Функциональный анализ в примерах и задачах
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Южный федеральный университет
Год издания: 2009
Кол-во страниц: 120
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9275-0683-5
Артикул: 635932.01.99
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 01.00.00: МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА
- ВО - Бакалавриат
- 01.03.01: Математика
- 01.03.04: Прикладная математика
- ВО - Магистратура
- 01.04.01: Математика
- 01.04.04: Прикладная математика
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» С. В. РЕВИНА Л. И. САЗОНОВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ В ПРИМЕРАХ И ЗАДАЧАХ Учебное пособие Ростов-на-Дону Издательство Южного федерального университета 2009
УДК 517.5 ББК 162 Р 32 Печатается по решению редакционно-издательского совета Южного федерального университета Рецензент: кандидат физико-математических наук, доцент А. Б. Моргулис Учебное пособие подготовлено и издано в рамках национального проекта «Образование» по «Программе развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.» Ревина С. В., Сазонов Л. И. Р 32 Функциональный анализ в примерах и задачах: учебное пособие / С. В. Ревина, Л. И. Сазонов. – Ро стов н/Д: Изд- во ЮФУ, 2009. – 120 с. ISBN 978-5-9275-0683-5 С помощью большого количества примеров и упражнений излагаются основы функционального анализа – понятия метрических, банаховых и гильбертовых пространств, а также их свойства. Учебное пособие предназначено для студентов, преподавателей и всех желающих научиться применять функциональный анализ на практике. ISBN 978-5-9275-0683-5 УДК 517.5 ББК 162 © Ревина С. В., Сазонов Л. И., 2009 © Южный федеральный университет, 2009 © Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2009
Ог лавление Введение 5 1 Основные понятия 6 1.1 Ак сиомы метрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Примеры задания метрик на пр ямой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Неравенства Г ельдера и Минк овск ого . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 n 1.4 Метрики в R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Шары в метрических пространствах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Сх о димость последовательностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.7 Эквивалентные метрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.8 Дек артово произведение метрических пространств . . . . . . . . . . . . . . 18 1.9 Открытые и замкнутые мно ж ества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2 Пространства последовательностей 21 2.1 Определения пространств последовательностей . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Сх о димость в пространствах последовательностей . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 Связь между пространствами ` и S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 p 2.4 Сепарабельность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Пример неар химедовой метрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Пространства непрерывных и непрерывно-дифференциру емых функций 31 m 3.1 Линейные нормированные пространства C [a; b], C [a; b] . . . . . . . . . . . 31 3.2 Примеры счетно-нормированных пространств . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4 Пространства Лебег а 35 4.1 Пространства L (a; b), 1 6 p < 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 p (0) в пространствах L (0; 1) . . . . . . . . . 40 4.2 Эк стремальные точки шара S 1 p 4.3 Пространство L (a; b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1 4.4 Пространства L ( ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 p;l oc 5 Непрерывность отображ ений 48 6 Полнот а метрических пространств 51 6.1 Определение полноты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.2 Док азательство полноты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6.3 Пример неполного пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.4 Т еорема о пополнении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6.5 Принцип вло ж енных шаров и теорема Бэра . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3
Принцип с жимающих отображ ений 59 7.1 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7.2 Применение к алгебраическим уравнениям и системам . . . . . . . . . . . . 60 7.3 Применение к интегральным и дифференциальным уравнениям . . . . . . 65 8 Линейные нормированные пространства 72 8.1 Банах овы пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 8.2 Гильбертовы пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.3 Эквивалентные нормы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.4 По дпространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8.5 Г еометрия гильбертова пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8.6 Пpоцесс оpтогонализации Гpама-Шмидт а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.7 Базисы банах овых и гильбертовых пространств . . . . . . . . . . . . . . . . 81 9 Линейные операторы в линейных нормированных пространствах 86 9.1 Ограниченность и норма линейного оператора . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.2 Обратимость линейного оператора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 9.3 Сх о димость элементов, операторов, функционалов . . . . . . . . . . . . . . 95 9.4 Сопр яж енный оператор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 10 Компактность в метрических пространствах 100 10.1 Относительная к омпактность и ограниченность . . . . . . . . . . . . . . . . 100 10.2 Критерий Ха у с дорфа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 10.3 Гильбертов кирпич . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 10.4 Отображ ения на к омпактных мно ж ествах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 10.5 Компактность в C [0; 1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 10.6 Компактность в L (0; 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2 10.7 Линейные вполне непрерывные операторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 11 Т опологические пространства 116 Литература 118 4
Введение Образование сту дент а-прикладного математик а немыслимо без изучения основ функционального анализа. Мето ды функционального анализа применяютс я в математическ ой физик е, математическ ом мо делировании, гидродинамик е, теории упругости и во многих других област ях. Понятия функционального анализа, обладая высок ой степенью абстрактности, позволяют выявить общие зак ономерности в процессах и явлениях, внешне, к азалось бы, существенно различных. Функциональный анализ, возникший в к онце XIX на чале XX век а в трудах Д. Гильберт а, М. Фреше, Ф. Ха у с дорфа, Ф. Рисса, С. Банах а, являетс я сравнительно моло дой математическ ой дисциплиной. Весомый вклад в его развитие внесли российские математики А. Н. Колмогоров, Н. Н. Боголюбов, Л. В. Канторович, М. Г . Крейн, И. М. Г ель фанд, С. Л. Соболев и др. Уровень препо давания функционального анализа в классических университет ах традиционно высок. В насто ящем учебном пособии в основном рассматриваютс я метрические и линейные нормированные пространства. Фундамент альные понятия и теоремы функционального анализа иллюстрируютс я простыми примерами. Авторы побуждают чит ателя самосто ятельно работ ать, активно пользу ясь литературой и решая зада чи. Пособие прошло у спешную многолетнюю апробацию на практических занятиях по функциональному анализу на мехмате Р остовск ого госу дарственного (с 2007 г . Южного федерального) университет а. Авторы выраж ают благо дарность своим сту дент ам и к оллег ам за ценные замечания по со дер ж анию книги. Особая благо дарность М. Ю. Жук ову и Е. В. Шир яевой за помощь в работе и создание мак ет а издания. Р абот а выполнена на к афедре вычислительной математики и математическ ой физики и в лаборатории математическ ой физики Южного математическ ого институт а Владик авк азск ого на учного центра Р АН при финансовой по ддер жк е РФФИ (грант 07-01-92213-НЦНИЛ) и Аналитическ ой ведомственной целевой программы "Р азвитие на учного потенциала высшей шк олы"(гранты 2.1.1/554 и 2.1.1/6095). 5
Г лава 1 Основные понятия В этой г лаве основные определения теории метрических пространств иллюстрируютс я простыми примерами, в основном относ ящимис я к к онечномерному случаю. Для первона чального ознак омления с метрическими пространствами х орошо по дх о дит книг а [11 , г лава 1], в ней разобрано большое к оличество примеров. Мо жно т акж е рек омендовать книги [7, 9, 12 , 13, 15]. 1.1 Ак сиомы метрики Абстрактное понятие метрики являетс я обобщением понятия ¾рассто яние¿ . При этом свойства рассто яния (неотрицательность; равенство ну лю тог да и тольк о тог да, к ог да точки пространства совпадают; симметричность; неравенство треугольник а) поло ж ены в основу определения метрики. Определение 1.1. Метрикой на множестве X называется функция : X X 7! R , удовлетворяющая с ледующим тре м аксио мам: 1: (x; y ) > 0; приче м (x; y ) = 0 , x = y ; 2: (x; y ) = (y ; x); 3: (x; y ) 6 (x; z ) + (z ; y ) 8 x; y ; z 2 X : Заметим, что перечисленные ак сиомы не являютс я независимыми. Т ак, если в ак сиоме треугольник а 3 поло жить x = y , то, с учетом ак сиомы симметричности 2, получим у словие неотрицательности метрики из первой аксиомы: (y ; z ) > 0: Зада ча 1.1. Докажите, что аксио мы метрики эквивалентны с ледующим двум аксио мам: 1: (x; y ) = 0 , x = y ; 2: (x; y ) 6 (x; z ) + (y ; z ) 8 x; y ; z 2 X : 6
Определение 1.2. Метрическим простр анство м называется множество с заданной на не м метрикой, т. е. пар а (X ; ). Элементы метрическ ого пространства называютс я точк ами (это могут быть функции, числовые последовательности, операторы и т . д.). В общем случае о дно и то ж е мно ж ество X мо жно превратить в различные метрические пространства, задавая по-разному метрики. Приведем примеры метрических пространств. 1.2 Примеры задания метрик на пр ямой Пример 1.1. Пусть сначала X = R . Стандартной метрикой на прямой называется метрика, котор ая задается по пр авилу (x; y ) = jx y j: Очевидно, что первые две ак сиомы выполняютс я по свойствам мо ду ля jaj > 0; jaj = 0 , a = 0; j aj = jaj; а третья следу ет из неравенства ja + bj 6 jaj + jbj; (1.1) если в нем поло жить a = x z , b = z y . Помимо ст андартной существуют и другие метрики на пр ямой. Пример 1.2. Т еперь зададим на X = R так называе мую дискретную (или тривиальную) метрику: 0 при x = y (x; y ) = (1.2) 1 при x 6= y : Выполнение первых двух ак сиом метрики очевидно. Неравенство треугольник а мог ло бы не выполнятьс я тольк о в о дном случае: если в левой части этого неравенства нах о дитс я единица: (x; y ) = 1, а в правой части ноль: (x; z ) = 0; (z ; y ) = 0. Но тог да x = z = y . Следовательно, (x; y ) = 0 противоречие. Зада ча 1.2. Пусть X произво льное множество. Докажите, что ( 1.2) опреде ляет метрику на X . Пример 1.3. Пусть X = R . Зададим метрику по пр авилу jx y j (x; y ) = : 1 + jx y j 7
Первые две ак сиомы метрики, очевидно, выполняютс я. Для док азательства третьего свойства дост аточно проверить выполнение неравенства ja + bj jaj jbj 6 + : (1.3) 1 + ja + bj 1 + jaj 1 + jbj В свою очередь (1.3) следу ет из неравенства ja + bj jaj + jbj 6 : (1.4) 1 + ja + bj 1 + jaj + jbj Если рассмотреть функцию f (t) = t=(1 + t) на мно ж естве неотрицательных чисел, то (1.4) мо жно трактовать к ак свойство неубывания функции f (t). Легк о убедитьс я, что f (t) действительно являетс я возраст ающей функцией. Зада ча 1.3. Пусть X произво льное множество, (x; y ) метрика на не м. Покажите, что функции (x; y ) ; (x; y ) = min ((x; y ); 1) (x; y ) = 2 1 1 + (x; y ) метрики на X . Зада ча 1.4. Докажите, что (x; y ) = j arctg(x) arctg (y )j является метрикой на R . Зада ча 1.5. Каким ус ловиям до лжна удовлетворять опреде ленная на R непрерывная функция u = f (v ), чтобы на вещественной прямой можно было задать метрику с по мощью р авенства (x; y ) = jf (x) f (y )j? 1.3 Неравенства Г ельдера и Минк овск ого Чтобы проверить выполнение неравенства треугольник а для основных примеров метрических пространств, нам понадобитс я неравенство Минк овск ого. В следующей серии упражнений у ст анавливаетс я справедливость неравенства Минк овск ого для к онечных сумм, а затем оно распространяетс я на р яды. Определение 1.3. Чис ла p и q называются сопряженными показате лями, ес ли они удовлетворяют ус ловиям 1 1 + = 1: 1 < p; q < 1; p q Зада ча 1.6. Докажите, что для любых неотрицате льных чисе л a и b и сопряженных показате лей p и q спр аведливо нер авенство Юнга q p b a + : (1.5) ab 6 p q 8
Ук азание. Счит ая b > a > 0, разделите обе части неравенства (1.5) на q b и рассмотрите функцию p x 1 f (x) = + x p q при x > 1. Зада ча 1.7. Докажите, что в нер авенстве Юнга достигается р авенство p q a b ab = + p q p q тогда и то лько тогда, когда a = b . Пример 1.4. Пусть > 0; > 0; + = 1: Т огда для любого " > 0, для любых неотрицате льных a и b выпо лняется интерпо ляционное нер авенство Юнга 1= = 1= ab 6 "a + " b : (1.6) Доказате льство. Заменим в (1.5) 1=p 1=p a ! " a; b ! " b: Т ог да, по неравенству Юнг а, с учетом у словий p > 1, q > 1: p q =p q "a " b p q =p q ab 6 + 6 "a + " b : p q Полаг ая = 1=p, = 1=q , прих о дим к (1.6). Зада ча 1.8. Воспо льзовавшись нер авенство м Юнга ( 1.5), установите нер авенство Г е льдер а для конечных чис ловых наборов ) ) ( ( 1=q 1=p n n n X X X q p ; (1.7) jb j ja j 6 a b k k k k k =1 k =1 k =1 где p и q сопряженные показате ли. Ук азание. Р азделите обе части (1.7) на правую часть и примените почленно неравенство Юнг а (1.5). Зада ча 1.9. Выведите ус ловия, при которых в нер авенстве Г е льдер а ( 1.7) достигается знак р авенства [16 ]: p q ja j jb j i i = ; sgn a b = const; i = 1; : : : ; n: (1.8) i i n n P P p q ja j jb j i i i=1 i=1 9
При p = q = 2 неравенство Г ельдера (1.7) называетс я неравенством КошиБуняк овск ого: ) ) ( ( 1=2 1=2 n n n X X X 2 2 jb j : (1.9) ja j 6 a b k k k k k =1 k =1 k =1 Если ввести обозна чения a = (a ; a ; : : : ; a ); b = (b ; b ; : : : ; b ); 1 2 n 1 2 n через kak, kbk обозна чить евклидову норму (длину) векторов a и b соответственно, ) ( ) ( 1=2 1=2 n n X X 2 2 jb j ; ja j ; kbk = kak = k k k =1 k =1 а через (a; b) их ск алярное произведение n X a b ; (a; b) = k k k =1 то неравенство Коши-Буняк овск ого примет вид j(a; b)j 6 kak kbk: (1.10) n Т ак к ак ск алярное произведение векторов в R равно произведению длин этих векторов на к осину с уг ла между ними c (a; b) = kak kbk cos ( a; b ); то неравенство Коши-Буняк овск ого допу ск ает простую геометрическую трактовку к осину с уг ла между векторами a и b по мо ду лю не превос х о дит единицу! Знак равенства в неравенстве (1.10) имеет место тог да и тольк о тог да, к ог да векторы a и b к оллинеарны: a = C b: В следующих разделах бу дет пок азано, что вид неравенства (1.10) и его геометрический смысл со храняютс я для абстрактных гильбертовых пространств. Пример 1.5. Выведе м нер авенство Минковского ! ! ! 1=p 1=p 1=p n n n X X X p p p ; (1.11) 6 ja j + jb j ja + b j i i i i i=1 i=1 i=1 1 6 p < 1 из нер авенства Г е льдер а ( 1.7). 10