本文最后更新于 2024年8月4日 早上
教材:张恭庆、林源渠 《泛函分析讲义》
老师推荐的参考书:P.Lax 《Functional Analysis》
官网链接:PKU-泛函分析
B 站链接:PKU-泛函分析
研究内容: 线性的 x,y,以及线性的 T:x→y
与线性代数的区别: dim x = ∞,dim y = ∞,无法用基和矩阵表示,要使用线性变换的观点。
准备知识: 数分、高代、实变、复变、一些拓扑
Banach 空间
线性空间
定义
线性空间
若 X 非空:K 是数域,满足下面八条性质,则称 X 为 K 上的 线性空间。
- X 对加法满足:对 ∀ x,y∈X,有:
- 交换律:x+y=y+x
- 结合律:(x+y)+z=x+(y+z)
- 零元:0:x+0=0+x=x
- 负元:−x:x+(−x)=(−x)+x=0
- X 对数乘满足:对 ∀ x,y∈X,α,β∈K,有:
- 数乘结合律:(α⋅β)⋅x=α⋅(β⋅x)
- 单位元:1∈K,1⋅x=x
- 数乘分配律1:(α+β)x=αx+βx
- 数乘分配律2:α(x+y)=αx+αy
线性子空间
若 E⊂X,∀x,y∈E,∀α∈K,有:
- x+y∈E
- α⋅x∈E
则称 E⊂X 是 X 的 线性子空间。
线性子流形
若 E⊂X,∀x0∈E,∀α∈K,有:
E=x0+E1≜{x+x0∣x∈E1},其中 E1 是 X 的线性子空间
则称 E⊂X 是 X 的 线性子流形。
线性变换
设 X,X1 都是线性空间,T:X→X1 是映射,若
T(αx+βy)=αTx+βTy,∀x,y∈X,∀α,β∈K
则称为 T 是 X 到 X1 的 线性变换,如果 T 是双射,则称 T 是一个线性同构。
线性相关
若存在一组不全为 0 的 λ1,λ2,⋯,λn∈K,∀x1,x2,⋯,xn∈X,有:
i=1∑nλixi=0
则称 x1,x2,⋯,xn 线性相关。反之为线性无关。
基
若 {xα∣α∈Λ} 满足下两条性质,则称是 X 中的一组基。
- 若 ∀x∈X ,∀α1,α2,⋯,αn∈Λ, s.t. x=λ1xα1+λ2xα2+⋯+λnxαn
- {xα∣α∈Λ} 中的元素线性无关
维数
设 {xα∣α∈Λ} 是基,则其元素个数为维数。如果一个空间不存在有限维的基,则称其为 无穷维空间。
线性包
设 Λ 是一个指标集,{xα∣α∈Λ} 是 X 中的向量族,一切由 {xα∣α∈Λ} 的有穷线性组合组成的集合:
{y=a1xα1+⋯+anxαn∣α1∈Λ,i=l,2,⋯,n}
是 X 的线性包,也是包含 {xα∣α∈Λ} 的一切线性子空间的交.因此称线性包为 {xα∣α∈Λ} 张成的线性子空间,记为span {xα∣α∈Λ}。
线性和与直和
设 E1,E2 是 X 的子空间,则称集合 {x+y∣x∈E1,y∈E2},为 E1 与 E2 的线性和,记为 E1+E2,如果 E1∪E2={0},则称 E1+E2 为 X 的 直和,记为 E1⊕E2,此时 E1⊕E2 在 E1,E2 中有唯一分解。
例题
例1
Kn={(x1,⋯,xn)∣xi∈K},x=(x1,⋯,xn),y=(y1,⋯,yn)。
定义加法:x+y=(x1+y1,⋯,xn+yn)
定义数乘:αx=(αx1,⋯,αxn)
则 (Kn,+,⋅) 是 K 上的线性空间,dim Kn=n。
存在一组基: e1=(1,0,⋯,0),e2=(0,1,⋯,0),⋯,en=(0,⋯,0,1)。
例2
X={p(x)∣p(x)=a0+a1x+⋯+anxn,x∈R},a0,a1,⋯,an∈K。
则 X 是 K 上的线性空间,dim X=∞。
存在一组基:{1,x,x2,⋯,xn,⋯}
例3
X=C[a,b]={[a,b]上的连续函数},u,v∈X,
定义加法:(u+v)(x)=u(x)+v(x),数乘:(αu)(x)=αu(x),
则 X 是 K 上的线性空间,dim X=∞。
为何是无穷维?
Proof:P={p(x)∣p是多项式}⊂X=C[a,b]
如何找出一组基?
需要使用 Zorn 引理(后续会再提到)
范数与度量
设 X 是线性空间。
定义
范数
∥⋅∥:X→[0,∞) 若满足以下 3 条,则称为是 X 上的范数,称 (X,∥⋅∥) 为 X 上的赋范空间。
- 正定性:∥x∥≥0,∀x∈X 且 ∥x∥=0⇔x=0
- 齐次性:∥αx∥=∣α∣⋅∥x∥,∀α∈K,x∈X
- 三角不等式:∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥,∀x,y∈X
度量空间
ρ:X×X→[0,∞) 若满足以下 3 条,则称为 ρ 为 X 上的度量,称 (X,ρ) 为 X 上的度量空间,度量空间是特殊的拓扑空间。
- 正定性:ρ(x,y)≥0,∀x,y∈X 且 ρ(x,y)=0⇔x=y
- 对称性:ρ(x,y)=ρ(y,x),∀x,y∈X
- 三角不等式:ρ(x,y)≤ρ(x,z)+ρ(z,y),∀x,y,z∈X