Задачи
[94/88%]Пусть — множество в банаховом пространстве такое, что для каждого существует предкомпактная -сеть для множества . Доказать, что множество предкомпактно.
Доказать, что каждое подмножество предкомпактного множества предкомпактно.
Доказать, что если хотя бы один (открытый или замкнутый) шар в НЛП предкомпактен, то все открытые и замкнутые шары в этом пространстве предкомпактны.
Пусть — предкомпактное множество в метрическом пространстве . Последовательность 1) такова, что . Доказать, что множество предкомпактно.
Пусть — предкомпактное множество в НЛП . Доказать, что , в , если выполняется хотя бы одно из следующих условий:
— единственная предельная точка множества ;
.
Пусть — последовательность компактных множеств в метрическом пространстве. Доказать, что если , то .
Пусть — компактное множество в метрическом пространстве . Доказать, что для любого множество можно представить в виде , где — замкнутые множества, для которых
Пусть — НЛП, . Верно ли, что множество :
компактно, если и компактны;
предкомпактно, если и предкомпактны;
замкнуто, если компактно и замкнуто;
замкнуто, если и замкнуты?
Пусть — метрическое пространство, . Функция называется полунепрерывной снизу (полунепрерывной сверху) на множестве , если
(соответственно ). Доказать, что
если — компактное множество, то каждая полунепрерывная снизу (сверху) функция на достигает своего минимального (максимального) значения на ;
обратное утверждение к утверждению (1) также верно;
если каждая непрерывная функция на ограничена, то — компактное множество.
Пусть — множество в банаховом пространстве такое, что каждая действительная непрерывная функция на равномерно непрерывна. Следует ли отсюда, что — компактное множество?
Пусть — последовательность конечномерных подпространств банахова пространства такая, что , и множество плотно в . Доказать, что ограниченное множество предкомпактно в тогда и только тогда, когда .
Доказать, что ограниченное множество предкомпактно
в пространстве , тогда и только тогда, когда
в пространстве тогда и только тогда, когда
в пространстве тогда и только тогда, когда
Сформулировать и доказать критерий предкомпактности в сепарабельном гильбертовом пространстве с ортонормированным базисом .
Доказать, что следующие множества предкомпактны в (здесь — фиксированные неотрицательные константы):
, где — ограниченное множество в ;
;
, где фиксировано;
, где ;
;
, где ;
;
равностепенно непрерывное множество непрерывных функций, абсолютные значения которых ограничены фиксированной константой в некоторой точке ;
ограниченное множество многочленов степени .
Какие из этих множеств компактны в ?
Какие из следующих множеств предкомпактны (компактны) в :
;
;
;
;
;
;
;
;
;
?
При каких условиях на множество следующие множества предкомпактны (компактны) в :
;
;
;
?
Являются ли следующие множества предкомпактными в :
;
;
;
?
Доказать компактность следующих множеств в :
;
.
Пусть . Сформулировать условия на , при которых следующие множества компактны в :
;
.
Доказать, что каждое множество, предкомпактное в , также предкомпактно в . Верно ли, что каждое подмножество , предкомпактное в , также предкомпактно в ?
Доказать, что шар пространства предкомпактен, но не является замкнутым множеством в .
Сформулировать и доказать критерий предкомпактности в пространствах .
Пусть — компактное метрическое пространство. Доказать, что множество предкомпактно в пространстве тогда и только тогда, когда оно равномерно ограничено и равностепенно непрерывно (т.е.
Пусть — нормированные линейные пространства и — подмножество . Найти необходимые и достаточные условия того, что каждое предкомпактное множество в предкомпактно в .
Верно ли, что каждое предкомпактное множество в НЛП предкомпактно в НЛП , если
;
;
;
?
Пусть — некоторое множество, — линейное пространство всех ограниченных функций из в , и . Доказать следующие утверждения.
с нормой является банаховым пространством.
Множество предкомпактно в пространстве тогда и только тогда, когда оно ограничено и для каждого существует конечное разбиение такое, что каждая функция из на каждом подмножестве изменяется не более чем на , т.е.
Пусть — некоторое множество, — компактное подмножество НЛП — норма в — линейное пространство всех отображений из в , и . Доказать, что с нормой является банаховым пространством. Сформулировать и доказать критерий предкомпактности в этом пространстве.
Пусть — нормированные линейные пространства. Доказать, что линейный оператор компактен тогда и только тогда, когда для каждой ограниченной последовательности последовательность содержит сходящуюся подпоследовательность.
Доказать, что в бесконечномерном НЛП
тождественный оператор не компактен;
каждый компактный оператор не является непрерывно обратимым.
Пусть — нормированные линейные пространства. Доказать, что
;
является линейным множеством в ;
если и , то ;
если , то , причём .
Пусть — нормированные линейные пространства, — линейный оператор. Верно ли, что , если
;
?
Какие из следующих операторов в компактны:
;
;
;
?
Найти необходимое и достаточное условие на ограниченную последовательность , при котором оператор , компактен в пространстве , если
;
;
;
.
Найти необходимое и достаточное условие компактности оператора , представленного матрицей Якоби
Обязательно ли , если
— НЛП, — банахово пространство, и ;
— нормированные линейные пространства, и ?
Пусть и
Доказать, что .
Какие из следующих операторов компактны:
;
;
;
;
;
;
?
Доказать, что оператор , определённый формулой
компактен, если
.
Какие из операторов компактны:
;
, где ;
;
;
?
При каких условиях на функцию оператор компактен
в пространстве , если ?
в пространстве , если ?
Доказать, что оператор вложения НЛП в НЛП , т.е. оператор , определённый как , компактен, если
;
;
.
Является ли оператор вложения НЛП в НЛП компактным, если
;
;
;
?
При каких условиях на последовательность оператор вложения пространства (см. задачу ) в компактен?
Является ли оператор , компактным, если
;
;
?
Доказать, что оператор ортогонального проектирования в гильбертовом пространстве компактен тогда и только тогда, когда этот оператор конечномерен.
Привести пример оператора такого, что
, но ;
, но , где фиксировано.
Пусть — гильбертово пространство, . Верно ли, что
если , то ;
если , то ;
если , то ?
Пусть — гильбертово пространство, — линейный оператор. Обязательно ли , если
для всех ;
для всех ?
Доказать, что область значений каждого компактного оператора является сепарабельным множеством.
Пусть . Может ли компактный оператор в бесконечномерном НЛП удовлетворять уравнению ? (Здесь .)
Может ли компактный оператор в бесконечномерном банаховом пространстве иметь алгебраический обратный, определённый
на ;
на ?
Пусть — НЛП, и существует такое, что для всех . При каких условиях на оператор может быть компактным?
Пусть — нормированные линейные пространства, и . Доказать, что существует последовательность такая, что и .
Множество называется нигде не плотным в метрическом пространстве, если его замыкание не имеет внутренних точек. Доказать, что в бесконечномерном НЛП каждое предкомпактное множество нигде не плотно.
Подмножество метрического пространства называется множеством первой категории, если оно является счётным объединением нигде не плотных множеств. Показать, что если — нормированные линейные пространства, и , то является множеством первой категории в .
Показать, что является множеством первой категории в банаховом пространстве , если
;
.
Пусть — НЛП, — банахово пространство, и таков, что множество замкнуто в . Показать, что .
Показать, что в гильбертовом пространстве подпространство, лежащее в области значений компактного оператора, конечномерно.
Пусть — подпространство такое, что . Показать, что конечномерно.
Пусть — гильбертово пространство и . Доказать, что оператор компактен тогда и только тогда, когда существует последовательность конечномерных линейных операторов, сходящаяся равномерно к .
Пусть — гильбертово пространство, . Доказать, что операторы и одновременно компактны или не компактны.
Пусть — гильбертово пространство, . Доказать, что
если и нормален, то ;
если для некоторого и нормален, то ;
если и , то (см. определение оператора в задаче 9.52*).
Для неотрицательного оператора квадратным корнем называется единственный неотрицательный оператор такой, что (существование и единственность доказаны в задаче 9.52*).
Пусть — банахово пространство, и оператор таков, что
Доказать, что .
Пусть — ортонормированный базис в гильбертовом пространстве и
Доказать, что — компактный оператор.
Пусть — рефлексивное банахово пространство (например, гильбертово пространство), — НЛП, и . Доказать, что множество компактно в .
Пусть — гильбертово пространство, . Доказать, что существует такой, что .
Привести пример банахова пространства и оператора , для которого утверждение пункта (1) неверно.
Пусть — рефлексивное банахово пространство, — НЛП. Доказать, что компактен тогда и только тогда, когда он переводит каждую слабо сходящуюся последовательность в сильно сходящуюся.
Привести пример банаховых пространств и оператора , который переводит каждую слабо сходящуюся последовательность в сильно сходящуюся, но не компактен.
Пусть и . Доказать, что .
Пусть — гильбертово пространство, и . Доказать, что оператор компактен тогда и только тогда, когда для каждой последовательности , слабо сходящейся к нулю, выполняется .
Пусть — гильбертово пространство, . Доказать, что в каждом из следующих случаев:
;
.
(Шаудер) Пусть , где — НЛП и — банахово пространство. Доказать, что тогда и только тогда, когда .
Пусть — рефлексивное банахово пространство. Доказать, что
;
.
Пусть — банаховы пространства, , и — предкомпактное множество в пространстве . Доказать, что сходится к равномерно на .
Пусть — банахово пространство, , и — предкомпактное множество в пространстве . Доказать, что сходится к равномерно на .
Пусть — сепарабельное банахово пространство, — счётная последовательность, плотная в — шар в . Положим
Доказать, что — компактное метрическое пространство, и сходимость в равносильна *-слабой сходимости.
(Гельфанд). Доказать, что для компактности множества в банаховом пространстве необходимо, а в случае сепарабельного пространства также достаточно, чтобы для каждой последовательности , *-слабо сходящейся к нулю, сходимость , была равномерной по .
Пусть , где — НЛП и — сепарабельное банахово пространство. Доказать, что тогда и только тогда, когда переводит каждую *-слабо сходящуюся последовательность в в сильно сходящуюся последовательность в .
Пусть — банахово пространство, , и . Доказать, что множество предкомпактно тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:
(a) — ограниченное множество;
(b) , равномерно по .
Проверить, что условие (b) можно заменить условием (b') , а условие можно заменить условием
Пусть . Функция
где , называется функцией Стеклова (усреднением Стеклова). Доказать, что
и ;
при ;
при ;
;
;
, и .
Доказать, что множество предкомпактно в пространстве , тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:
(a) — ограниченное множество;
(b) .
Условие (a) следует из условия (b), см. задачу 12.29.
Доказать, что множество предкомпактно в пространстве , тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:
(a) — ограниченное множество;
(b) множество равностепенно непрерывно в смысле -среднего, т.е.
(здесь , если ).
Условие (a) следует из условия (b), см. задачу 12.29.
Пусть , — операторы Бернштейна:
Верно ли, что ?
Пусть и — банаховы пространства, , и . Доказать, что .
Пусть — нормированные линейные пространства, — линейное множество, плотное в , и . Доказать, что если сужение оператора на принадлежит , то .
Пусть , — пополнение пространства по норме . Доказать, что
для каждой функции существует такое, что
для выполняется неравенство , где — константа, и и — нормы в и соответственно;
для имеем и оператор вложения : , непрерывен;
для оператор вложения , компактен.
Пусть . Доказать, что
существует единственный непрерывный линейный оператор такой, что , для всех ;
оператор не компактен.
Пусть — пространство с конечной мерой, — измеримая функция такая, что . Доказать, что оператор , определённый формулой , компактен.
Пусть — пространство с мерой, — измеримая функция, .
Доказать, что оператор , обладает следующими свойствами:
если , то и ;
если , то и
при условиях пункта (2) оператор не обязательно компактен в пространстве , даже если ;
если и
где , то .
Пусть — -периодическая измеримая по Лебегу функция и . Доказать, что при оператор
компактен.
Доказать компактность оператора , определённого формулой , если
— измеримая по Лебегу функция такая, что для всех , и
, где
, где .
Пусть . Доказать, что оператор
линеен и непрерывен в . При каких условиях на функцию оператор компактен?
Пусть и . Доказать, что . При каких условиях на функцию оператор компактен?
Пусть и . Доказать, что
;
если , то .
Пусть . Доказать, что
;
.
Доказать, что оператор , определённый формулой , компактен.
Привести пример ограниченной борелевской функции такой, что оператор , определённый формулой
не компактен.
Пусть — линейное пространство непрерывных функций, ограниченных на , снабжённое нормой , и пусть функция такова, что . Рассмотрим интегральный оператор
Доказать, что
;
не обязательно .
Пусть или . Оператор определён формулой (в случае дополнительно . Доказать, что
;
.