5.2

Теорема Хана—Банаха

[17/18%]
Показать
LaTeX
Задача 5.24

Пусть XX — нормированное пространство, YXY \subset X — подпространство конечной коразмерности, а ff — линейный непрерывный функционал на YY. Доказать, что любое продолжение ff до линейного функционала на XX есть непрерывный функционал.

?
Задача 5.25

Пусть банахово пространство XX есть:

?
(а)

вещественное пространство l1(2)l_{1}(2);

(б)

вещественное пространство l(2)l_{\infty }(2).

Задача 5.26

Пусть XX — нормированное пространство. Доказать, что продолжение по Хану-Банаху любого линейного непрерывного функционала на XX единственно тогда и только тогда, когда сопряжённое пространство XX^{*} строго нормировано (см. определение 2.4).

?
Задача 5.27

Доказать, что любой линейный непрерывный функционал, определённый на всюду плотном линейном подпространстве нормированного пространства XX, имеет единственное продолжение по Хану-Банаху.

?
Задача 5.28

Доказать, что для любого ненулевого xXx \in X существует такой функционал fXf \in X^{*}, что f=1,f(x)=x\left\| f\right\| = 1, f(x) = \left\| x\right\|.

?
Задача 5.29

Доказать, что для любых x,yX,xyx, y \in X, x \neq y, существует такой функционал fXf \in X^{*}, что f(x)f(y)f(x) \neq f(y).

?
Задача 5.30

Пусть x1,x2,,xnx_{1}, x_{2}, \ldots , x_{n} — линейно независимая система векторов нормированного пространства XX, а λ1,λ2,,λn\lambda_{1}, \lambda_{2}, \ldots , \lambda_{n} — комплексные числа. Доказать, что существует такой линейный непрерывный функционал ff, что f(xk)=λkf\left(x_{k}\right) = \lambda_{k} для всех 1kn1 \leqslant k \leqslant n (сравните с задачей 5.4).

?
Задача 5.31

Пусть XX — вещественное нормированное пространство, {xn}\left\{ x_{n}\right\} — конечная или счётная система векторов в XX, а {cn}R\left\{ c_{n}\right\} \subset \mathbb {R}. Доказать, что существование функционала fXf \in X^{*} со свойством f(xn)=cnf\left(x_{n}\right) = c_{n} для любого nNn \in \mathbb {N} равносильно тому, что для произвольного конечного набора {λn}n=1NR\left\{ \lambda_{n}\right\}_{n = 1}^{N} \subset \mathbb {R} выполнено n=1NλncnMn=1Nλnxn\left|\sum_{n = 1}^{N} \lambda_{n} c_{n}\right| \leqslant M\left\| \sum_{n = 1}^{N} \lambda_{n} x_{n}\right\| с некоторой единой постоянной M>0M > 0.

?
Задача 5.32

Доказать, что существует линейный непрерывный функционал ff на вещественном пространстве ll_{\infty }, удовлетворяющий следующим условиям:

  1. infnNxnf(x)supnNxn\inf_{n \in \mathbb {N}} x_{n} \leqslant f(x) \leqslant \sup_{n \in \mathbb {N}} x_{n};

  2. если существует limnxn=a\lim_{n \rightarrow \infty } x_{n} = a, то f(x)=af(x) = a;

  3. функционал инвариантен при сдвигах, т. е. f((x1,x2,x3,))=f((x2,x3,))f\left(\left(x_{1}, x_{2}, x_{3}, \ldots \right)\right) = f\left(\left(x_{2}, x_{3}, \ldots \right)\right) для любого x=(x1,x2,)lx = \left(x_{1}, x_{2}, \ldots \right) \in l_{\infty }.

?
Задача 5.33

Найти:

?
(а)

LIM(0,1,0,1,)\operatorname {LIM}(0,1,0,1, \ldots );

(б)

LIM(0,0,1,0,0,1,)\operatorname {LIM}(0,0,1,0,0,1, \ldots ).

Задача 5.34

Привести примеры гладкого и негладкого пространства. Доказать, что в гладком пространстве продолжение по Хану-Банаху любого линейного функционала с любого одномерного подпространства единственно.

?
Задача 5.35

Пусть линейный функционал ff определён на одномерном подпространстве Lin(x)C[0,1]\operatorname {Lin}(x) \subset C[0,1], где:

?
(а)

x(t)=tx(t) = t;

(б)

x(t)=2t1x(t) = 2 t-1. Единственно ли продолжение по Хану-Банаху такого функционала?

Задача 5.36

Пусть на одномерном подпространстве Lin(x)C[0,1]\operatorname {Lin}(x) \subset C[0,1], порожденном некоторой ненулевой функцией x(t)x(t), определен функционал f(λx)=λx(t0)f(\lambda x) = \lambda x\left(t_{0}\right), где t0[0,1]t_{0} \in [0,1] — фиксированная точка. Единственно ли продолжение по Хану-Банаху такого функционала?

?
Задача 5.37

Доказать, что для линейного подпространства YY нормированного пространства XX с условием YˉX\bar{Y} \neq X и произвольной точки xXx \in X существует такой функционал fXf \in X^{*}, что f=1,f(x)=dist(x,Y)\left\| f\right\| = 1, f(x) = \operatorname {dist}(x, Y) и f(y)=0f(y) = 0 для любого yYy \in Y.

?
Задача 5.38

Пусть U1U_{1} и U2U_{2} — два выпуклых непустых непересекающихся множества вещественного банахова пространства XX, одно из которых имеет непустую внутренность. Доказать, что существуют такой линейный непрерывный функционал ff и такое число cRc \in \mathbb {R}, что аффинная гиперплоскость Xf,cX_{f, c} разделяет U1U_{1} и U2U_{2}.

?
Задача 5.39

Пусть PP — подпространство вещественного пространства C[0,1]C[0,1], состоящее из всех многочленов. Доказать, что P+P_{+}и PP_{-}множества, состоящие из многочленов с положительным (отрицательным) коэффициентом при старшей степени, — выпуклы, не пересекаются, но не разделяются никакой гиперплоскостью.

?
Задача 5.40

Пусть B1B_{1} и B2B_{2} — два выпуклых замкнутых непустых непересекающихся множества вещественного банахова пространства XX, причём одно из них компактно. Доказать, что существуют такой линейный непрерывный функционал ff и такое число cRc \in \mathbb {R}, что аффинная гиперплоскость Xf,cX_{f, c} строго разделяет B1B_{1} и B2B_{2}.

?