![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Введение
- •Глава 1 топологические пространства
- •1. Понятие множества. Операции над множествами. Отображения. Характеристическая функция множества
- •2. Топология и топологическое пространство. База топологии
- •3. Структура открытых множеств и окрестности
- •4. Понятие метрического пространства и топологии, определяемой метрикой. Примеры метрических пространств
- •5. Операция замыкания множества в топологическом пространстве
- •6. Внутренние точки множества, внутренность. Граница множества
- •7. Сепарабельные топологические пространства
- •8. Индуцированные топологии и фактортопология
- •9. Непрерывное отображение. Гомеоморфизм
- •10. Компактные пространства
- •Глава 2 свойства метрических пространств
- •1. Сходящиеся последовательности в метрических пространствах и полные метрические пространства
- •2. Теорема о пополнении метрического пространства
- •3. Критерий полноты пространства
- •4. Компактные множества в метрическом пространстве. Теорема Хаусдорфа
- •5. Критерии компактности в пространствах с[0, 1], lp. Теорема Арцела
- •6. Теорема Вейерштрасса о равномерном приближении и сепарабельность с[0, 1]
- •7. Отображение компактных множеств. Теорема Вейерштраса об ограниченности и достижении точных граней непрерывной функцией
- •8. Принцип сжимающих отображений и его применение
- •9. Нигде не плотные множества. Понятие категории множеств метрического пространства. Теорема Бэра
- •Глава 3 мера и измеримые множества
- •1. Системы множеств
- •2. Системы множеств в евклидовом пространстве
- •3. Функция множеств
- •4. Мера и ее простейшие свойства. Мера в евклидовом пространстве
- •5. Внешняя мера
- •6. Измеримые множества
- •7. Мера Лебега на Rn
- •Глава 4 измеримые функции
- •1. Измеримые функции и их свойства
- •2. Сходимость почти всюду
- •3. Сходимость по мере и ее свойства
- •4. Сравнение сходимости почти всюду и по мере
- •5. Почти равномерная сходимость. Теоремы Егорова и Лузина
- •Глава 5 интеграл лебега
- •1. Интеграл Лебега для простых и ограниченных функций на пространстве с конечной мерой
- •2. Основные свойства интеграла от ограниченной функции
- •3. Определение интеграла Лебега в произвольном случае
- •4. Предельный переход под знаком интеграла
- •5. Сравнение интегралов Римана и Лебега
- •6. Заряды. Теорема Радона—Никодима
- •Глава 6 нормированные и гильбертовы пространства
- •2. Конечномерные пространства. Конечномерность и компактность. Теорема Рисса о локальной компактности.
- •3. Скалярное произведение. Гильбертово пространство. Аксиомы и свойства. Ортонормированные системы. Ортогонализация по Шмидту. Тождество параллелограмма.
- •4. Ортогональность и ортогональное дополнение
- •5. Ряды Фурье в гильбертовом пространстве. Коэффициенты Фурье. Неравенство Бесселя и равенство Парсеваля. Полные и замкнутые ортонормированные системы
- •Глава 7 линейные операторы в нормированных пространствах
- •2. Пространство линейных непрерывных операторов и его полнота относительно равномерной сходимости операторов
- •3. Принцип равномерной ограниченности и теорема Банаха-Штейнгауза. Полнота пространства операторов относительно поточечной сходимости
- •4. Ядро оператора. Критерий ограниченности обратного оператора. Теоремы об обратном операторе
- •5. Примеры обратных операторов. Обратимость операторов вида (I - a) и (a - c).
- •6. График оператора и замкнутые операторы. Критерий замкнутости. Теорема Банаха о замкнутом графике. Теорема об открытом отображении
- •Xn(t)X(t) равномерно на [a, b],.
- •X'n(t) y(t) равномерно на [а, b].
- •Глава 8 линейные функционалы в нормированных пространствах
- •1. Линейные непрерывные функционалы. Продолжение по непрерывности. Теорема Хана-Банаха. Следствия из теоремы Хана-Банаха
- •2. Сопряженные пространства
- •3. Теорема Рисса об общем виде линейного функционала для пространства непрерывных функций
- •4. Пространства Лебега и сопряженные к ним
- •5. Изоморфизм и изометрия сепарабельных гильбертовых пространств. Общий вид линейного функционала в гильбертовом пространстве. Теорема Рисса-Фишера.
- •6. Сопряженный оператор. Условия существования сопряженного оператора. Замкнутость сопряженного оператора. Сопряженный оператор к ограниченному оператору и его норма.
- •Глава 9 спектральная теория операторов
- •1. Вполне непрерывные операторы и их свойства. Операторы Фредгольма и Гильберта-Шмидта
- •2. Теорема Шаудера о полной непрерывности сопряженного оператора. Уравнения первого и второго рода с вполне непрерывными операторами. Теорема о замкнутости области значений оператора
- •3. Альтернативы Фредгольма. Теорема Шаудера о неподвижной точке.
- •Предметный указатель
3. Принцип равномерной ограниченности и теорема Банаха-Штейнгауза. Полнота пространства операторов относительно поточечной сходимости
Теорема 3 (принцип
равномерной ограниченности
Банаха-Штейнгаузана).
Если
последовательность линейных ограниченных
операторов
L(X,
Y)
ограничена в каждой точке
банахова пространства
,
то последовательность норм
этих операторов ограничена.
Доказательство. Для произвольного n рассмотрим множества
Tn
= {xX:
}.
В силу непрерывности операторов Аk множества Tn замкнуты: если xiTn и xi x, то n ||Akxi|| ||Akx|| n. Более того, в силу условий теоремы Х = nTn. Тогда, в силу теоремы Бэра хотя бы одно из Tn не является нигде не плотным множеством. Последнее означает, что существует шар пространства Х, лежащий полностью в Tn: S[y, r] Tn. Последнее означает, что для любого k и люого х S[y, r] выполняется неравенство ||Akx|| n. Тогда в силу леммы 3 ||Ak|| 2n/r для любого k. Теорема доказана.
Следствие 1. Если для последовательности линейных ограниченных операторов L(X, Y) последовательность Аnx фундаментальна в каждой точке банахова пространства , то последовательность норм этих операторов ограничена.
Доказательство. В силу фундаментальности последовательности Аnx в каждой точке банахова пространства , последовательность ||Anx|| ограничена при каждом фиксированном х. Утверждение теперь легко следует из теоремы 3.
Помимо равномерной
сходимости в пространстве операторов
можно рассматривать ещё поточечную
сходимость:
сходится поточечно к
,
если для любого
при
.
Ясно, что из равномерной сходимости следует поточечная. Обратное не верно, как показывает следующий пример.
Пример 16.
В пространстве
рассмотрим последовательность операторов
,
где
для
.
Так как для любого
при
,
то последовательность
поточечно сходится к единичному оператору
I,
переводящему всякий элемент из
в тот же самый элемент. Однако равномерная
сходимость
не имеет места, потому что для любого n
при
имеем
,
и потому для всех n
.
Следствие 2 (теорема Банаха-Штейнгаузана). Для того чтобы последовательность операторов {Аn} L(X, Y), где Х и Y – банаховы пространства, точечно сходилась к оператору A0, необходимо и достаточно, чтобы
1) последовательность {||Аn||} была ограничена;
2) Аnх А0х для любого х из некоторого множества E, линейные комбинации элементов которого всюду плотны в Х.
Необходимость первого условия есть не что иное, как следствие из теоремы 3, необходимость второго условия очевидна. Требуется доказать лишь достаточность этих условий.
Пусть
М =
,
и пусть L(Е) – линейная оболочка множества Е. В силу линейности операторов Аn и А0 и второго условия Аnх А0х для любого xL(E).
Возьмем теперь элемент y пространства X, не принадлежащий L(E). Для заданного > 0 найдется элемент xL(E) такой, что ||x – y|| < /4M. Имеем
||Any – A0y|| ||Any – Anx|| + ||Anx – Anx|| + ||A0x – A0y||
||Anx – Anx|| +(||An|| + ||A0||)||x – y|| ||Anx – Anx|| + /2.
В силу того, что Аnх А0х, найдется номер n0 такой, что ||Anx – Anx|| < /2 для n > n0. Поэтому для n > n0 имеем ||Any – A0y|| < и теорема доказана.
Имеет место также следующая
Теорема 4. Если пространства X и Y полные, то пространство также полно в смысле точечной сходимости.
Доказательство.
Так как для каждого x
последовательность
фундаментальна и Y
полно, то для каждого x
существует
и мы получаем оператор
,
определённый на X,
с областью значений в Y.
Как и в теореме 1, убеждаемся, что A
–
линейный оператор.
Возвращаясь к
оператору
из неравенства
,
вытекающего
из теоремы Банаха-Штейнгауза, в пределе
при
получаем
,
т. е. ограниченность оператора A.
Итак, существует предел любой точечно фундаментальной последовательности линейных ограниченных операторов, который также является линейным ограниченным оператором, т. е. пространство операторов полно в смысле точечной сходимости. Теорема доказана.
Рассмотрим
применение теоремы Банаха-Штейнгауза
к доказательству сходимости метода
механических квадратур.
Для приближенного вычисления интеграла
применяем формулу
,
где n – коэффициенты формулы, xn – узлы. Метод называется заданным, если фиксирована последовательность формул
(k
– индекс).
Метод называется сходящимся, если
.
Теорема 5.
Метод механических квадратур, заданный
последовательностями
сходится тогда и только тогда, когда
1)
;
2) n 0 метод сходится при f(x) = xn.
Необходимость
практически
очевидна, т. к. необходимо проверить
лишь 1) условие. Но для его проверки
достаточно взять кусочно-линейные
непрерывные функции fk(x),
которые в узлах принимают значения
(если a или b не является узлом полагаем
значение функции в этой точке равной
0). Такие функции заведомо существуют и
в силу сходимости и ограниченности
первое условие теоремы выполнено.
Достаточность. Рассмотрим последовательность операторов
Нетрудно видеть, что это линейные операторы из пространства C[a, b] в пространство R. В силу оценки
следует, что
.
Если взять функции fk(x),
построенные при доказательстве
необходимости, то нетрудно видеть, что
||fk||
= 1 и
.
Следовательно
.
Таким образом, последовательность ||Tk|| по условиям теоремы ограничена по норме и поточечно сходится на множестве {xn}, линейная оболочка которого по теореме Вейерштрасса (теорема 2.7) всюду плотна в C[a, b]. По следствию 2 теоремы 3 это эквивалентно поточечной сходимости метода.