3.2

Задачи

[46/83%]
Показать
LaTeX
Задача 3.5

Пусть XX — НЛП над полем K\mathbb {K}. Доказать, что множество значений ненулевого линейного функционала на XX совпадает с K\mathbb {K}.

?
Задача 3.6

Пусть XX — НЛП, f,gXf, g \in X^{*}. Доказать, что для любых α,βK\alpha , \beta \in \mathbb {K} функционал αf+βg\alpha f+\beta g, где (αf+βg)(x):=αf(x)+βg(x),xX(\alpha f+\beta g)(x): = \alpha f(x)+\beta g(x), x \in X, также принадлежит XX^{*}.

?
Задача 3.7

Пусть XX — НЛП, fXf \in X^{*}. Доказать, что

?
(1)

f=supx1f(x)\left\| f\right\| = \sup_{\left\| x\right\| \leq 1}\left|f(x)\right|;

(2)

f=supx=1f(x)\left\| f\right\| = \sup_{\left\| x\right\| = 1}\left|f(x)\right|;

(3)

f=min{C0f(x)Cx,xX}\left\| f\right\| = \min \left\{ C \geq 0 \mid \left|f(x)\right| \leq C\left\| x\right\| , x \in X\right\};

(4)

f=supx1f(x)\left\| f\right\| = \sup_{\left\| x\right\| \leq 1} f(x), если пространство XX действительное;

(5)

f=supxM,x0f(x)x\left\| f\right\| = \sup_{x \in M, x \neq 0} \frac{\left|f(x)\right|}{\left\| x\right\| }, где MM — плотное подмножество XX.

Задача 3.8

Пусть XX — НЛП, fnXf_{n} \in X^{*} и fn1,n1\left\| f_{n}\right\| \leq 1, n \geq 1. Положим

f(x)=n=11n2fn(x),xX f(x) = \sum _{n = 1}^{\infty } \frac{1}{n^{2}} f_{n}(x), x \in X

Доказать, что fXf \in X^{*}.

?
Задача 3.9

Определить, являются ли данные функционалы на C([0,1])C(\left[0,1\right]) линейными и непрерывными. Для непрерывных линейных функционалов вычислить их норму, используя определение:

?
(1)

f(x)=x(0)f(x) = x(0);

(2)

f(x)=01x(t)dtf(x) = \int_{0}^{1} x(t) d t;

(3)

f(x)=01x(t)dtf(x) = \int_{0}^{1}\left|x(t)\right| d t;

(4)

f(x)=xf(x) = \left\| x\right\|;

(5)

f(x)=n=112nx(12n)f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{1}{2^{n}} x\left(\frac{1}{2^{n}}\right);

(6)

f(x)=01tx(t)dtf(x) = \int_{0}^{1} t x(t) d t;

(7)

f(x)=01x(t)sign(t12)dtf(x) = \int_{0}^{1} x(t) \operatorname {sign}\left(t-\frac{1}{2}\right) d t;

(8)

f(x)=01signx(t)dtf(x) = \int_{0}^{1} \operatorname {sign} x(t) d t;

(9)

f(x)=01tx2(t)dtf(x) = \int_{0}^{1} t x^{2}(t) d t;

(10)

f(x)=01(12t)x(t)dt;f(x) = \int_{0}^{1}(1-2 t) x(t) d t ;

(11)

f(x)=01x(t)cosπtdtf(x) = \int_{0}^{1} x(t) \cos \pi t d t;

(12)

f(x)=01x(t)sinπtdtf(x) = \int_{0}^{1} x(t) \sin \pi t d t;

(13)

f(x)=01x(t)cosπtdtf(x) = \int_{0}^{1}\left|x(t)\right| \cos \pi t d t;

(14)

f(x)=01x(t)dtx(0)f(x) = \int_{0}^{1} x(t) d t-x(0);

(15)

f(x)=013x(t)dt131x(t)dt;f(x) = \int_{0}^{\frac{1}{3}} x(t) d t-\int_{\frac{1}{3}}^{1} x(t) d t ;

(16)

f(x)=k=1nλkx(tk)f(x) = \sum_{k = 1}^{n} \lambda_{k} x\left(t_{k}\right), где t1,,tnt_{1}, \ldots , t_{n} — набор различных точек из [0,1],λ1,,λn\left[0,1\right], \lambda_{1}, \ldots , \lambda_{n} — набор действительных чисел.

Задача 3.10

Определить, являются ли данные функционалы линейными и непрерывными. Для непрерывных линейных функционалов вычислить их норму, используя определение:

?
(1)

X=l1,f(x)=n=1xnX = l_{1}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n};

(2)

X=l1,f(x)=n=1(11n)xnX = l_{1}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty }\left(1-\frac{1}{n}\right) x_{n};

(3)

X=l1,f(x)=n=1xnynX = l_{1}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n} y_{n}, где yly \in l_{\infty } фиксировано;

(4)

X=l2,f(x)=n=1xn2X = l_{2}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty }\left|x_{n}\right|^{2};

(5)

X=l2,f(x)=n=1xnn(n+1)X = l_{2}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{n}}{\sqrt{n(n+1)}};

(6)

X=l2,f(x)=n=1(1)nxnnX = l_{2}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty }(-1)^{n} \frac{x_{n}}{n};

(7)

X=l43,f(x)=n=1x2n3n/4X = l_{\frac{4}{3}}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{2 n}}{3^{n / 4}};

(8)

X=l1,f(x)=n=1(1(1)n)n1nxnX = l_{1}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty }\left(1-(-1)^{n}\right) \frac{n-1}{n} x_{n};

(9)

X=lp,1p<+,f(x)=n=1xnnX = l_{p}, 1 \leq p < +\infty , f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{n}}{n};

(10)

X=lp,1p+,f(x)=n=1xn2nX = l_{p}, 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{n}}{2^{n}};

(11)

X=lp,1p+,f(x)=sign(x1)X = l_{p}, 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = \operatorname {sign}\left(x_{1}\right);

(12)

X=lp,1p<+,f(x)=n:xn0e1xnX = l_{p}, 1 \leq p < +\infty , f(x) = \sum_{n: x_{n} \neq 0} e^{-\frac{1}{\left|x_{n}\right|}};

(13)

X=lp,1p+,f(x)=xj,jNX = l_{p}, 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = x_{j}, j \in \mathbb {N} фиксировано;

(14)

X=lp,1p+,f(x)=xj+xj+1,jNX = l_{p}, 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = x_{j}+x_{j+1}, j \in \mathbb {N} фиксировано;

(15)

X=lp,1p+,f(x)=x1+2x2X = l_{p}, 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = x_{1}+2 x_{2}.

Задача 3.11

Определить, являются ли данные функционалы линейными и непрерывными. Для непрерывных линейных функционалов вычислить их норму, используя определение:

?
(1)

X=L2([0,1]),f(x)=01tx(t)dt;X = L_{2}(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1} t x(t) d t ;

(2)

X=L2([0,1]),f(x)=01x(t)sign(t12)dtX = L_{2}(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1} x(t) \operatorname {sign}\left(t-\frac{1}{2}\right) d t;

(3)

X=L2([0,1]),f(x)=01x(t)t4dtX = L_{2}(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1} \frac{x(t)}{\sqrt[4]{t}} d t;

(4)

X=L2([0,1]),f(x)=01x(t)34dtX = L_{2}(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1}\left|x(t)\right|^{\frac{3}{4}} d t;

(5)

X=Lp([0,1]),1p+,f(x)=01tx(t)dt;X = L_{p}(\left[0,1\right]), 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = \int_{0}^{1} t x(t) d t ;

(6)

X=Lp([0,π2]),1p+,f(x)=0π2x(t)sintdt;X = L_{p}\left(\left[0, \frac{\pi }{2}\right]\right), 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = \int_{0}^{\frac{\pi }{2}} x(t) \sin t d t ;

(7)

X=Lp([0,1]),1p+,f(x)=012tx(t)dt;X = L_{p}(\left[0,1\right]), 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = \int_{0}^{\frac{1}{2}} t x(t) d t ;

(8)

X=Lp([0,2]),1p+,f(x)=01x(t)dt312x(t)dtX = L_{p}(\left[0,2\right]), 1 \leq p \leq +\infty , f(x) = \int_{0}^{1} x(t) d t-3 \int_{1}^{2} x(t) d t;

(9)

X=L1(R),f(x)=Rx(t)arctgtdtX = L_{1}(\mathbb {R}), f(x) = \int_{\mathbb {R}} x(t) \operatorname {arctg} t d t.

Задача 3.12

Определить, являются ли данные функционалы линейными и непрерывными. Для непрерывных линейных функционалов вычислить их норму, используя определение:

?
(1)

X=C1([0,1])X = C^{1}(\left[0,1\right]) с нормой x=maxt[0,1]x(t)+maxt[0,1]x(t),f(x)=x(0);\left\| x\right\| = \max_{t \in [0,1]}\left|x(t)\right|+\max_{t \in [0,1]}\left|x^{\prime }(t)\right|, f(x) = x^{\prime }(0) ;

(2)

X=C1([0,1])X = C^{1}(\left[0,1\right]) с равномерной нормой, f(x)=x(0)f(x) = x^{\prime }(0);

(3)

X=C1([0,1])X = C^{1}(\left[0,1\right]) с равномерной нормой, f(x)=01x(t)sinπtdtf(x) = \int_{0}^{1} x^{\prime }(t) \sin \pi t d t;

(4)

X=C1([0,1])X = C^{1}(\left[0,1\right]) с нормой x=maxt[0,1]x(t)+maxt[0,1]x(t),f(x)=x(0)+x(1);\left\| x\right\| = \max_{t \in [0,1]}\left|x(t)\right|+\max_{t \in [0,1]}\left|x^{\prime }(t)\right|, f(x) = x^{\prime }(0)+ x(1) ;

(5)

X=C([0,1]),f(x)=01x(t)dtX = C(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1} x(\sqrt{t}) d t;

(6)

X=C([0,1]),f(x)=01x(t2)dtX = C(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1} x\left(t^{2}\right) d t;

(7)

X={xL2([0,1])01x(tα)dt<+},α>0,X=L2([0,1])X = \left\{ x \in L_{2}(\left[0,1\right])\left|\int_{0}^{1}\right| x\left(t^{\alpha }\right) \mid d t < +\infty \right\} , \alpha > 0,\left\| \cdot \right\|_{X} = \left\| \cdot \right\|_{L_{2}(\left[0,1\right])},

f(x)=01x(tα)dt f(x) = \int _{0}^{1} x\left(t^{\alpha }\right) d t
(8)

X=C([0,1]),f(x)=limn01x(tn)dtX = C(\left[0,1\right]), f(x) = \lim_{n \rightarrow \infty } \int_{0}^{1} x\left(t^{n}\right) d t;

(9)

X=c,f(x)=limnxnX = c, f(x) = \lim_{n \rightarrow \infty } x_{n};

(10)

X={xl2n=1xnsinn сходится},X=l2,f(x)=n=1xnsinnX = \left\{ x \in l_{2} \mid \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n} \sin n \text{ сходится}\right\} , \left\| \cdot \right\|_{X} = \left\| \cdot \right\|_{l_{2}}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n} \sin n;

(11)

X={xl2n=1xn2 сходится},X=l2,f(x)=n=1xn2X = \left\{ x \in l_{2} \mid \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n^{2}} \text{ сходится}\right\} , \left\| \cdot \right\|_{X} = \left\| \cdot \right\|_{l_{2}}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n^{2}};

(12)

X={xln=1xnyn сходится}X = \left\{ x \in l_{\infty } \mid \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n} y_{n} \text{ сходится}\right\}, где {yn:n1}\left\{ y_{n}: n \geq 1\right\} — фиксированная последовательность такая, что ряд n=1yn\sum_{n = 1}^{\infty } y_{n} сходится условно, X=l,f(x)=n=1xnyn\left\| \cdot \right\|_{X} = \left\| \cdot \right\|_{l_{\infty }}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n} y_{n}.

Задача 3.13

Доказать, что l1ll_{1} \subset l_{\infty }^{*}, т.е. для каждого элемента a=(a1,,an,)l1a = \left(a_{1}, \ldots , a_{n}, \ldots \right) \in l_{1} функционал

fa(x)=n=1anxn,x=(x1,,xn,)l f_{a}(x) = \sum _{n = 1}^{\infty } a_{n} x_{n}, x = \left(x_{1}, \ldots , x_{n}, \ldots \right) \in l_{\infty }

линеен и непрерывен на ll_{\infty }, и fa=a1\left\| f_{a}\right\| = \left\| a\right\|_{1}.

?
Задача 3.14

Доказать, что L1(T,μ)(L(T,μ))L_{1}(T, \mu ) \subset \left(L_{\infty }(T, \mu )\right)^{*}, т.е. для каждого элемента hL1(T,μ)h \in L_{1}(T, \mu ) функционал f(x)=Th(t)x(t)dμ(t),xL(T,μ)f(x) = \int_{T} h(t) x(t) d \mu (t), x \in L_{\infty }(T, \mu ), линеен и непрерывен на L(T,μ)L_{\infty }(T, \mu ), и f=h1\left\| f\right\| = \left\| h\right\|_{1}.

?
Задача 3.15

Используя описание сопряжённого пространства (C([a,b]))(C(\left[a, b\right]))^{*}, доказать линейность и непрерывность данных функционалов на C([a,b])C(\left[a, b\right]) и вычислить их нормы:

?
(1)

X=C([a,b]),f(x)=12(x(a)+x(b))X = C(\left[a, b\right]), f(x) = \frac{1}{2}(x(a)+x(b));

(2)

X=C([0,1]),f(x)=x(0)X = C(\left[0,1\right]), f(x) = x(0);

(3)

X=C([1,1]),f(x)=x(0)2ix(1)+(4+3i)x(1)X = C(\left[-1,1\right]), f(x) = x(0)-2 i x(-1)+(4+3 i) x(1);

(4)

X=C([0,1]),f(x)=x(0)+01t2x(t)dtX = C(\left[0,1\right]), f(x) = x(0)+\int_{0}^{1} t^{2} x(t) d t;

(5)

X=C([1,1]),f(x)=10x(t)dt01x(t)dt;X = C(\left[-1,1\right]), f(x) = \int_{-1}^{0} x(t) d t-\int_{0}^{1} x(t) d t ;

(6)

X=C([0,2]),f(x)=01tx(t)dtX = C(\left[0,2\right]), f(x) = \int_{0}^{1} t x(t) d t;

(7)

X=C([0,2]),f(x)=01(12t)x(t)dtix(0)+2x(2);X = C(\left[0,2\right]), f(x) = \int_{0}^{1}(1-2 t) x(t) d t-i x(0)+2 x(2) ;

(8)

X=C([0,π]),f(x)=0πx(t)costdt;X = C(\left[0, \pi \right]), f(x) = \int_{0}^{\pi } x(t) \cos t d t ;

(9)

X=C([0,π]),f(x)=0πx(t)costdt;X = C(\left[0, \pi \right]), f(x) = \int_{0}^{\pi } x(t)\left|\cos t\right| d t ;

(10)

X=C([0,π]),f(x)=0πx(t)costdt+i0πx(t)sintdt;X = C(\left[0, \pi \right]), f(x) = \int_{0}^{\pi } x(t) \cos t d t+i \int_{0}^{\pi } x(t) \sin t d t ;

(11)

X=C([0,1]),f(x)=0ln2etx(t)dt+2ix(1);X = C(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{\ln 2} e^{t} x(t) d t+2 i x(1) ;

(12)

X=C([1,2]),f(x)=11tx(t)dt+312x(t)dt2x(0);X = C(\left[-1,2\right]), f(x) = \int_{-1}^{1}\left|t\right| x(t) d t+3 \int_{1}^{2} x(t) d t-2 x(0) ;

(13)

X=C([0,1]),f(x)=n=1(1)nn2x(1n)X = C(\left[0,1\right]), f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{(-1)^{n}}{n^{2}} x\left(\frac{1}{n}\right);

(14)

X=C([0,1]),f(x)=n=11(4n+1)(4n+5)x(1n2)X = C(\left[0,1\right]), f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{1}{(4 n+1)(4 n+5)} x\left(\frac{1}{n^{2}}\right);

(15)

X=C([0,1]),f(x)=n=1(1)n2nx(11n)X = C(\left[0,1\right]), f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{(-1)^{n}}{2^{n}} x\left(1-\frac{1}{n}\right);

(16)

X=C([a,b]),f(x)=k=1nλkx(tk)X = C(\left[a, b\right]), f(x) = \sum_{k = 1}^{n} \lambda_{k} x\left(t_{k}\right), где t1,,tnt_{1}, \ldots , t_{n} — набор различных точек из [a,b],λ1,,λn\left[a, b\right], \lambda_{1}, \ldots , \lambda_{n} — набор комплексных чисел;

(17)

X=C([0,1]),f(x)=01x(t2)dtX = C(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1} x\left(t^{2}\right) d t.

Задача 3.16

Пусть 1p+1 \leq p \leq +\infty фиксировано. Используя описания соответствующих сопряжённых пространств, доказать линейность и непрерывность данных функционалов и вычислить их нормы:

?
(1)

X=l1,f(x)=n=1xnnX = l_{1}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{n}}{n};

(2)

X=l1,f(x)=n=1xnarctgnX = l_{1}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n} \operatorname {arctg} n;

(3)

X=l2,f(x)=n=1xnn(n+1)X = l_{2}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{n}}{\sqrt{n(n+1)}};

(4)

X=l,f(x)=n=2xnn21X = l_{\infty }, f(x) = \sum_{n = 2}^{\infty } \frac{x_{n}}{n^{2}-1};

(5)

X=l43,f(x)=x1+34ix3X = l_{\frac{4}{3}}, f(x) = x_{1}+\sqrt[4]{3} i x_{3};

(6)

X=l75,f(x)=n=1x3nn47X = l_{\frac{7}{5}}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{3 n}}{\sqrt[7]{n^{4}}};

(7)

X=lp,f(x)=xjX = l_{p}, f(x) = x_{j}, где jNj \in \mathbb {N} фиксировано;

(8)

X=lp,f(x)=2ix1+4x2X = l_{p}, f(x) = 2 i x_{1}+4 x_{2};

(9)

X=lp,f(x)=n=1xn2nX = l_{p}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{n}}{2^{n}};

(10)

X=l2,f(x)=n=1n2n/2xnX = l_{2}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{\sqrt{n}}{2^{n / 2}} x_{n};

(11)

X=L1(R),f(x)=Rx(t)arcctgtdt;X = L_{1}(\mathbb {R}), f(x) = \int_{\mathbb {R}} x(t) \operatorname {arcctg} t d t ;

(12)

X=L2([0,2π]),f(x)=0πx(t)eitsintdt;X = L_{2}(\left[0,2 \pi \right]), f(x) = \int_{0}^{\pi } x(t) e^{i t} \sin t d t ;

(13)

X=Lp([1,4]),f(x)=12tx(t)dt234x(t)dtX = L_{p}(\left[1,4\right]), f(x) = \int_{1}^{2} t x(t) d t-2 \int_{3}^{4} x(t) d t;

(14)

X=Lp(R),f(x)=Ret2x(t)dt;X = L_{p}(\mathbb {R}), f(x) = \int_{\mathbb {R}} e^{-t^{2}} x(t) d t ;

(15)

X=L([0,+)),f(x)=0+sin2tt2x(t)dtX = L_{\infty }([0,+\infty )), f(x) = \int_{0}^{+\infty } \frac{\sin^{2} t}{t^{2}} x(t) d t.

Задача 3.17

Пусть 1p<+1 \leq p < +\infty фиксировано. При каких αR\alpha \in \mathbb {R} следующие функционалы принадлежат соответствующим сопряжённым пространствам? Вычислить нормы этих функционалов.

?
(1)

X=lp,f(x)=n=1xnnαX = l_{p}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{x_{n}}{n^{\alpha }};

(2)

X=lp,f(x)=n=1xn((n+1)αnα)X = l_{p}, f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n}\left((n+1)^{\alpha }-n^{\alpha }\right);

(3)

X=Lp([0,1]),f(x)=01x(t)tαdtX = L_{p}(\left[0,1\right]), f(x) = \int_{0}^{1} \frac{x(t)}{t^{\alpha }} d t;

(4)

X=Lp([0,+)),f(x)=0+tαetx(t)dtX = L_{p}([0,+\infty )), f(x) = \int_{0}^{+\infty } t^{\alpha } e^{-t} x(t) d t;

(5)

X=Lp([0,π2]),f(x)=0π2x(t)sinαtdtX = L_{p}\left(\left[0, \frac{\pi }{2}\right]\right), f(x) = \int_{0}^{\frac{\pi }{2}} x(t) \sin^{\alpha } t d t.

Задача 3.18
?
(1)

Установить общий вид линейного функционала на конечномерном НЛП и доказать, что каждый линейный функционал на этом пространстве непрерывен.

(2)

Описать все подмножества MR2M \subset \mathbb {R}^{2}, для которых существует ненулевой линейный функционал ff на R2\mathbb {R}^{2} такой, что Kerf=M\operatorname {Ker} f = M. Также решить эту задачу для подмножеств R3\mathbb {R}^{3}.

Задача 3.19

Доказать, что c0=l1c_{0}^{*} = l_{1}, и каждый непрерывный линейный функционал на c0c_{0} задаётся формулой f(x)=n=1xnan,xc0f(x) = \sum_{n = 1}^{\infty } x_{n} a_{n}, x \in c_{0}, где a=(a1,,an,)l1a = \left(a_{1}, \ldots , a_{n}, \ldots \right) \in l_{1} — фиксированный элемент, f=a1\left\| f\right\| = \left\| a\right\|_{1}.

?
Задача 3.20

Доказать, что c=l1c^{*} = l_{1}, и каждый непрерывный линейный функционал на cc задаётся формулой f(x)=a0limnxn+n=1anxn,xcf(x) = a_{0} \lim_{n \rightarrow \infty } x_{n}+\sum_{n = 1}^{\infty } a_{n} x_{n}, x \in c, где a=(a0,a1,,an,)l1a = \left(a_{0}, a_{1}, \ldots , a_{n}, \ldots \right) \in l_{1} — фиксированный элемент, f=a1\left\| f\right\| = \left\| a\right\|_{1}.

?
Задача 3.21

Описать все непрерывные линейные функционалы на c0c_{0}, которые достигают своей нормы на Bˉ(0,1)\bar{B}(0,1).

?
Задача 3.22
?
(1)

Найти общий вид непрерывного линейного функционала в действительном банаховом пространстве C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right]).

(2)

Найти общий вид непрерывного линейного функционала в действительном банаховом пространстве Cn([a,b])C^{n}(\left[a, b\right]), где nNn \in \mathbb {N} фиксировано.

Задача 3.23

Доказать, что f(x)=abp(t)x(t)dt,xC([a,b])f(x) = \int_{a}^{b} p(t) x(t) d t, x \in C(\left[a, b\right]) является непрерывным линейным функционалом, и вычислить его норму, если

?
(1)

pC([a,b])p \in C(\left[a, b\right]) — фиксированная функция;

(2)

pL1([a,b])p \in L_{1}(\left[a, b\right]) — фиксированная функция.

Задача 3.24

Привести пример функционала fC([0,1])f \in C(\left[0,1\right])^{*}, для которого

?
(1)

не существует элемента x0C([0,1])x_{0} \in C(\left[0,1\right]) такого, что x0=1\left\| x_{0}\right\| = 1 и f(x0)=ff\left(x_{0}\right) = \left\| f\right\|;

(2)

существует бесконечно много таких элементов;

(3)

существует ровно один такой элемент.

Задача 3.25

В пространствах l1l_{1} и cc привести примеры непрерывных линейных функционалов, которые достигают и которые не достигают своей нормы на замкнутом единичном шаре.

?
Задача 3.26

Пусть XX — НЛП.

?
(1)

Может ли существовать функционал fXf \in X^{*}, для которого

(a) !x0Bˉ(0,1):f(x0)=f\exists !x_{0} \in \bar{B}(0,1):\left|f\left(x_{0}\right)\right| = \left\| f\right\|?

(b) !x0Bˉ(0,1):f(x0)=f\exists !x_{0} \in \bar{B}(0,1): f\left(x_{0}\right) = \left\| f\right\|?

(2)

Пусть fX\{0}f \in X^{*} \backslash \left\{ 0\right\}. Верно ли, что

(a) если xX,f(x)=fx \in X,\left|f(x)\right| = \left\| f\right\|, то x=1\left\| x\right\| = 1?

(b) если xBˉ(0,1),f(x)=fx \in \bar{B}(0,1),\left|f(x)\right| = \left\| f\right\|, то x=1\left\| x\right\| = 1?

(3)

Пусть fXf \in X^{*}. Рассмотрим следующие утверждения:

(a) xX,x0:f(x)=fx\exists x \in X, x \neq 0:\left|f(x)\right| = \left\| f\right\| \cdot \left\| x\right\|;

(b) xBˉ(0,1):f(x)=f\exists x \in \bar{B}(0,1):\left|f(x)\right| = \left\| f\right\|;

(c) xBˉ(0,1):f(x)=f\exists x \in \bar{B}(0,1): f(x) = \left\| f\right\|.

Какие из этих утверждений равносильны?

Задача 3.27

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — два нормированных линейных пространства такие, что X1X2X_{1} \subset X_{2}, и сходимость xnxx_{n} \rightarrow x в X1X_{1} влечёт сходимость xnxx_{n} \rightarrow x в X2X_{2}. Для заданного fX2f \in X_{2}^{*} положим g(x)=f(x),xX1g(x) = f(x), x \in X_{1}. Доказать, что gX1g \in X_{1}^{*}.

?
Задача 3.28

Пусть XX — НЛП, fX\{0},L:={xXf(x)=1}f \in X^{*} \backslash \left\{ 0\right\} , L: = \left\{ x \in X \mid f(x) = 1\right\}. Доказать, что 1f=infxLx\frac{1}{\left\| f\right\| } = \inf_{x \in L}\left\| x\right\|.

?
Задача 3.29

Пусть XX — НЛП над полем K,f\mathbb {K}, f — линейный функционал на XX. Доказать, что каждое из следующих условий равносильно непрерывности ff:

?
(1)

существует R>0R > 0 такое, что множество f(Bˉ(0,R))f(\bar{B}(0, R)) ограничено;

(2)

для любой последовательности {xn:n1}X\left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} \subset X, сходящейся к нулю, множество {f(xn):n1}\left\{ f\left(x_{n}\right) : n \geq 1\right\} ограничено;

(3)

для любой фундаментальной последовательности {xn:n1}X\left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} \subset X последовательность чисел {f(xn):n1}\left\{ f\left(x_{n}\right) : n \geq 1\right\} сходится в K\mathbb {K}.

(4)

для любого действительного cRc \in \mathbb {R} множество {xf(x)<c}\left\{ x \mid f(x) < c\right\} является открытым множеством (в случае K=R\mathbb {K} = \mathbb {R});

(5)

существует C>0C > 0 такое, что множество {xf(x)C}\left\{ x \mid \left|f(x)\right| \leq C\right\} имеет внутренние точки.

Задача 3.30

Пусть XX — НЛП над полем K\mathbb {K}, а ff — линейный неограниченный функционал на XX. Доказать, что ff принимает все значения из поля K\mathbb {K} в любой окрестности нуля. Верно ли, что ff принимает все значения из поля K\mathbb {K} в любой окрестности любой точки?

?
Задача 3.31

Пусть XX — НЛП над полем K\mathbb {K}, а f,gXf, g \in X^{*} таковы, что KerfKerg\operatorname {Ker} f \subset \operatorname {Ker} g. Доказать, что существует αK\alpha \in \mathbb {K} такое, что g=αfg = \alpha f.

?
Задача 3.32

Пусть XX — НЛП, f,f1,,fnf, f_{1}, \ldots , f_{n} — линейные функционалы на XX. Доказать, что ff является линейной комбинацией функционалов f1,,fnf_{1}, \ldots , f_{n} тогда и только тогда, когда

k=1nKerfkKerf. \bigcap _{k = 1}^{n} \operatorname {Ker} f_{k} \subset \operatorname {Ker} f.
?
Задача 3.33

В каких нормированных линейных пространствах XX существует функционал fXf \in X^{*}

?
(1)

такой, что f(x)=fx,xX\left|f(x)\right| = \left\| f\right\| \cdot \left\| x\right\| , x \in X?

(2)

такой, что Kerf={0}\operatorname {Ker} f = \left\{ 0\right\}?

Задача 3.34

Пусть на НЛП XX заданы функционалы f,gXf, g \in X^{*} такие, что KerfKerg={0}\operatorname {Ker} f \cap \operatorname {Ker} g = \left\{ 0\right\}. Доказать, что dimX2\operatorname {dim} X \leq 2.

?
Задача 3.35

Пусть XX — НЛП над полем K,f\mathbb {K}, f — ненулевой линейный функционал на XX. Доказать, что ff — открытое отображение, т.е. образ любого открытого множества в XX при отображении ff является открытым множеством в K\mathbb {K}.

?
Задача 3.36

Пусть XX — НЛП, ff — линейный функционал на XX. Доказать, что fXf \in X^{*} тогда и только тогда, когда Kerf\operatorname {Ker} f — замкнутое множество.

?
Задача 3.37

Пусть XX — НЛП над полем K\mathbb {K}, ff — линейный функционал на XX. Доказать, что

?
(1)

Kerf\operatorname {Ker} f замкнуто в XX или плотно в XX;

(2)

если множество {xXf(x)=c0}\left\{ x \in X \mid f(x) = c_{0}\right\} замкнуто при некотором c0Kc_{0} \in \mathbb {K}, то множество {xXf(x)=c}\left\{ x \in X \mid f(x) = c\right\} замкнуто при каждом cKc \in \mathbb {K}.

Задача 3.38

Пусть XX — НЛП, fXf \in X^{*}. Доказать, что f(x)=fρ(x,Kerf)\left|f(x)\right| = \left\| f\right\| \cdot \rho (x, \operatorname {Ker} f) для всех xXx \in X, где ρ(x,Kerf)=infyKerfxy\rho (x, \operatorname {Ker} f) = \inf_{y \in \operatorname {Ker} f}\left\| x-y\right\|.

?
Задача 3.39

Пусть XX — НЛП над полем K=R,fX\mathbb {K} = \mathbb {R}, f \in X^{*}, а элементы x0,y0Xx_{0}, y_{0} \in X таковы, что f(x0)f(y0)<0f\left(x_{0}\right) \cdot f\left(y_{0}\right) < 0. Доказать, что

x0y0ρ(x0,Kerf)+ρ(y0,Kerf) \left\| x_{0}-y_{0}\right\| \geq \rho \left(x_{0}, \operatorname {Ker} f\right)+\rho \left(y_{0}, \operatorname {Ker} f\right)
?
Задача 3.40

Пусть XX — НЛП, fX,f0f \in X^{*}, f \neq 0.

?
(1)

Доказать, что следующие утверждения равносильны:

(a) существует элемент zBˉ(0,1)z \in \bar{B}(0,1) такой, что f(z)=f\left|f(z)\right| = \left\| f\right\|;

(b) для каждого xXx \in X существует yKerfy \in \operatorname {Ker} f такой, что ρ(x,Kerf)=xy\rho (x, \operatorname {Ker} f) = \left\| x-y\right\| (т.е. yy — элемент наилучшего приближения для xx в Kerf\operatorname {Ker} f);

(c) для некоторого xX\Kerfx \in X \backslash \operatorname {Ker} f существует yKerfy \in \operatorname {Ker} f такой, что ρ(x,Kerf)=xy\rho (x, \operatorname {Ker} f) = \left\| x-y\right\|.

(2)

При каких условиях на функционал ff для каждого элемента xXx \in X существует не более одного элемента наилучшего приближения в Kerf\operatorname {Ker} f?

Задача 3.41

Привести примеры подпространств LL в X=C([0,1])X = C(\left[0,1\right]) и в X=c0X = c_{0} таких, что

?
(1)

для любого x0Lx_{0} \notin L не существует элемента наилучшего приближения в LL;

(2)

для любого x0Lx_{0} \notin L существует бесконечно много элементов наилучшего приближения в LL.

Задача 3.42

Линейный функционал ff на пространстве C([a,b])C(\left[a, b\right]) называется неотрицательным, если для каждой xC([a,b])x \in C(\left[a, b\right]) такой, что x(t)0,t[a,b]x(t) \geq 0, t \in [a, b], выполняется неравенство f(x)0f(x) \geq 0. Доказать следующие утверждения.

?
(1)

Неотрицательный функционал ff на действительном пространстве C([a,b])C(\left[a, b\right]) непрерывен, и f=f(e0)\left\| f\right\| = f\left(e_{0}\right), где e0(t)=1,t[a,b]e_{0}(t) = 1, t \in [a, b].

(2)

Утверждение пункта (1) верно и в комплексном пространстве C([a,b])C(\left[a, b\right]).

(3)

Если функционал f(C([a,b]))f \in (C(\left[a, b\right]))^{*} таков, что f=f(e0)\left\| f\right\| = f\left(e_{0}\right), то ff неотрицателен.

Задача 3.43

Установить необходимое и достаточное условие на функцию gBV0([a,b])g \in B V_{0}(\left[a, b\right]), при котором функционал f(x)=abx(t)dg(t)f(x) = \int_{a}^{b} x(t) d g(t) неотрицателен.

?
Задача 3.44

Доказать, что для каждого функционала f(C([a,b]))f \in (C(\left[a, b\right]))^{*}, где C([a,b])C(\left[a, b\right]) — действительное пространство, существуют неотрицательные функционалы f1f_{1} и f2f_{2} такие, что f=f1f2f = f_{1}-f_{2}.

?
Задача 3.45

Линейный функционал ff на действительном пространстве C([a,b])C(\left[a, b\right]) называется мультипликативным, если f(xy)=f(x)f(y),x,yC([a,b])f(x y) = f(x) f(y), x, y \in C(\left[a, b\right]). Доказать, что

?
(1)

для фиксированного τ[a,b]\tau \in [a, b] функционал f(x)=x(τ),xC([a,b])f(x) = x(\tau ), x \in C(\left[a, b\right]), мультипликативен;

(2)

каждый ненулевой мультипликативный функционал непрерывен и имеет норму, равную единице;

(3)

если ff — ненулевой мультипликативный функционал, то существует τ[a,b]\tau \in [a, b] такое, что f(x)=x(τ),xC([a,b])f(x) = x(\tau ), x \in C(\left[a, b\right]).

Задача 3.46

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — два нормированных линейных пространства, X:=X1X2X: = X_{1} \bigoplus X_{2} — их прямая сумма с нормой

(x1,x2)p=(x1X1p+x2X2p)1p,1p<+. \left\| \left(x_{1}, x_{2}\right)\right\| _{p} = \left(\left\| x_{1}\right\| _{X_{1}}^{p}+\left\| x_{2}\right\| _{X_{2}}^{p}\right)^{\frac{1}{p}}, 1 \leq p < +\infty .

Доказать, что каждый функционал hXh \in X^{*} единственным образом представляется в виде

h((x,y))=f1(x)+f2(y),(x,y)X, h((x, y)) = f_{1}(x)+f_{2}(y), \quad (x, y) \in X,

где fiXi,i=1,2f_{i} \in X_{i}^{*}, i = 1,2.

?
Задача 3.47

Доказать, что в бесконечномерном НЛП существуют линейные разрывные функционалы.

?
Задача 3.48

Пусть XX — НЛП, MXM \subset X — выпуклое плотное подмножество в XX и fXf \in X^{*}. Доказать, что множество MKerfM \cap \operatorname {Ker} f плотно в Kerf\operatorname {Ker} f.

?
Задача 3.49

(Ямабэ) Пусть XX — НЛП, MXM \subset X — выпуклое плотное подмножество в X,xX,ε>0,f1,,fnXX, x \in X, \varepsilon > 0, f_{1}, \ldots , f_{n} \in X^{*}. Доказать, что yM,xy<ε:fi(y)=fi(x),1in\exists y \in M,\left\| x-y\right\| < \varepsilon : f_{i}(y) = f_{i}(x), 1 \leq i \leq n.

?
Задача 3.50

Доказать, что для любой функции xC([a,b])x \in C(\left[a, b\right]), любых точек t1,,tn[a,b]t_{1}, \ldots , t_{n} \in [a, b] и любого ε>0\varepsilon > 0 существует многочлен pp такой, что maxt[a,b]x(t)p(t)<ε\max_{t \in [a, b]}\left|x(t)-p(t)\right| < \varepsilon, и p(ti)=x(ti),1inp\left(t_{i}\right) = x\left(t_{i}\right), 1 \leq i \leq n.

?