Глава IV

Локально выпуклые пространства

[71/0%]
Показать
LaTeX
§
Задача IV.1.1

Пусть X\mathscr {X} — ТВП, и пусть U\mathscr {U} — все открытые множества, содержащие 00. Докажите следующее.

?
(a)

Если UUU \in \mathscr {U}, существует VV из U\mathscr {U}, такое что V+VUV + V \subseteq U.

(b)

Если UUU \in \mathscr {U}, существует VV из U\mathscr {U}, такое что VUV \subseteq U и αVV\alpha V \subseteq V для всех α1\left|\alpha \right| \le 1. (VV уравновешено.)

Задача IV.1.2

Покажите, что локально выпуклое пространство является топологическим векторным пространством.

?
Задача IV.1.3

Предположим, что X\mathscr {X} — ТВП, но не предполагайте, что X\mathscr {X} хаусдорфово.

?
(a)

Покажите, что X\mathscr {X} хаусдорфово тогда и только тогда, когда одноточечное множество {0}\left\{ 0\right\} замкнуто.

(b)

Если X\mathscr {X} хаусдорфово, покажите, что X\mathscr {X} — регулярное топологическое пространство.

Задача IV.1.4

Пусть X\mathscr {X} — ТВП. Покажите:

?
(a)

если x0Xx_0 \in \mathscr {X}, отображение xx+x0x \mapsto x + x_0 является гомеоморфизмом X\mathscr {X} на X\mathscr {X};

(b)

если αF\alpha \in \mathbb {F} и α0\alpha \ne 0, отображение xαxx \mapsto \alpha x является гомеоморфизмом.

Задача IV.1.5

Докажите следующее. Если X\mathscr {X} — ТВП, а p1,,pnp_1, \dots , p_n — непрерывные полунормы, то p1++pnp_1 + \cdots + p_n и maxi(pi(x))\max_i(p_i(x)) — непрерывные полунормы. Если {pi}\left\{ p_i\right\} — семейство непрерывных полунорм, для которого существует непрерывная полунорма qq с piqp_i \le q для всех ii, то xsupi{pi(x)}x \mapsto \sup_i \left\{ p_i(x)\right\} задаёт непрерывную полунорму.

?
Задача IV.1.6

Пусть XX вполне регулярно, и пусть C(X)C(X) — все непрерывные функции из XX в F\mathbb {F}. Если KK — компактное подмножество XX, определим pK(f)=sup{f(x):xK}p_K(f) = \sup \left\{ \left|f(x)\right| : x \in K\right\}. Тогда {pK:K компактно в X}\left\{ p_K : K \text{ компактно в } X\right\} — семейство полунорм, превращающее C(X)C(X) в локально выпуклое пространство. Проверьте эти утверждения. Также покажите, что сеть {fi}\left\{ f_i\right\} из C(X)C(X) сходится к ff тогда и только тогда, когда fiff_i \to f равномерно на компактных подмножествах XX.

?
Задача IV.1.7

Пусть GG — открытое подмножество C\mathbb {C}, и пусть H(G)H(G) — подмножество CC(G)C_{\mathbb {C}}(G), состоящее из всех аналитических функций на GG. Для компактного KK из GG определим полунорму pK(f)=sup{f(x):xK}p_K(f) = \sup \left\{ \left|f(x)\right| : x \in K\right\}, и наделим H(G)H(G) локально выпуклой топологией, определяемой семейством {pK:K компактно в G}\left\{ p_K : K \text{ компактно в } G\right\}. Покажите, что пространство H(G)H(G) полно. (Каждая фундаментальная сеть сходится.)

?
Задача IV.1.8

Пусть X\mathscr {X} — нормированное пространство. Для каждого xx^* из X\mathscr {X}^* определим px(x)=x(x)p_{x^*}(x) = \left|x^*(x)\right|. Тогда pxp_{x^*} — полунорма, и если P={px:xX}\mathscr {P} = \left\{ p_{x^*} : x^* \in \mathscr {X}^*\right\}, то P\mathscr {P} превращает X\mathscr {X} в локально выпуклое пространство. Топология, определяемая на X\mathscr {X} этими полунормами, называется слабой топологией и часто обозначается σ(X,X)\sigma (\mathscr {X}, \mathscr {X}^*). Проверьте эти утверждения. Приведите базис системы окрестностей в 00.

?
Задача IV.1.9

Пусть X\mathscr {X} — нормированное пространство, и для каждого xx из X\mathscr {X} определим px:X[0,)p_x : \mathscr {X}^* \to [0, \infty ) формулой px(x)=x(x)p_x(x^*) = \left|x^*(x)\right|. Тогда pxp_x — полунорма, и P={px:xX}\mathscr {P} = \left\{ p_x : x \in \mathscr {X}\right\} превращает X\mathscr {X}^* в локально выпуклое пространство. Топология, определяемая этими полунормами, называется слабой-* (или слабой звёздной, или wk*) топологией на X\mathscr {X}^*. Она часто обозначается σ(X,X)\sigma (\mathscr {X}^*, \mathscr {X}). Проверьте эти утверждения.

?
Задача IV.1.10

Докажите следующее.

?
(a)

Множество AA выпукло тогда и только тогда, когда для любых x1,,xnAx_1, \dots , x_n \in A и t1,,tn[0,1]t_1, \dots , t_n \in [0,1] таких, что jtj=1\sum_j t_j = 1, выполнено jtjxjA\sum_j t_j x_j \in A.

(b)

Если {Ai:iI}\left\{ A_i : i \in I\right\} — семейство выпуклых множеств, то iAi\bigcap_i A_i выпукло.

Задача IV.1.11

Покажите, что если AA — выпуклое множество и α,β>0\alpha , \beta > 0, то αA+βA=(α+β)A\alpha A + \beta A = (\alpha + \beta )A. Приведите пример невыпуклого множества AA, для которого это неверно.

?
Задача IV.1.12

Если X\mathscr {X} — ТВП, а AA замкнуто, покажите, что AA выпукло тогда и только тогда, когда 12(x+y)A\frac{1}{2}(x+y) \in A для всех xx и yAy \in A.

?
Задача IV.1.13

Пусть ss — пространство всех последовательностей скаляров. Таким образом, ss — это все функции x:NFx : \mathbb {N} \to \mathbb {F}. Определите сложение и умножение на скаляр обычным образом. Если x,ysx, y \in s, определим

d(x,y)=n=12nx(n)y(n)1+x(n)y(n). d(x,y) = \sum _{n=1}^{\infty } 2^{-n} \frac{\left|x(n) - y(n)\right|}{1 + \left|x(n) - y(n)\right|}.

Покажите, что dd — метрика на ss и что с этой топологией ss является ТВП. Также покажите, что ss полно.

?
Задача IV.1.14

Пусть (X,Ω,μ)(X, \Omega , \mu ) — конечное пространство с мерой, пусть M\mathscr {M} — пространство Ω\Omega-измеримых функций, и отождествим две функции, совпадающие п.в.[μ][\mu ]. Если f,gMf, g \in \mathscr {M}, определим

d(f,g)=fg1+fgdμ. d(f,g) = \int \frac{\left|f-g\right|}{1 + \left|f-g\right|} \, d\mu .

Тогда dd — метрика на M\mathscr {M}, и (M,d)(\mathscr {M}, d) — полное ТВП. Существует ли связь между этим примером и пространством ss из упражнения 13?

?
Задача IV.1.15

Если X\mathscr {X} — ТВП и AXA \subseteq \mathscr {X}, то clA={A+V:0V и V открыто}\operatorname {cl} A = \bigcap \left\{ A + V : 0 \in V \text{ и } V \text{ открыто}\right\}.

?
Задача IV.1.16

Если X\mathscr {X} — ТВП, а M\mathscr {M} — замкнутое линейное подпространство, то X/M\mathscr {X}/\mathscr {M} с фактор-топологией является ТВП. Если pp — полунорма на X\mathscr {X}, определим pˉ\bar{p} на X/M\mathscr {X}/\mathscr {M} по формуле

pˉ(x+M)=inf{p(x+y):yM}. \bar{p}(x + \mathscr {M}) = \inf \left\{ p(x+y) : y \in \mathscr {M}\right\} .

Покажите, что pˉ\bar{p} — полунорма на X/M\mathscr {X}/\mathscr {M}. Покажите, что если X\mathscr {X} — ЛВП, то и X/M\mathscr {X}/\mathscr {M} также.

?
Задача IV.1.17

Если {Xi:iI}\left\{ \mathscr {X}_i : i \in I\right\} — семейство ТВП, то X={Xi:iI}\mathscr {X} = \prod \left\{ \mathscr {X}_i : i \in I\right\} с топологией произведения является ТВП. Если каждое Xi\mathscr {X}_i — ЛВП, то и X\mathscr {X} также. Если X\mathscr {X} — ЛВП, обязано ли каждое Xi\mathscr {X}_i быть ЛВП?

?
Задача IV.1.18

Если X\mathscr {X} — конечномерное векторное пространство, а T1,T2\mathscr {T}_1, \mathscr {T}_2 — две топологии на X\mathscr {X}, каждая из которых превращает X\mathscr {X} в ТВП, то T1=T2\mathscr {T}_1 = \mathscr {T}_2.

?
Задача IV.1.19

Если X\mathscr {X} — ТВП, а M\mathscr {M} — конечномерное линейное многообразие в X\mathscr {X}, то M\mathscr {M} замкнуто, а Y+M\mathscr {Y} + \mathscr {M} замкнуто для любого замкнутого подпространства Y\mathscr {Y} пространства X\mathscr {X}.

?
Задача IV.1.20

Пусть X\mathscr {X} — произвольное бесконечномерное векторное пространство, и пусть T\mathscr {T} — совокупность всех подмножеств WW пространства X\mathscr {X} таких, что если xWx \in W, то существует выпуклое уравновешенное множество UU такое, что x+UWx + U \subseteq W и UMU \cap \mathscr {M} открыто в M\mathscr {M} для каждого конечномерного линейного многообразия M\mathscr {M} в X\mathscr {X}. (Каждому такому M\mathscr {M} придаётся его обычная топология.) Покажите:

?
(a)

(X,T)(\mathscr {X}, \mathscr {T}) — ЛВП;

(b)

множество FF замкнуто в X\mathscr {X} тогда и только тогда, когда FMF \cap \mathscr {M} замкнуто для каждого конечномерного подпространства M\mathscr {M} пространства X\mathscr {X};

(c)

если YY — топологическое пространство и f:XYf : \mathscr {X} \to Y (не обязательно линейное), то ff непрерывно тогда и только тогда, когда fMf | \mathscr {M} непрерывно для каждого конечномерного пространства M\mathscr {M};

(d)

если Y\mathscr {Y} — ТВП, а T:XYT : \mathscr {X} \to \mathscr {Y} — линейное отображение, то TT непрерывно.

Задача IV.1.21

Пусть XX — локально компактное пространство, и для каждого ϕ\phi из C0(X)C_0(X) определим pϕ(f)=ϕfp_\phi (f) = \left\| \phi f\right\|_\infty для ff из Cb(X)C_b(X). Покажите, что pϕp_\phi — полунорма на Cb(X)C_b(X). Пусть β\beta — топология, определённая этими полунормами. Покажите, что (Cb(X),β)(C_b(X), \beta ) — полное ЛВП. Топология β\beta называется строгой топологией.

?
Задача IV.1.22

Для 0<p<10 < p < 1 пусть lpl^p — множество всех последовательностей xx таких, что n=1x(n)p<\sum_{n=1}^{\infty } \left|x(n)\right|^p < \infty. Определим d(x,y)=n=1x(n)y(n)pd(x,y) = \sum_{n=1}^{\infty } \left|x(n) - y(n)\right|^p (без извлечения корня pp-й степени). Тогда dd — метрика, а (lp,d)(l^p, d) — ТВП, не являющееся локально выпуклым.

?
Задача IV.1.23

Пусть X\mathscr {X} и Y\mathscr {Y} — локально выпуклые пространства, и пусть T:XYT : \mathscr {X} \to \mathscr {Y} — линейное преобразование. Покажите, что TT непрерывно тогда и только тогда, когда для каждой непрерывной полунормы pp на Y\mathscr {Y} отображение pTp \circ T является непрерывной полунормой на X\mathscr {X}.

?
Задача IV.1.24

Пусть X\mathscr {X} — ЛВП, а GG — открытое связное подмножество X\mathscr {X}. Покажите, что GG линейно связно.

?
§
Задача IV.2.1

Пусть {p1,p2,}\left\{ p_1, p_2, \dots \right\} — последовательность полунорм на X\mathscr {X} такая, что n=1{x:pn(x)=0}=(0)\bigcap_{n=1}^{\infty } \left\{ x : p_n(x) = 0\right\} = (0). Для xx и yy из X\mathscr {X} определим

d(x,y)=n=12npn(xy)1+pn(xy). d(x,y) = \sum _{n=1}^{\infty } 2^{-n} \frac{p_n(x-y)}{1 + p_n(x-y)}.

Тогда dd — метрика на X\mathscr {X}, и топология на X\mathscr {X}, задаваемая dd, совпадает с топологией на X\mathscr {X}, задаваемой полунормами {p1,p2,}\left\{ p_1, p_2, \dots \right\}. Таким образом, локально выпуклое пространство метризуемо тогда и только тогда, когда его топология определяется счётным семейством полунорм. Восполните недостающие детали в доказательстве этого утверждения: покажите, что dd — метрика и что она индуцирует ту же топологию, что и {pn}\left\{ p_n\right\}.

?
Задача IV.2.2

Пусть XX вполне регулярно, и пусть C(X)C(X) — множество всех непрерывных функций из XX в F\mathbb {F}, топологизированное полунормами pK(f)=sup{f(x):xK}p_K(f) = \sup \left\{ \left|f(x)\right| : x \in K\right\} для компактных KK в XX. Тогда C(X)C(X) метризуемо тогда и только тогда, когда X=n=1KnX = \bigcup_{n=1}^{\infty } K_n, где каждое KnK_n компактно, K1K2K_1 \subseteq K_2 \subseteq \cdots, и если KK — любое компактное подмножество XX, то KKnK \subseteq K_n для некоторого nn. Проверьте это утверждение.

?
Задача IV.2.3

Пусть XX локально компактно, и пусть C(X)C(X) такое же, как в упражнении 2 выше. Тогда C(X)C(X) метризуемо тогда и только тогда, когда XX σ\sigma-компактно (то есть XX является объединением последовательности компактных множеств). Кроме того, пространство H(G)H(G) аналитических функций на открытом множестве GCG \subseteq \mathbb {C}, топологизированное равномерной сходимостью на компактных подмножествах, метризуемо. Проверьте эти утверждения.

?
Задача IV.2.4

Пусть X\mathscr {X} — ТВП; докажите следующее.

?
(a)

Если BB — ограниченное подмножество X\mathscr {X}, то и clB\operatorname {cl} B также.

(b)

Конечное объединение ограниченных множеств ограничено.

(c)

Каждое компактное множество ограничено.

(d)

Если BXB \subseteq \mathscr {X}, то BB ограничено тогда и только тогда, когда для каждой последовательности {xn}\left\{ x_n\right\}, содержащейся в BB, и для каждой {αn}\left\{ \alpha_n\right\} из c0c_0 выполнено αnxn0\alpha_n x_n \to 0 в X\mathscr {X}.

(e)

Если Y\mathscr {Y} — ТВП, T:XYT : \mathscr {X} \to \mathscr {Y} — непрерывное линейное преобразование, а BB — ограниченное подмножество X\mathscr {X}, то T(B)T(B) — ограниченное подмножество Y\mathscr {Y}.

(f)

Если X\mathscr {X} — ЛВП и BXB \subseteq \mathscr {X}, то BB ограничено тогда и только тогда, когда для каждой непрерывной полунормы pp выполнено sup{p(b):bB}<\sup \left\{ p(b) : b \in B\right\} < \infty.

(g)

Если X\mathscr {X} — нормированное пространство и BXB \subseteq \mathscr {X}, то BB ограничено тогда и только тогда, когда sup{b:bB}<\sup \left\{ \left\| b\right\| : b \in B\right\} < \infty.

(h)

Если X\mathscr {X} — пространство Фреше, то ограниченные множества имеют конечный диаметр, но не наоборот.

(i)

Сдвиг ограниченного множества ограничен.

Задача IV.2.5

Если X\mathscr {X} — ЛВП, покажите, что X\mathscr {X} метризуемо тогда и только тогда, когда X\mathscr {X} первого счётности. Равносильно ли это утверждению, что {0}\left\{ 0\right\} является GδG_\delta-множеством?

?
Задача IV.2.6

Пусть XX — локально компактное пространство, и наделим Cb(X)C_b(X) строгой топологией β\beta: для каждого ϕ\phi из C0(X)C_0(X) определим полунорму pϕ(f)=ϕfp_\phi (f) = \left\| \phi f\right\|_\infty для ff из Cb(X)C_b(X), и пусть β\beta — топология, определённая этими полунормами. Покажите, что подмножество Cb(X)C_b(X) β\beta-ограничено тогда и только тогда, когда оно ограничено по норме.

?
Задача IV.2.7

В обозначениях упражнения 6 покажите, что (Cb(X),β)(C_b(X), \beta ) метризуемо тогда и только тогда, когда XX компактно.

?
Задача IV.2.8

Докажите теорему об открытом отображении для пространств Фреше.

?
§
Задача IV.3.1

Докажите следующее. Если X\mathscr {X} — ТВП, а f:XFf : \mathscr {X} \to \mathbb {F} — линейный функционал, то следующие утверждения эквивалентны.

  1. ff непрерывен.

  2. ff непрерывен в 00.

  3. ff непрерывен в некоторой точке.

  4. kerf\ker f замкнуто.

  5. xf(x)x \mapsto \left|f(x)\right| — непрерывная полунорма. Если X\mathscr {X} — ЛВП, а P\mathscr {P} — семейство полунорм, определяющее топологию на X\mathscr {X}, то приведённые выше утверждения эквивалентны следующему:

  6. Существуют p1,,pnp_1, \dots , p_n из P\mathscr {P} и положительные скаляры α1,,αn\alpha_1, \dots , \alpha_n такие, что f(x)k=1nαkpk(x)\left|f(x)\right| \le \sum_{k=1}^{n} \alpha_k p_k(x) для всех xx.

?
Задача IV.3.2

Вспомним следующую конструкцию (предложение 3.2): если X\mathscr {X} — ТВП, а GG — открытое выпуклое подмножество X\mathscr {X}, содержащее начало координат, и

q(x)=inf{t:t0 и xtG}, q(x) = \inf \left\{ t : t \ge 0 \text{ и } x \in tG\right\} ,

то qq — неотрицательный непрерывный сублинейный функционал, и G={x:q(x)<1}G = \left\{ x : q(x) < 1\right\}.

Пусть теперь pp — сублинейный функционал, G{x:p(x)<1}G \equiv \left\{ x : p(x) < 1\right\}, и определим сублинейный функционал qq для множества GG, как указано выше. Покажите, что q(x)=max(p(x),0)q(x) = \max (p(x), 0) для всех xx из X\mathscr {X}.

?
Задача IV.3.3

Пусть MX\mathscr {M} \subseteq \mathscr {X}, где X\mathscr {X} — ТВП, и покажите, что следующие утверждения эквивалентны:

  1. M\mathscr {M} — аффинная гиперплоскость;

  2. существует x0x_0 из M\mathscr {M} такое, что Mx0\mathscr {M} - x_0 — гиперплоскость;

  3. существует ненулевая линейная функция f:XFf : \mathscr {X} \to \mathbb {F} и α\alpha из F\mathbb {F} такие, что M={xX:f(x)=α}\mathscr {M} = \left\{ x \in \mathscr {X} : f(x) = \alpha \right\}.

?
Задача IV.3.4

Пусть X\mathscr {X} — вещественное ТВП. Покажите:

?
(a)

если GG — открытое связное подмножество X\mathscr {X}, то GG линейно связно;

(b)

если f:XRf : \mathscr {X} \to \mathbb {R} — непрерывный ненулевой линейный функционал, то Xkerf\mathscr {X} \setminus \ker f имеет две компоненты: {x:f(x)>0}\left\{ x : f(x) > 0\right\} и {x:f(x)<0}\left\{ x : f(x) < 0\right\}.

Задача IV.3.5

Если X\mathscr {X} — комплексное ТВП, а f:XCf : \mathscr {X} \to \mathbb {C} — ненулевая непрерывная линейная функция, покажите, что Xkerf\mathscr {X} \setminus \ker f связно.

?
Задача IV.3.6

Пусть X\mathscr {X} — вещественное ТВП. Докажите следующее.

?
(a)

Замыкание открытого полупространства есть замкнутое полупространство, а внутренность замкнутого полупространства есть открытое полупространство. (Здесь подмножество SS пространства X\mathscr {X} называется открытым полупространством, если существует непрерывный линейный функционал f:XRf : \mathscr {X} \to \mathbb {R} такой, что S={xX:f(x)>α}S = \left\{ x \in \mathscr {X} : f(x) > \alpha \right\} для некоторого α\alpha; SS называется замкнутым полупространством, если S={xX:f(x)α}S = \left\{ x \in \mathscr {X} : f(x) \ge \alpha \right\} для некоторого непрерывного линейного функционала ff и некоторого α\alpha.)

(b)

Если A,BXA, B \subseteq \mathscr {X}, то AA и BB строго разделены (разделены) тогда и только тогда, когда существует непрерывный линейный функционал f:XRf : \mathscr {X} \to \mathbb {R} и вещественный скаляр α\alpha такие, что f(a)>αf(a) > \alpha для всех aa из AA и f(b)<αf(b) < \alpha для всех bb из BB (f(a)αf(a) \ge \alpha для всех aa из AA и f(b)αf(b) \le \alpha для всех bb из BB). (Два подмножества AA и BB пространства X\mathscr {X} называются строго разделёнными, если они содержатся в непересекающихся открытых полупространствах; они называются разделёнными, если они содержатся в двух замкнутых полупространствах, пересечение которых является замкнутой аффинной гиперплоскостью.)

Задача IV.3.7

Если f:XRf : \mathscr {X} \to \mathbb {R} — непрерывный R\mathbb {R}-линейный функционал, а AA — открытое выпуклое подмножество X\mathscr {X}, то f(A)f(A) — открытый интервал.

?
Задача IV.3.8

Докажите следующее. Если X\mathscr {X} — вещественное ЛВП и AXA \subseteq \mathscr {X}, то замкнутая линейная оболочка AA есть пересечение всех замкнутых гиперплоскостей, содержащих AA.

?
Задача IV.3.9

Докажите следующее. Пусть X\mathscr {X} — комплексное ЛВП, а AA и BB — два непересекающихся замкнутых выпуклых подмножества X\mathscr {X}. Если BB компактно, то существует непрерывный линейный функционал f:XCf : \mathscr {X} \to \mathbb {C}, α\alpha из R\mathbb {R} и ε>0\varepsilon > 0 такие, что для aa из AA и bb из BB

Ref(a)α<α+εRef(b). \operatorname {Re} f(a) \le \alpha < \alpha + \varepsilon \le \operatorname {Re} f(b).
?
Задача IV.3.10

Вспомним теорему 3.7: если X\mathscr {X} — вещественное ТВП, а AA и BB — непересекающиеся выпуклые множества, причём AA открыто, то существует непрерывный линейный функционал f:XRf : \mathscr {X} \to \mathbb {R} и вещественный скаляр α\alpha такие, что f(a)<αf(a) < \alpha для всех aa из AA и f(b)αf(b) \ge \alpha для всех bb из BB. Если BB также открыто, то AA и BB строго разделены.

Сформулируйте и докажите вариант этой теоремы для комплексного ТВП.

?
Задача IV.3.11

Вспомним следствие 3.11: если X\mathscr {X} — вещественное ЛВП и AXA \subseteq \mathscr {X}, то co(A)\overline{\operatorname {co}}(A) есть пересечение замкнутых полупространств, содержащих AA.

Сформулируйте и докажите вариант этого следствия для комплексного ЛВП.

?
Задача IV.3.12

Вспомним следствие 3.12: если X\mathscr {X} — вещественное ЛВП и AXA \subseteq \mathscr {X}, то замкнутая линейная оболочка AA есть пересечение всех замкнутых гиперплоскостей, содержащих AA.

Сформулируйте и докажите вариант этого следствия для комплексного ЛВП.

?
Задача IV.3.13

Для 0<p<10 < p < 1 пусть Lp(0,1)L^p(0,1) — совокупность классов эквивалентности измеримых функций f:(0,1)Rf : (0,1) \to \mathbb {R} таких, что

((f))p=01f(x)pdx<. ((f))_p = \int _0^1 \left|f(x)\right|^p \, dx < \infty .

Для f,gLp(0,1)f, g \in L^p(0,1) положим d(f,g)=((fg))pd(f,g) = ((f-g))_p; это трансляционно-инвариантная метрика на Lp(0,1)L^p(0,1). Докажите, что Lp(0,1)L^p(0,1), 0<p<10 < p < 1, полно относительно dd.

?
Задача IV.3.14

Приведите пример ТВП X\mathscr {X}, не являющегося локально выпуклым, и подпространства Y\mathscr {Y} пространства X\mathscr {X} такого, что существует непрерывный линейный функционал ff на Y\mathscr {Y}, не имеющий непрерывного продолжения на X\mathscr {X}.

?
Задача IV.3.15

Пусть X\mathscr {X} — вещественное ЛВП, а AA и BB — непересекающиеся компактные выпуклые подмножества X\mathscr {X}. Предположим, что Y\mathscr {Y} — подпространство X\mathscr {X}, а f0:YRf_0 : \mathscr {Y} \to \mathbb {R} — непрерывный линейный функционал такой, что f0(a)<0f_0(a) < 0 для aa из AYA \cap \mathscr {Y} и f0(b)>0f_0(b) > 0 для bb из BYB \cap \mathscr {Y}. Покажите на примере, что не всегда возможно продолжить f0f_0 до непрерывного линейного функционала на X\mathscr {X} такого, что f(a)<0f(a) < 0 для aa из AA и f(b)>0f(b) > 0 для bb из BB.

?
§
Задача IV.4.1

Пусть {Xi:iI}\left\{ \mathscr {X}_i : i \in I\right\} — семейство ЛВП, и наделим X={Xi:iI}\mathscr {X} = \prod \left\{ \mathscr {X}_i : i \in I\right\} топологией произведения. Покажите, что LXL \in \mathscr {X}^* тогда и только тогда, когда существует конечное подмножество FF, содержащееся в II, и существуют xjx_j^* из Xj\mathscr {X}_j^* для jj из FF такие, что L(x)=jFxj(x(j))L(x) = \sum_{j \in F} x_j^*(x(j)) для каждого xx из X\mathscr {X}.

?
Задача IV.4.2

Покажите, что пространство ss всех последовательностей скаляров (с метрикой d(x,y)=n=12nx(n)y(n)/(1+x(n)y(n))d(x,y) = \sum_{n=1}^{\infty } 2^{-n} \left|x(n)-y(n)\right| / (1 + \left|x(n)-y(n)\right|)) линейно гомеоморфно C(N)C(\mathbb {N}), и опишите ss^*.

?
Задача IV.4.3

Вспомним предложение 4.2: LH(D)L \in H(\mathbb {D})^* тогда и только тогда, когда существует r<1r < 1 и единственная функция gg, аналитическая на CBˉ(0;r)\mathbb {C}_\infty \setminus \bar{B}(0;r), с g()=0g(\infty ) = 0, такая, что

L(f)=12πiγfg L(f) = \frac{1}{2\pi i} \int _\gamma fg

для каждой ff из H(D)H(\mathbb {D}), где γ(t)=ρeit\gamma (t) = \rho e^{it}, 0t2π0 \le t \le 2\pi, и r<ρ<1r < \rho < 1.

Покажите, что функция gg, получаемая в этом предложении, единственна.

?
Задача IV.4.4

Покажите, что LH(D)L \in H(\mathbb {D})^* тогда и только тогда, когда существуют скаляры b0,b1,b_0, b_1, \dots из C\mathbb {C} такие, что lim supbn1/n<1\limsup \left|b_n\right|^{1/n} < 1 и L(f)=n=01n!f(n)(0)bnL(f) = \sum_{n=0}^{\infty } \frac{1}{n!} f^{(n)}(0) b_n.

?
Задача IV.4.5

Если GG — кольцевая область, опишите H(G)H(G)^*.

?
Задача IV.4.6

(Бак.) Пусть XX локально компактно, и пусть β\beta — строгая топология на Cb(X)C_b(X): для каждого ϕ\phi из C0(X)C_0(X) определим полунорму pϕ(f)=ϕfp_\phi (f) = \left\| \phi f\right\|_\infty для ff из Cb(X)C_b(X), и пусть β\beta — топология, определённая этими полунормами. Докажите следующие утверждения.

?
(a)

Если μM(X)\mu \in M(X) и εn0\varepsilon_n \downarrow 0, то существуют компактные множества K1,K2,K_1, K_2, \dots такие, что для каждого n1n \ge 1 выполнено KnintKn+1K_n \subseteq \operatorname {int} K_{n+1} и μ(XKn)<εn\left|\mu \right|(X \setminus K_n) < \varepsilon_n.

(b)

Если μM(X)\mu \in M(X), то существует ϕ\phi из C0(X)C_0(X) такое, что ϕ0\phi \ge 0, μ(X{x:ϕ(x)>0})=0\left|\mu \right|(X \setminus \left\{ x : \phi (x) > 0\right\} ) = 0, 1/ϕL1(μ)1/\phi \in L^1(\left|\mu \right|) и 1/ϕdμ1\int 1/\phi \, d\left|\mu \right| \le 1.

(c)

Покажите, что если μM(X)\mu \in M(X) и L(f)=fdμL(f) = \int f \, d\mu для ff из Cb(X)C_b(X), то L(Cb(X),β)L \in (C_b(X), \beta )^*.

(d)

Обратно, если L(Cb(X),β)L \in (C_b(X), \beta )^*, то существует μ\mu из M(X)M(X) такая, что L(f)=fdμL(f) = \int f \, d\mu для ff из Cb(X)C_b(X).

Задача IV.4.7

Пусть XX вполне регулярно, и пусть M\mathscr {M} — линейное многообразие в C(X)C(X). Покажите, что если для каждого компактного подмножества KK пространства XX множество MK{fK:fM}\mathscr {M} | K \equiv \left\{ f | K : f \in \mathscr {M}\right\} плотно в C(K)C(K), то M\mathscr {M} плотно в C(X)C(X).

?
§
Задача IV.5.1

Пусть d1d \ge 1, и пусть Ω\Omega — открытое подмножество Rd\mathbb {R}^d. Обозначим через Cc()(Ω)C_c^{(\infty )}(\Omega ) все функции ϕ:ΩF\phi : \Omega \to \mathbb {F} такие, что ϕ\phi бесконечно дифференцируема и имеет компактный носитель в Ω\Omega. (Носитель ϕ\phi определяется как sptϕcl{x:ϕ(x)0}\operatorname {spt} \phi \equiv \operatorname {cl}\left\{ x : \phi (x) \ne 0\right\}.) Если KK — компактное подмножество Ω\Omega, определим D(K){ϕCc()(Ω):sptϕK}\mathscr {D}(K) \equiv \left\{ \phi \in C_c^{(\infty )}(\Omega ) : \operatorname {spt} \phi \subseteq K\right\}. Наделим D(K)\mathscr {D}(K) топологией, определённой полунормами

pK,m(ϕ)=sup{ϕ(k)(x):km, xK}, p_{K,m}(\phi ) = \sup \left\{ \left|\phi ^{(k)}(x)\right| : \left|k\right| \le m,\ x \in K\right\} ,

где k=(k1,,kd)k = (k_1, \dots , k_d), kjN{0}k_j \in \mathbb {N} \cup \left\{ 0\right\}, k=k1++kd\left|k\right| = k_1 + \cdots + k_d, а ϕ(k)=kϕ/x1k1xdkd\phi^{(k)} = \partial^{\left|k\right|}\phi / \partial x_1^{k_1} \cdots \partial x_d^{k_d}. Тогда (Cc()(Ω),{D(K):K компактно в Ω})\left(C_c^{(\infty )}(\Omega ), \left\{ \mathscr {D}(K) : K \text{ компактно в } \Omega \right\} \right) — индуктивная система (то есть D(K)D(K)\mathscr {D}(K) \subseteq \mathscr {D}(K'), когда KKK \subseteq K', каждое такое включение непрерывно, а Cc()(Ω)C_c^{(\infty )}(\Omega ) является объединением пространств D(K)\mathscr {D}(K)). Пространство Cc()(Ω)C_c^{(\infty )}(\Omega ) часто обозначается D(Ω)\mathscr {D}(\Omega ). Проверьте эти утверждения.

?
Задача IV.5.2

Вспомним, что индуктивная система — это пара (X,{Xi:iI})(\mathscr {X}, \left\{ \mathscr {X}_i : i \in I\right\} ), где X\mathscr {X} — векторное пространство, Xi\mathscr {X}_i — линейное многообразие в X\mathscr {X}, наделённое топологией Ti\mathscr {T}_i такой, что (Xi,Ti)(\mathscr {X}_i, \mathscr {T}_i) — ЛВП, и, кроме того: II — направленное множество и XiXj\mathscr {X}_i \subseteq \mathscr {X}_j, если iji \le j; если iji \le j и UjTjU_j \in \mathscr {T}_j, то UjXiTiU_j \cap \mathscr {X}_i \in \mathscr {T}_i; и X={Xi:iI}\mathscr {X} = \bigcup \left\{ \mathscr {X}_i : i \in I\right\}.

Если (X,{Xi,Ti})(\mathscr {X}, \left\{ \mathscr {X}_i, \mathscr {T}_i\right\} ) — индуктивная система, пусть B\mathscr {B} — совокупность всех выпуклых уравновешенных множеств VV таких, что VXiTiV \cap \mathscr {X}_i \in \mathscr {T}_i для всех ii. Пусть T\mathscr {T} — совокупность всех подмножеств UU пространства X\mathscr {X} таких, что для каждой x0x_0 из UU существует VV из B\mathscr {B}, для которого x0+VUx_0 + V \subseteq U. Тогда (X,T)(\mathscr {X}, \mathscr {T}) — ЛВП (не обязательно хаусдорфово). Восполните недостающие детали доказательства этого утверждения: покажите, в частности, что T\mathscr {T} является топологией.

?
Задача IV.5.3

Докажите следующее. Пусть (X,T)(\mathscr {X}, \mathscr {T}) — индуктивный предел индуктивной системы (X,{Xi})(\mathscr {X}, \left\{ \mathscr {X}_i\right\} ) (см. упражнение 2 для конструкции). Тогда

?
(a)

относительная топология на Xi\mathscr {X}_i, индуцированная T\mathscr {T} (т.е. TXi\mathscr {T} | \mathscr {X}_i), слабее Ti\mathscr {T}_i;

(b)

если U\mathscr {U} — локально выпуклая топология на X\mathscr {X} такая, что для каждого ii выполнено UXiTi\mathscr {U} | \mathscr {X}_i \subseteq \mathscr {T}_i, то UT\mathscr {U} \subseteq \mathscr {T};

(c)

полунорма pp на X\mathscr {X} непрерывна тогда и только тогда, когда pXip | \mathscr {X}_i непрерывна для каждого ii.

Задача IV.5.4

Пусть X\mathscr {X} — произвольное векторное пространство, и пусть {Xi:iI}\left\{ \mathscr {X}_i : i \in I\right\} — все конечномерные подпространства X\mathscr {X}. Наделим каждое Xi\mathscr {X}_i единственной топологией, получаемой из его отождествления с евклидовым пространством. Тогда (X,{Xi})(\mathscr {X}, \left\{ \mathscr {X}_i\right\} ) — индуктивная система. Пусть T\mathscr {T} — топология индуктивного предела. Если Y\mathscr {Y} — ЛВП, а T:XYT : \mathscr {X} \to \mathscr {Y} — линейное преобразование, то TT T\mathscr {T}-непрерывно. Проверьте эти утверждения.

?
Задача IV.5.5

Пусть XX — локально компактное пространство, и пусть {Ki:iI}\left\{ K_i : i \in I\right\} — совокупность всех компактных подмножеств XX. Пусть Xi\mathscr {X}_i — все ff из C(X)C(X) такие, что sptfKi\operatorname {spt} f \subseteq K_i. Тогда iXi=Cc(X)\bigcup_i \mathscr {X}_i = C_c(X) — непрерывные функции на XX с компактным носителем. Топологизируем каждое Xi\mathscr {X}_i, наделяя его равномерной нормой. Тогда (Cc(X),{Xi})(C_c(X), \left\{ \mathscr {X}_i\right\} ) — индуктивная система. Проверьте эти утверждения.

?
Задача IV.5.6

Пусть d1d \ge 1 и положим Kn={xRd:xn}K_n = \left\{ x \in \mathbb {R}^d : \left\| x\right\| \le n\right\}. Тогда (D(Rd),{D(Kn)}n=1)\left(\mathscr {D}(\mathbb {R}^d), \left\{ \mathscr {D}(K_n)\right\}_{n=1}^{\infty }\right) — индуктивная система. Поскольку векторное пространство вместе с совокупностью всех своих конечномерных подпространств (каждому из которых придана его евклидова топология) образует индуктивную систему, топология индуктивного предела которой обладает тем свойством, что любое линейное отображение в ЛВП непрерывно относительно неё (пример 5.9), и поскольку топология индуктивного предела не меняется при использовании конфинального подсемейства определяющих подпространств для её вычисления (предложение 5.8), топология индуктивного предела, определённая на D(Rd)\mathscr {D}(\mathbb {R}^d) системой {D(Kn)}\left\{ \mathscr {D}(K_n)\right\}, совпадает с топологией индуктивного предела, определённой полной системой {D(K):K компактно в Rd}\left\{ \mathscr {D}(K) : K \text{ компактно в } \mathbb {R}^d\right\} из упражнения 1. Проверьте это утверждение.

?
Задача IV.5.7

Пусть XX — локально компактное пространство, пусть {Ki:iI}\left\{ K_i : i \in I\right\} — совокупность всех компактных подмножеств XX, и наделим Cc(X)C_c(X) (непрерывные функции на XX с компактным носителем) топологией индуктивного предела системы {Xi}\left\{ \mathscr {X}_i\right\}, где Xi={fC(X):sptfKi}\mathscr {X}_i = \left\{ f \in C(X) : \operatorname {spt} f \subseteq K_i\right\} несёт равномерную норму (пример 5.10). Покажите, что если XX σ\sigma-компактно, то сопряжённое к Cc(X)C_c(X) есть пространство всех расширенных F\mathbb {F}-значных мер.

?
Задача IV.5.8

Пусть XX — локально компактное пространство. Как и в упражнении 7, наделим Cc(X)C_c(X) топологией индуктивного предела, определённой подпространствами Xi={fC(X):sptfKi}\mathscr {X}_i = \left\{ f \in C(X) : \operatorname {spt} f \subseteq K_i\right\} (каждое со своей равномерной нормой), где {Ki}\left\{ K_i\right\} пробегает компактные подмножества XX. Отдельно, C(X)C(X) (все непрерывные функции из XX в F\mathbb {F}) несёт локально выпуклую топологию равномерной сходимости на компактных подмножествах, определённую полунормами pK(f)=sup{f(x):xK}p_K(f) = \sup \left\{ \left|f(x)\right| : x \in K\right\} для компактных KK в XX; ограниченная на подпространство Cc(X)C_c(X), эта топология даёт вторую топологию на Cc(X)C_c(X). Отличается ли топология индуктивного предела на Cc(X)C_c(X) от этой топологии равномерной сходимости на компактных подмножествах XX?

?
Задача IV.5.9

Вспомним, что если X\mathscr {X} — ТВП и YX\mathscr {Y} \le \mathscr {X}, то Y\mathscr {Y} называется топологически дополняемым в X\mathscr {X}, если существует замкнутое линейное подпространство Z\mathscr {Z} пространства X\mathscr {X} такое, что YZ=(0)\mathscr {Y} \cap \mathscr {Z} = (0), Y+Z=X\mathscr {Y} + \mathscr {Z} = \mathscr {X}, а отображение Y×ZX\mathscr {Y} \times \mathscr {Z} \to \mathscr {X}, заданное формулой (y,z)y+z(y,z) \mapsto y+z, является гомеоморфизмом (равносильно, существует непрерывное линейное отображение P:XXP : \mathscr {X} \to \mathscr {X} такое, что PX=YP\mathscr {X} = \mathscr {Y} и P2=PP^2 = P).

Докажите следующее. Если X\mathscr {X} — ЛВП, а YX\mathscr {Y} \le \mathscr {X} такое, что либо dimY<\dim \mathscr {Y} < \infty, либо dimX/Y<\dim \mathscr {X}/\mathscr {Y} < \infty, то Y\mathscr {Y} топологически дополняемо в X\mathscr {X}.

?
Задача IV.5.10

Пусть ff — измеримая по Лебегу функция на Ω\Omega (открытом подмножестве Rd\mathbb {R}^d, d1d \ge 1), локально интегрируемая (то есть Kfdλ<\int_K \left|f\right| \, d\lambda < \infty для каждого компактного подмножества KK пространства Ω\Omega, где λ\lambdadd-мерная мера Лебега). Если Lf:D(Ω)FL_f : \mathscr {D}(\Omega ) \to \mathbb {F} определено формулой Lf(ϕ)=fϕdλL_f(\phi ) = \int f\phi \, d\lambda, то LfL_f является обобщённой функцией (то есть непрерывным линейным функционалом на D(Ω)\mathscr {D}(\Omega )). Проверьте это утверждение.

?
Задача IV.5.11

Для оставшихся упражнений Ω\Omega всегда является открытым подмножеством Rd\mathbb {R}^d, d1d \ge 1. Если μ\mu — мера на Ω\Omega, покажите, что ϕϕdμ\phi \mapsto \int \phi \, d\mu является обобщённой функцией [на] Ω\Omega.

?
Задача IV.5.12

Пусть f:ΩFf : \Omega \to \mathbb {F} — функция с непрерывными частными производными, и пусть Lf:D(Ω)FL_f : \mathscr {D}(\Omega ) \to \mathbb {F} — обобщённая функция Lf(ϕ)=fϕdλL_f(\phi ) = \int f \phi \, d\lambda (пример 5.20). Покажите, что для каждой ϕ\phi из D(Ω)\mathscr {D}(\Omega ) и 1jd1 \le j \le d выполнено Lf(ϕ/xj)=Lg(ϕ)L_f(\partial \phi / \partial x_j) = -L_g(\phi ), где g=f/xjg = \partial f / \partial x_j.

?
Задача IV.5.13

Упражнение 12 мотивирует следующее определение. Если LL — обобщённая функция на Ω\Omega, определим L/xj:D(Ω)F\partial L / \partial x_j : \mathscr {D}(\Omega ) \to \mathbb {F} формулой L/xj(ϕ)=L(ϕ/xj)\partial L / \partial x_j(\phi ) = -L(\partial \phi / \partial x_j) для всех ϕ\phi из D(Ω)\mathscr {D}(\Omega ). Покажите, что L/xj\partial L / \partial x_j является обобщённой функцией.

?
Задача IV.5.14

Используя тот факт, что локально интегрируемая функция ff на R\mathbb {R} задаёт обобщённую функцию Lf(ϕ)=fϕdλL_f(\phi ) = \int f\phi \, d\lambda (пример 5.20), и что производная обобщённой функции LL есть обобщённая функция L/x(ϕ)=L(ϕ)\partial L/\partial x(\phi ) = -L(\phi ') (упражнение 13), мы вправе говорить о производной любой локально интегрируемой функции как об обобщённой функции. По упражнению 11 мы можем дифференцировать меры. Пусть f:RRf : \mathbb {R} \to \mathbb {R} — характеристическая функция [0,)[0, \infty ); покажите, что её производная как обобщённой функции есть δ0\delta_0 — единичная точечная масса в 00. [То есть δ0\delta_0 — мера такая, что δ0(Δ)=1\delta_0(\Delta ) = 1, если 0Δ0 \in \Delta, и δ0(Δ)=0\delta_0(\Delta ) = 0, если 0Δ0 \notin \Delta.]

?
Задача IV.5.15

Пусть ff — абсолютно непрерывная функция на R\mathbb {R}; покажите, что (Lf)=Lf(L_f)' = L_{f'}, где Lf(ϕ)=fϕdλL_f(\phi ) = \int f\phi \, d\lambda — обобщённая функция, задаваемая функцией ff (пример 5.20), а (Lf)(ϕ)=Lf(ϕ)(L_f)'(\phi ) = -L_f(\phi ') — её обобщённая производная (упражнение 13).

?
Задача IV.5.16

Пусть ff — непрерывная слева неубывающая функция на R\mathbb {R}; покажите, что (Lf)(L_f)' есть обобщённая функция, задаваемая мерой μ\mu такой, что μ[a,b]=f(b)f(a)\mu [a,b] = f(b) - f(a) для всех a<ba < b, где Lf(ϕ)=fϕdλL_f(\phi ) = \int f\phi \, d\lambda — обобщённая функция, задаваемая функцией ff (пример 5.20), а (Lf)(ϕ)=Lf(ϕ)(L_f)'(\phi ) = -L_f(\phi ') — её обобщённая производная (упражнение 13).

?
Задача IV.5.17

Пусть ff — функция класса CC^\infty на Ω\Omega, и пусть LL — обобщённая функция на D(Ω)\mathscr {D}(\Omega ). Покажите, что M(ϕ)L(ϕf)M(\phi ) \equiv L(\phi f), ϕ\phi из D(Ω)\mathscr {D}(\Omega ), является обобщённой функцией. Сформулируйте и докажите правило Лейбница для нахождения производной MM.

?