}_{n \in \mathbb {Z}};

(з)

{cos2(πnt/2)}n=0\left\{ \cos^{2}(\pi n t / 2)\right\}_{n = 0}^{\infty }

Задача 10.16

Пусть {αn}1\left\{ \alpha_{n}\right\}_{1}^{\infty } — строго возрастающая последовательность положительных чисел со свойством αn1\alpha_{n} \rightarrow 1. Доказать, что система {tαn}n=1\left\{ t^{\alpha_{n}}\right\}_{n = 1}^{\infty } полна

?
(а)

в пространстве L2[0,1]L_{2}[0,1];

(б)

в пространстве C[0,1]C[0,1].

Задача 10.17

(Х. Мюнц, 1914). Система степеней {tnk}k=0\left\{ t^{n_{k}}\right\}_{k = 0}^{\infty }, где n0<n1<n_{0} < n_{1} < \ldots, полна в пространстве C[0,1]C[0,1] тогда и только тогда, когда n0=0n_{0} = 0 и k=11nk=\sum_{k = 1}^{\infty } \frac{1}{n_{k}} = \infty.

?
Задача 10.18

В пространстве C[0,1]C[0,1] привести пример такой неполной системы векторов {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty }, что для любой непрерывной функции xC[0,1]x \in C[0,1] из равенств 01x(t)xn(t)dt=0,n=1,2,\int_{0}^{1} x(t) x_{n}(t) d t = 0, n = 1,2, \ldots, следует x=0x = 0.

?
Задача 10.19

Пусть XX — банахово пространство, а система {en}1\left\{ e_{n}\right\}_{1}^{\infty } слабо полна в нём, т. е. для любого вектора xXx \in X существует последовательность {xk}1Lin{en}1\left\{ x_{k}\right\}_{1}^{\infty } \subset \operatorname {Lin}\left\{ e_{n}\right\}_{1}^{\infty }, слабо сходящаяся к xx. Доказать, что тогда система {en}1\left\{ e_{n}\right\}_{1}^{\infty } полна в XX в обычном смысле.

?
Задача 10.20

Пусть {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty } — полная и минимальная система в гильбертовом пространстве HH, а {yn}1\left\{ y_{n}\right\}_{1}^{\infty } — биортогональная ей система. Доказать, что если xn=yn=1\left\| x_{n}\right\| = \left\| y_{n}\right\| = 1 для всех nNn \in \mathbb {N}, то {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty } — ортонормированный базис в HH.

?