7.2

Слабая сходимость: основные свойства. Критерии слабой сходимости

[30/23%]
Показать
LaTeX
Задача 7.7

Доказать, что из сходимости по норме следует слабая сходимость. Привести пример последовательности в банаховом пространстве, сходящейся слабо, но не сходящейся по норме.

?
Задача 7.8

Доказать, что xnxx_{n} \rightarrow x, где {xn}\left\{ x_{n}\right\} и xx — векторы нормированного пространства XX, тогда и только тогда, когда xnx_{n} слабо сходятся к xx равномерно по единичному шару пространства XX^{*}, т. е.

ε>0NfB(X)n>N:f(xn)f(x)<ε. \forall \varepsilon > 0 \exists N \forall f \in B\left(X^{*}\right) \forall n > N:\left|f\left(x_{n}\right)-f(x)\right| < \varepsilon .
?
Задача 7.9

Пусть xnx,yny,αnα,βnβx_{n} \rightharpoonup x, y_{n} \rightharpoonup y, \alpha_{n} \rightarrow \alpha , \beta_{n} \rightarrow \beta, где {xn},x,{yn}\left\{ x_{n}\right\} , x,\left\{ y_{n}\right\} и yy — векторы нормированного пространства XX, а {αn},α,{βn},β\left\{ \alpha_{n}\right\} , \alpha ,\left\{ \beta_{n}\right\} , \beta — комплексные числа. Доказать, что αnxn+βnynαx+βy\alpha_{n} x_{n}+\beta_{n} y_{n} \rightharpoonup \alpha x+\beta y. Доказать, что если xnxx_{n} \rightharpoonup x и xnxx_{n} \rightharpoonup x^{\prime }, то x=xx = x^{\prime }.

?
Задача 7.10

(С. Мазур, 1933). Пусть последовательность xnx_{n} слабо сходится к xx в нормированном пространстве XX. Доказать, что xconv{xn}1x \in \overline{\operatorname {conv}\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty }}.

?
Задача 7.11

(Х. Хан, 1922). Доказать, что в произвольном нормированном пространстве XX любое слабо ограниченное множество ограничено по норме. Доказать, что из слабой сходимости или слабой фундаментальности некоторой последовательности векторов нормированного пространства следует ограниченность этой последовательности по норме.

?
Задача 7.12

Доказать, что на ограниченных множествах сепарабельного гильбертова пространства слабая сходимость равносильна покоординатной сходимости, а именно xnxx_{n} \rightharpoonup x тогда и только тогда, когда (xn,ek)(x,ek)\left(x_{n}, e_{k}\right) \rightarrow \left(x, e_{k}\right) для любого kNk \in \mathbb {N}, где {ek}k=1\left\{ e_{k}\right\}_{k = 1}^{\infty } — произвольный фиксированный ортонормированный базис.

?
Задача 7.13

Пусть XX и YY — нормированные пространства, AB(X,Y)A \in \mathcal{B}(X, Y). Доказать, что если xnxx_{n} \rightharpoonup x в пространстве XX, то AxnAxA x_{n} \rightharpoonup A x в пространстве YY. Привести пример, показывающий, что последовательность {Axn}1\left\{ A x_{n}\right\}_{1}^{\infty } не обязана сходится к AxA x по норме.

?
Задача 7.14

Доказать критерий слабой сходимости. Пусть XX — нормированное пространство, а {xn}n=1\left\{ x_{n}\right\}_{n = 1}^{\infty } — последовательность векторов в нём. Доказать, что xnxx_{n} \rightharpoonup x тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

  1. последовательность ограничена, т. е. существует такое число CC, что xn<C\left\| x_{n}\right\| < C для всех nNn \in \mathbb {N};

  2. в XX^{*} найдётся такое всюду плотное множество YY, что f(xn)f(x)f\left(x_{n}\right) \rightarrow f(x) для любого fYf \in Y.

?
Задача 7.15

Доказать, что в конечномерном нормированном пространстве слабая сходимость совпадает со сходимостью по норме, т. е.

xnxxnx x_{n} \rightharpoonup x \Leftrightarrow x_{n} \rightarrow x
?
Задача 7.16

Доказать критерий слабой сходимости в lp,p(1,)l_{p}, p \in (1, \infty ) : последовательность xn=(x1n,x2n,)x^{n} = \left(x_{1}^{n}, x_{2}^{n}, \ldots \right) сходится слабо к x=(x1,x2,)x = \left(x_{1}, x_{2}, \ldots \right) тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

  1. существует такое число CC, что xnlp<C\left\| x^{n}\right\|_{l_{p}} < C для всех nNn \in \mathbb {N};

  2. limnxkn=xk\lim_{n \rightarrow \infty } x_{k}^{n} = x_{k} для всех kNk \in \mathbb {N}.

?
Задача 7.17

(Я. Шур, 1909). Доказать, что слабая сходимость в l1l_{1} совпадает со сходимостью по норме (равномерной сходимостью).

?
Задача 7.18

Доказать, что в пространстве l1l_{1} нет подпространств, изоморфных пространству l2l_{2}.

?
Задача 7.19

Доказать критерий слабой сходимости в c0c_{0} : последовательность xn=(x1n,x2n,)x^{n} = \left(x_{1}^{n}, x_{2}^{n}, \ldots \right) сходится слабо к x=(x1,x2,)x = \left(x_{1}, x_{2}, \ldots \right) тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

  1. существует такое число CC, что xnc0<C\left\| x^{n}\right\|_{c_{0}} < C для всех nNn \in \mathbb {N};

  2. limnxkn=xk\lim_{n \rightarrow \infty } x_{k}^{n} = x_{k} для всех kNk \in \mathbb {N}.

?
Задача 7.20

Доказать критерий слабой сходимости в cc : последовательность xn=(x1n,x2n,)x^{n} = \left(x_{1}^{n}, x_{2}^{n}, \ldots \right) сходится слабо к x=(x1,x2,)x = \left(x_{1}, x_{2}, \ldots \right) тогда и только тогда, когда выполнены три условия:

  1. существует такое число CC, что xnc<C\left\| x^{n}\right\|_{c} < C для всех nNn \in \mathbb {N};

  2. limnxkn=xk\lim_{n \rightarrow \infty } x_{k}^{n} = x_{k} для всех kNk \in \mathbb {N};

  3. если обозначить ln=limkxknl_{n} = \lim_{k \rightarrow \infty } x_{k}^{n} и l=limkxkl = \lim_{k \rightarrow \infty } x_{k}, то lnll_{n} \rightarrow l.

?
Задача 7.21

Доказать критерий слабой сходимости в C[0,1]C[0,1] : последовательность xn=xn(t)x_{n} = x_{n}(t) сходится слабо к xx тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

  1. существует такое число CC, что xC[0,1]<C\left\| x\right\|_{C[0,1]} < C для всех nNn \in \mathbb {N};

  2. limnxn(t)=x(t)\lim_{n \rightarrow \infty } x_{n}(t) = x(t) для любого t[0,1]t \in [0,1].

?
Задача 7.22

Доказать критерий слабой сходимости в Lp[0,1],p[1,)L_{p}[0,1], p \in [1, \infty ) : последовательность xn=xn(t)x_{n} = x_{n}(t) сходится слабо к xx тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

  1. существует такое число CC, что xnLp<C\left\| x_{n}\right\|_{L_{p}} < C для всех nNn \in \mathbb {N};

  2. для каждого элемента произвольной системы функций {gα}Lq[0,1]=(Lp[0,1])\left\{ g_{\alpha }\right\} \subset \subset L_{q}[0,1] = \left(L_{p}[0,1]\right)^{*}, удовлетворяющей условию Lin{gα}=Lq[0,1]\overline{\operatorname {Lin}\left\{ g_{\alpha }\right\} } = L_{q}[0,1], справедливо равенство

    limn01xn(t)gα(t)dt=01x(t)gα(t)dt \lim _{n \rightarrow \infty } \int _{0}^{1} x_{n}(t) g_{\alpha }(t) d t = \int _{0}^{1} x(t) g_{\alpha }(t) d t

    В главе 10 будет доказано, что при p>1p > 1 в качестве системы {gα}\left\{ g_{\alpha }\right\} можно взять любую из систем

    {tm}m=0,{sinπmt}m=1,{χ(a,b)(t):a[0,1],b[0,1],a<b} \left\{ t^{m}\right\} _{m = 0}^{\infty }, \quad \left\{ \sin \pi m t\right\} _{m = 1}^{\infty }, \quad \left\{ \chi _{(a, b)}(t): a \in [0,1], b \in [0,1], a < b\right\}

    (здесь χ(a,b)\chi_{(a, b)} — характеристическая функция интервала (a,b)(a, b)). В случае p=1p = 1 и q=q = \infty в качестве системы {gα}\left\{ g_{\alpha }\right\} можно выбрать систему характеристических функций всех измеримых по Лебегу множеств на [0,1][0,1].

?
Задача 7.23

Доказать, что в гильбертовом пространстве xnxx_{n} \rightarrow x тогда и только тогда, когда xnxx_{n} \rightharpoonup x и xnx\left\| x_{n}\right\| \rightarrow \left\| x\right\|.

?
Задача 7.24

Доказать, что в любом равномерно выпуклом нормированном пространстве (см. определение 2.11) xnxx_{n} \rightarrow x тогда и только тогда, когда xnxx_{n} \rightharpoonup x и xnx\left\| x_{n}\right\| \rightarrow \left\| x\right\|.

?
Задача 7.25

Доказать, что из слабой сходимости в пространстве Lp[0,1]L_{p}[0,1], p[1,)p \in [1, \infty ), вообще говоря, не следует сходимость по мере.

?
Задача 7.26

Доказать, что если p>1p > 1 и последовательность функций xnLp[0,1]x_{n} \in L_{p}[0,1], ограниченная по норме Lp[0,1]L_{p}[0,1], сходится по мере к некоторой функции xx, то xLp[0,1]x \in L_{p}[0,1] и xnxx_{n} \rightharpoonup x. Доказать, что при p=1p = 1 это утверждение неверно.

?
Задача 7.27

Доказать, что если xn0x_{n} \rightharpoonup 0 в нормированном пространстве XX, то limnxxnx\underline{\lim }_{n \rightarrow \infty }\left\| x-x_{n}\right\| \geqslant \left\| x\right\| для любого элемента xx.

?
Задача 7.28

В пространствах c0c_{0} и C[0,1]C[0,1] привести примеры слабо фундаментальных последовательностей, не имеющих слабого предела. \square

?
Задача 7.29

Доказать, что любое рефлексивное банахово пространство является секвенциально слабо полным (т. е. любая слабо фундаментальная последовательность имеет слабый предел). Привести пример нерефлексивного, но секвенциально слабо полного банахова пространства.

?
Задача 7.30

Пусть HH — гильбертово пространство, {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty } и {yn}1\left\{ y_{n}\right\}_{1}^{\infty } — последовательности векторов из HH. Будет ли числовая последовательность (xn,yn)\left(x_{n}, y_{n}\right) сходящейся, если последовательности {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty } и {yn}1\left\{ y_{n}\right\}_{1}^{\infty } фундаментальны (по норме или слабо)? Исследовать все три случая.

?
Задача 7.31

Пусть XX — нормированное пространство, а XX^{*} сепарабельно (отсюда, в силу утверждения задачи 5.42, следует сепарабельность самого пространства XX). Доказать, что слабая сходимость в единичном шаре пространства XX метризуема.

?
Задача 7.32

Пусть XX — нормированное пространство, а XX^{*} сепарабельно. Указать такую метрику w(x,y)w(x, y), определённую на всём XX, что последовательность {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty } слабо сходится к xXx \in X тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

  1. последовательность {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty } ограничена;

  2. w(xn,x)0w\left(x_{n}, x\right) \rightarrow 0.

?
Задача 7.33

(С. Банах, 1932). Пусть банахово пространство XX рефлексивно, а XX^{*} сепарабельно. Доказать, что из любой последовательности точек единичного шара {x:xX1}\left\{ x:\left\| x\right\|_{X} \leqslant 1\right\} можно выбрать подпоследовательность, слабо сходящуюся к точке единичного шара (то есть единичный шар секвенциально слабо компактен).

?
Задача 7.34

Пусть банахово пространство XX рефлексивно, а XX^{*} сепарабельно. Доказать, что любое ограниченное множество BXB \subset X слабо секвенциально предкомпактно, т. е. из любой последовательности {xn}1\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty } точек множества BB можно выделить слабо сходящуюся подпоследовательность xnkxXx_{n_{k}} \rightarrow x \in X. Доказать, что если к тому же BB есть замкнутое и выпуклое множество, то xBx \in B, т. е. BB слабо секвенциально компактно.

?
Задача 7.35

Доказать, что единичные шары в пространствах l1,c0,C[0,1]l_{1}, c_{0}, C[0,1] не являются слабо секвенциально компактными множествами.

?
Задача 7.36

Доказать, что любая последовательность вложенных непустых замкнутых выпуклых ограниченных множеств в рефлексивном банаховом пространстве имеет непустое пересечение. Привести контрпример к этому утверждению для случая нерефлексивных банаховых пространств (ср. с задачами 1.36, 1.38, 2.68, 3.34 и 4.22).

?