Локально выпуклые пространства
[71/0%]Пусть — ТВП, и пусть — все открытые множества, содержащие . Докажите следующее.
Если , существует из , такое что .
Если , существует из , такое что и для всех . ( уравновешено.)
Покажите, что локально выпуклое пространство является топологическим векторным пространством.
Предположим, что — ТВП, но не предполагайте, что хаусдорфово.
Покажите, что хаусдорфово тогда и только тогда, когда одноточечное множество замкнуто.
Если хаусдорфово, покажите, что — регулярное топологическое пространство.
Пусть — ТВП. Покажите:
если , отображение является гомеоморфизмом на ;
если и , отображение является гомеоморфизмом.
Докажите следующее. Если — ТВП, а — непрерывные полунормы, то и — непрерывные полунормы. Если — семейство непрерывных полунорм, для которого существует непрерывная полунорма с для всех , то задаёт непрерывную полунорму.
Пусть вполне регулярно, и пусть — все непрерывные функции из в . Если — компактное подмножество , определим . Тогда — семейство полунорм, превращающее в локально выпуклое пространство. Проверьте эти утверждения. Также покажите, что сеть из сходится к тогда и только тогда, когда равномерно на компактных подмножествах .
Пусть — открытое подмножество , и пусть — подмножество , состоящее из всех аналитических функций на . Для компактного из определим полунорму , и наделим локально выпуклой топологией, определяемой семейством . Покажите, что пространство полно. (Каждая фундаментальная сеть сходится.)
Пусть — нормированное пространство. Для каждого из определим . Тогда — полунорма, и если , то превращает в локально выпуклое пространство. Топология, определяемая на этими полунормами, называется слабой топологией и часто обозначается . Проверьте эти утверждения. Приведите базис системы окрестностей в .
Пусть — нормированное пространство, и для каждого из определим формулой . Тогда — полунорма, и превращает в локально выпуклое пространство. Топология, определяемая этими полунормами, называется слабой-* (или слабой звёздной, или wk*) топологией на . Она часто обозначается . Проверьте эти утверждения.
Докажите следующее.
Множество выпукло тогда и только тогда, когда для любых и таких, что , выполнено .
Если — семейство выпуклых множеств, то выпукло.
Покажите, что если — выпуклое множество и , то . Приведите пример невыпуклого множества , для которого это неверно.
Если — ТВП, а замкнуто, покажите, что выпукло тогда и только тогда, когда для всех и .
Пусть — пространство всех последовательностей скаляров. Таким образом, — это все функции . Определите сложение и умножение на скаляр обычным образом. Если , определим
Покажите, что — метрика на и что с этой топологией является ТВП. Также покажите, что полно.
Пусть — конечное пространство с мерой, пусть — пространство -измеримых функций, и отождествим две функции, совпадающие п.в.. Если , определим
Тогда — метрика на , и — полное ТВП. Существует ли связь между этим примером и пространством из упражнения 13?
Если — ТВП и , то .
Если — ТВП, а — замкнутое линейное подпространство, то с фактор-топологией является ТВП. Если — полунорма на , определим на по формуле
Покажите, что — полунорма на . Покажите, что если — ЛВП, то и также.
Если — семейство ТВП, то с топологией произведения является ТВП. Если каждое — ЛВП, то и также. Если — ЛВП, обязано ли каждое быть ЛВП?
Если — конечномерное векторное пространство, а — две топологии на , каждая из которых превращает в ТВП, то .
Если — ТВП, а — конечномерное линейное многообразие в , то замкнуто, а замкнуто для любого замкнутого подпространства пространства .
Пусть — произвольное бесконечномерное векторное пространство, и пусть — совокупность всех подмножеств пространства таких, что если , то существует выпуклое уравновешенное множество такое, что и открыто в для каждого конечномерного линейного многообразия в . (Каждому такому придаётся его обычная топология.) Покажите:
— ЛВП;
множество замкнуто в тогда и только тогда, когда замкнуто для каждого конечномерного подпространства пространства ;
если — топологическое пространство и (не обязательно линейное), то непрерывно тогда и только тогда, когда непрерывно для каждого конечномерного пространства ;
если — ТВП, а — линейное отображение, то непрерывно.
Пусть — локально компактное пространство, и для каждого из определим для из . Покажите, что — полунорма на . Пусть — топология, определённая этими полунормами. Покажите, что — полное ЛВП. Топология называется строгой топологией.
Для пусть — множество всех последовательностей таких, что . Определим (без извлечения корня -й степени). Тогда — метрика, а — ТВП, не являющееся локально выпуклым.
Пусть и — локально выпуклые пространства, и пусть — линейное преобразование. Покажите, что непрерывно тогда и только тогда, когда для каждой непрерывной полунормы на отображение является непрерывной полунормой на .
Пусть — ЛВП, а — открытое связное подмножество . Покажите, что линейно связно.
Пусть — последовательность полунорм на такая, что . Для и из определим
Тогда — метрика на , и топология на , задаваемая , совпадает с топологией на , задаваемой полунормами . 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 — метрика и что она индуцирует ту же топологию, что и .
Пусть вполне регулярно, и пусть — множество всех непрерывных функций из в , топологизированное полунормами для компактных в . Тогда метризуемо тогда и только тогда, когда , где каждое компактно, , и если — любое компактное подмножество , то для некоторого . Проверьте это утверждение.
Пусть локально компактно, и пусть такое же, как в упражнении 2 выше. Тогда метризуемо тогда и только тогда, когда -компактно (то есть является объединением последовательности компактных множеств). Кроме того, пространство аналитических функций на открытом множестве , топологизированное равномерной сходимостью на компактных подмножествах, метризуемо. Проверьте эти утверждения.
Пусть — ТВП; докажите следующее.
Если — ограниченное подмножество , то и также.
Конечное объединение ограниченных множеств ограничено.
Каждое компактное множество ограничено.
Если , то ограничено тогда и только тогда, когда для каждой последовательности , содержащейся в , и для каждой из выполнено в .
Если — ТВП, — непрерывное линейное преобразование, а — ограниченное подмножество , то — ограниченное подмножество .
Если — ЛВП и , то ограничено тогда и только тогда, когда для каждой непрерывной полунормы выполнено .
Если — нормированное пространство и , то ограничено тогда и только тогда, когда .
Если — пространство Фреше, то ограниченные множества имеют конечный диаметр, но не наоборот.
Сдвиг ограниченного множества ограничен.
Если — ЛВП, покажите, что метризуемо тогда и только тогда, когда первого счётности. Равносильно ли это утверждению, что является -множеством?
Пусть — локально компактное пространство, и наделим строгой топологией : для каждого из определим полунорму для из , и пусть — топология, определённая этими полунормами. Покажите, что подмножество -ограничено тогда и только тогда, когда оно ограничено по норме.
В обозначениях упражнения 6 покажите, что метризуемо тогда и только тогда, когда компактно.
Докажите теорему об открытом отображении для пространств Фреше.
Докажите следующее. Если — ТВП, а — линейный функционал, то следующие утверждения эквивалентны.
-
непрерывен.
-
непрерывен в .
-
непрерывен в некоторой точке.
-
замкнуто.
-
— непрерывная полунорма. Если — ЛВП, а — семейство полунорм, определяющее топологию на , то приведённые выше утверждения эквивалентны следующему:
-
Существуют из и положительные скаляры такие, что для всех .
Вспомним следующую конструкцию (предложение 3.2): если — ТВП, а — открытое выпуклое подмножество , содержащее начало координат, и
то — неотрицательный непрерывный сублинейный функционал, и .
Пусть теперь — сублинейный функционал, , и определим сублинейный функционал для множества , как указано выше. Покажите, что для всех из .
Пусть , где — ТВП, и покажите, что следующие утверждения эквивалентны:
-
— аффинная гиперплоскость;
-
существует из такое, что — гиперплоскость;
-
существует ненулевая линейная функция и из такие, что .
Пусть — вещественное ТВП. Покажите:
если — открытое связное подмножество , то линейно связно;
если — непрерывный ненулевой линейный функционал, то имеет две компоненты: и .
Если — комплексное ТВП, а — ненулевая непрерывная линейная функция, покажите, что связно.
Пусть — вещественное ТВП. Докажите следующее.
Замыкание открытого полупространства есть замкнутое полупространство, а внутренность замкнутого полупространства есть открытое полупространство. (Здесь подмножество пространства называется открытым полупространством, если существует непрерывный линейный функционал такой, что для некоторого ; называется замкнутым полупространством, если для некоторого непрерывного линейного функционала и некоторого .)
Если , то и строго разделены (разделены) тогда и только тогда, когда существует непрерывный линейный функционал и вещественный скаляр такие, что для всех из и для всех из ( для всех из и для всех из ). (Два подмножества и пространства 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.)
Если — непрерывный -линейный функционал, а — открытое выпуклое подмножество , то — открытый интервал.
Докажите следующее. Если — вещественное ЛВП и , то замкнутая линейная оболочка есть пересечение всех замкнутых гиперплоскостей, содержащих .
Докажите следующее. Пусть — комплексное ЛВП, а и — два непересекающихся замкнутых выпуклых подмножества . Если компактно, то существует непрерывный линейный функционал , из и такие, что для из и из
Вспомним теорему 3.7: если — вещественное ТВП, а и — непересекающиеся выпуклые множества, причём открыто, то существует непрерывный линейный функционал и вещественный скаляр такие, что для всех из и для всех из . Если также открыто, то и строго разделены.
Сформулируйте и докажите вариант этой теоремы для комплексного ТВП.
Вспомним следствие 3.11: если — вещественное ЛВП и , то есть пересечение замкнутых полупространств, содержащих .
Сформулируйте и докажите вариант этого следствия для комплексного ЛВП.
Вспомним следствие 3.12: если — вещественное ЛВП и , то замкнутая линейная оболочка есть пересечение всех замкнутых гиперплоскостей, содержащих .
Сформулируйте и докажите вариант этого следствия для комплексного ЛВП.
Для пусть — совокупность классов эквивалентности измеримых функций таких, что
Для положим ; это трансляционно-инвариантная метрика на . Докажите, что , , полно относительно .
Приведите пример ТВП , не являющегося локально выпуклым, и подпространства пространства такого, что существует непрерывный линейный функционал на , не имеющий непрерывного продолжения на .
Пусть — вещественное ЛВП, а и — непересекающиеся компактные выпуклые подмножества . Предположим, что — подпространство , а — непрерывный линейный функционал такой, что для из и для из . Покажите на примере, что не всегда возможно продолжить до непрерывного линейного функционала на такого, что для из и для из .
Пусть — семейство ЛВП, и наделим топологией произведения. Покажите, что тогда и только тогда, когда существует конечное подмножество , содержащееся в , и существуют из для из такие, что для каждого из .
Покажите, что пространство всех последовательностей скаляров (с метрикой ) линейно гомеоморфно , и опишите .
Вспомним предложение 4.2: тогда и только тогда, когда существует и единственная функция , аналитическая на , с , такая, что
для каждой из , где , , и .
Покажите, что функция , получаемая в этом предложении, единственна.
Покажите, что тогда и только тогда, когда существуют скаляры из такие, что и .
Если — кольцевая область, опишите .
(Бак.) Пусть локально компактно, и пусть — строгая топология на : для каждого из определим полунорму для из , и пусть — топология, определённая этими полунормами. Докажите следующие утверждения.
Если и , то существуют компактные множества такие, что для каждого выполнено и .
Если , то существует из такое, что , , и .
Покажите, что если и для из , то .
Обратно, если , то существует из такая, что для из .
Пусть вполне регулярно, и пусть — линейное многообразие в . Покажите, что если для каждого компактного подмножества пространства множество плотно в , то плотно в .
Пусть , и пусть — открытое подмножество . Обозначим через все функции такие, что бесконечно дифференцируема и имеет компактный носитель в . (Носитель определяется как .) Если — компактное подмножество , определим . Наделим топологией, определённой полунормами
где , , , а . Тогда — индуктивная система (то есть , когда , каждое такое включение непрерывно, а является объединением пространств ). Пространство часто обозначается . Проверьте эти утверждения.
Вспомним, что индуктивная система — это пара , где — векторное пространство, — линейное многообразие в , наделённое топологией такой, что — ЛВП, и, кроме того: — направленное множество и , если ; если и , то ; и .
Если — индуктивная система, пусть — совокупность всех выпуклых уравновешенных множеств таких, что для всех . Пусть — совокупность всех подмножеств пространства таких, что для каждой из существует из , для которого . Тогда — ЛВП (не обязательно хаусдорфово). Восполните недостающие детали доказательства этого утверждения: покажите, в частности, что является топологией.
Докажите следующее. Пусть — индуктивный предел индуктивной системы (см. упражнение 2 для конструкции). Тогда
относительная топология на , индуцированная (т.е. ), слабее ;
если — локально выпуклая топология на такая, что для каждого выполнено , то ;
полунорма на непрерывна тогда и только тогда, когда непрерывна для каждого .
Пусть — произвольное векторное пространство, и пусть — все конечномерные подпространства . Наделим каждое единственной топологией, получаемой из его отождествления с евклидовым пространством. Тогда — индуктивная система. Пусть — топология индуктивного предела. Если — ЛВП, а — линейное преобразование, то -непрерывно. Проверьте эти утверждения.
Пусть — локально компактное пространство, и пусть — совокупность всех компактных подмножеств . Пусть — все из такие, что . Тогда — непрерывные функции на с компактным носителем. Топологизируем каждое , наделяя его равномерной нормой. Тогда — индуктивная система. Проверьте эти утверждения.
Пусть и положим . Тогда — 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 системой , совпадает с топологией индуктивного предела, определённой полной системой из упражнения 1. Проверьте это утверждение.
Пусть — локально компактное пространство, пусть — совокупность всех компактных подмножеств , и наделим (непрерывные функции на с компактным носителем) топологией индуктивного предела системы , где несёт равномерную норму (пример 5.10). Покажите, что если -компактно, то сопряжённое к есть пространство всех расширенных -значных мер.
Пусть — локально компактное пространство. Как и в упражнении 7, наделим топологией индуктивного предела, определённой подпространствами (каждое со своей равномерной нормой), где пробегает компактные подмножества . Отдельно, (все непрерывные функции из в ) несёт локально выпуклую топологию равномерной сходимости на компактных подмножествах, определённую полунормами для компактных в ; ограниченная на подпространство , эта топология даёт вторую топологию на . Отличается ли топология индуктивного предела на от этой топологии равномерной сходимости на компактных подмножествах ?
Вспомним, что если — ТВП и , то называется топологически дополняемым в , если существует замкнутое линейное подпространство пространства такое, что , , а отображение , заданное формулой , является гомеоморфизмом (равносильно, существует непрерывное линейное отображение такое, что и ).
Докажите следующее. Если — ЛВП, а такое, что либо , либо , то топологически дополняемо в .
Пусть — измеримая по Лебегу функция на (открытом подмножестве , ), локально интегрируемая (то есть для каждого компактного подмножества пространства , где — -мерная мера Лебега). Если определено формулой , то является обобщённой функцией (то есть непрерывным линейным функционалом на ). Проверьте это утверждение.
Для оставшихся упражнений всегда является открытым подмножеством , . Если — мера на , покажите, что является обобщённой функцией [на] .
Пусть — функция с непрерывными частными производными, и пусть — обобщённая функция (пример 5.20). Покажите, что для каждой из и выполнено , где .
Упражнение 12 мотивирует следующее определение. Если — обобщённая функция на , определим формулой для всех из . Покажите, что является обобщённой функцией.
Используя тот факт, что локально интегрируемая функция на задаёт обобщённую функцию (пример 5.20), и что производная обобщённой функции есть обобщённая функция (упражнение 13), мы вправе говорить о производной любой локально интегрируемой функции как об обобщённой функции. По упражнению 11 мы можем дифференцировать меры. Пусть — характеристическая функция ; покажите, что её производная как обобщённой функции есть — единичная точечная масса в . [То есть — мера такая, что , если , и , если .]
Пусть — абсолютно непрерывная функция на ; покажите, что , где — обобщённая функция, задаваемая функцией (пример 5.20), а — её обобщённая производная (упражнение 13).
Пусть — непрерывная слева неубывающая функция на ; покажите, что есть обобщённая функция, задаваемая мерой такой, что для всех , где — обобщённая функция, задаваемая функцией (пример 5.20), а — её обобщённая производная (упражнение 13).
Пусть — функция класса на , и пусть — обобщённая функция на . Покажите, что , из , является обобщённой функцией. Сформулируйте и докажите правило Лейбница для нахождения производной .