Функциональные пространства

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Декабря 2013 в 23:36, курсовая работа

Краткое описание

Пусть X — некоторое пространство с мерой ; при этом мера самого X может быть конечной или бесконечной. Будем считать меру ϻ полной (т. е. любое подмножество любого множества меры нуль измеримо). Рассмотрим совокупность всех функций f, суммируемых на X. Поскольку линейная комбинация суммируемых функций суммируема, эта совокупность, с обычными операциями сложения функций и умножения их на числа, образует линейное пространство.

Вложенные файлы: 1 файл

Курсовая работа.docx

— 88.73 Кб (Скачать файл)

 

Норма в  определяется формулой

 

а расстояние между  элементами и g — формулой

 

Величину

 

называют также средним квадратичным уклонением функций f и друг от друга.

Сходимость функциональной последовательности в смысле метрики  пространства называется сходимостью в среднем квадратичном. Если нет опасности спутать эту сходимость со сходимостью в , определенной в предыдущем параграфе, мы и здесь будем пользоваться более коротким термином «сходимость в среднем».

Теорема 1. Пространство при   полно. Доказательство. Пусть {} — фундаментальная последовательность в , т. е.

при п, т .

Тогда в силу оценки (1) получаем

 

т. e. последовательность {} фундаментальна и в метрике пространства . Повторяя рассуждения, которые были проведены при доказательстве полноты пространства выберем из {} подпоследовательность {},сходящуюся почти всюду к некоторой функции f. В неравенстве

 

справедливом  для членов этой подпоследовательности при всех достаточно больших и , можно, используя теорему Фату, перейти к пределу при . Получим

 

откуда следует, что  и что Для завершения доказательства остается, как и в теореме 1 для , воспользоваться тем, что, если фундаментальная последовательность содержит сходящуюся, то и сама она сходится к тому же пределу.

 

Случай  бесконечной меры.

Мы рассматривали  только что функции с интегрируемым  квадратом, определенные на некотором пространстве X конечной меры. При этом условие использовалось довольно существенно. Именно, сначала мы прибегли к нему, доказывая, что всякая функция с суммируемым квадратом суммируема и в первой степени, а затем — при выводе неравенства (2), на которое опиралось доказательство полноты пространства . Если рассматривать функции на множестве бесконечной меры (например, на всей прямой с лебеговой мерой на ней), то не всякая функция из будет содержаться в . Например, функция  не интегрируема на всей прямой, а ее квадрат интегрируем. Далее, в случае имеет место неравенство (1), означающее, что из сходимости последовательности функций в следует их сходимость в . При это тоже неверно: например, последовательность функций на прямой

 

сходится к 0 в  пространстве функций с суммируемым квадратом на прямой, но не сходится ни к какому пределу в . Однако теорема о полноте пространства остается справедливой и при .

Докажем это утверждение. Предположим, что все пространство X можно представить как счетную сумму множеств конечной меры. Пусть

 

— такое представление  и пусть {} — фундаментальная последовательность в . Таким образом, для каждого существует такое N, что

 

Введем обозначение

 

Тогда в силу свойства -аддитивности интеграла Лебега,имеем

 

Для каждого конечного М и подавно

 

Совокупность  функций с интегрируемым квадратом  на каждом Хп представляет собой полное пространство. Положив

 

 (где сходимость понимается как сходимость в пространстве , мы можем перейти к пределу при в неравенстве (3). Получаем

 

 

Так как это  неравенство выполнено для всех М, то в нем можно перейти к пределу при . Таким образом, имеем

 

 

Положив

 

 мы можем последнее неравенство переписать в виде

 

Отсюда вытекает как принадлежность f к , так и сходимость последовательности {} к .

Всюду плотные множества в .Теорема об изоморфизме.

Итак, пространство функций с интегрируемым квадратом есть полное евклидово пространство. За исключением вырожденных случаев, размерность этого пространства бесконечна.

С точки зрения различных применений в анализе  важно выяснить, когда пространство сепарабельно, т. е. содержит счетное всюду плотное множество. Ранее мы установили, что для пространства сепарабельность вытекает из существования у меры счетного базиса. Нетрудно убедиться, что это условие гарантирует и сепарабельность . Действительно, каждую функцию из можно приблизить, с любой точностью, функциями, каждая из которых равна 0 вне некоторого множества конечной меры. Далее, те же рассуждения, которые были проведены при доказательстве теоремы 3 для , показывают, что в совокупности таких функций можно выбрать счетное всюду плотное множество.

Итак, если мера имеет счетный базис, то пространство есть полное сепарабельное евклидово пространство. Иначе говоря, оставляя в стороне тот случай, когда имеет конечную размерность, мы получаем следующий результат: если мера имеет счетный базис, то есть сепарабельное гильбертово пространство.

В силу теоремы  об изоморфизме гильбертовых пространств, это означает, что все такие  изоморфны между собой. В частности, каждое такое изоморфно пространству числовых последовательностей со сходящейся суммой квадратов. Последнее можно рассматривать как , когда X счетно, а определена на всех его подмножествах и равна 1 для каждой точки. Ниже мы будем рассматривать только , отвечающие мерам со счетным базисом. В случаях, когда это не может вызвать недоразумений, каждое такое пространство мы будем обозначать просто .

Поскольку пространство представляет собой, как мы выяснили, реализацию гильбертова пространства, на можно перенести все те понятия и факты для абстрактного гильбертова пространства.

В частности, согласно теореме Рисса всякий линейный функционал в гильбертовом пространстве записывается в виде скалярного произведения

 

где а — фиксированный вектор из . Поэтому всякий линейный функционал в имеет вид

 

где — фиксированная функция с интегрируемым квадратом, на X.

 

Пространство .

Рассмотрим линейное пространство всех непрерывных на функций. Норму введём так:

 

Первая и вторая аксиомы  нормы проверяются тривиально. Проверим третью аксиому. По свойству модуля для  любого имеем

 

Следовательно, . Неравенство сохранится, если взять левой его части. В результате получаем неравенство треугольника для нормы в ; для полученного нормированного пространства мы сохраним прежнее обозначение.

Покажем теперь, что сходимость по норме в  есть равномерная сходимость. Пусть дана последовательность , и пусть она сходится к , т.е. . Это означает следующее: для любого существует номер такой, что при любых справедливо неравенство

 

 и тем более  для всех . Итак, сходимость по норме в - равномерная.

Посмотрим, как выглядит в  (в вещественном случае) окрестность Для этого построим графики функций  . Эти два графика и отрезки прямых ограничивают - полоску(полоску шириной вокруг графика ), которая и служит -окрестностью  точки .

В  лежат те элементы , графики которых лежат строго между графиками элементов и .

 

Список литературы.

  1. Треногин В.А., Функциональный анализ, Москва «Наука» ,1980г.,496 с.
  2. Колмогоров А.Н., Фомин С.В., Элементы теории функций и функционального анализа, Москва «Наука»,1976г., 542с.

 

 


Информация о работе Функциональные пространства