The best mathematician can notice analogies between theories.

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,yx,y,以及线性的 T:xyT:x \rightarrow y
与线性代数的区别: dim xx = \infty,dim yy = \infty,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

XX 非空:K\mathbb{K} 是数域,满足下面八条性质,则称 XXK\mathbb{K} 上的 线性空间

  1. XX 对加法满足:对 \forall x,yXx,y \in X,有:
    • 交换律:x+y=y+xx + y = y + x
    • 结合律:(x+y)+z=x+(y+z)(x + y) + z = x + (y + z)
    • 零元:0:x+0=0+x=xx + 0 = 0 + x = x
    • 负元:x-xx+(x)=(x)+x=0x + (-x) = (-x) + x = 0
  2. XX 对数乘满足:对 \forall x,yXx, y \in Xα,βK\alpha,\beta \in \mathbb{K},有:
    • 数乘结合律:(αβ)x=α(βx)(\alpha \cdot \beta) \cdot x = \alpha \cdot (\beta \cdot x)
    • 单位元:1K1 \in \mathbb{K}1x=x1 \cdot x = x
    • 数乘分配律1:(α+β)x=αx+βx(\alpha + \beta) x = \alpha x + \beta x
    • 数乘分配律2:α(x+y)=αx+αy\alpha (x + y) = \alpha x + \alpha y

线性子空间

EXE \subset Xx,yE\forall x,y \in EαK\forall \alpha \in \mathbb{K},有:

  1. x+yEx + y \in E
  2. αxE\alpha \cdot x \in E

则称 EXE \subset XXX线性子空间

线性子流形

EXE \subset Xx0E\forall x_0 \in EαK\forall \alpha \in \mathbb{K},有:

E=x0+E1{x+x0xE1},其中 E1 是 X 的线性子空间E = x_0 + E_1 \triangleq \{ x + x_0 | x \in E_1 \} , \quad \text{其中 $ E_1 $ 是 $X$ 的线性子空间}

则称 EXE \subset XXX线性子流形

线性变换

X,X1X,X_1 都是线性空间,T:XX1T: X \rightarrow X_1 是映射,若

T(αx+βy)=αTx+βTy,x,yX,α,βKT(\alpha x + \beta y) = \alpha Tx + \beta Ty, \quad \forall x,y \in X, \forall \alpha,\beta \in \mathbb{K}

则称为 TTXXX1X_1线性变换,如果 TT 是双射,则称 TT 是一个线性同构

线性相关

若存在一组不全为 0 的 λ1,λ2,,λnK\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n \in \mathbb{K}x1,x2,,xnX\forall x_1,x_2,\cdots,x_n \in X,有:

i=1nλixi=0\sum_{i=1}^n \lambda_i x_i = 0

则称 x1,x2,,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 线性相关。反之为线性无关

{xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \} 满足下两条性质,则称是 XX 中的一组基。

  1. xX\forall x \in Xα1,α2,,αnΛ\forall \alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_n \in \Lambda, s.t. x=λ1xα1+λ2xα2++λnxαnx = \lambda_1 x_{\alpha_1} + \lambda_2 x_{\alpha_2} + \cdots + \lambda_n x_{\alpha_n}
  2. {xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \} 中的元素线性无关

维数

{xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \} 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

Λ\Lambda 是一个指标集,{xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \}XX 中的向量族,一切由 {xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \} 的有穷线性组合组成的集合:

{y=a1xα1++anxαnα1Λ,i=l,2,,n}\{ y = a_1 x_{\alpha_1} + \cdots + a_n x_{\alpha_n} | \alpha_1 \in \Lambda, i = l , 2, \cdots, n \}

XX线性包,也是包含 {xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \} 的一切线性子空间的交.因此称线性包为 {xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \} 张成的线性子空间,记为span {xααΛ}\{ x_\alpha | \alpha \in \Lambda \}

线性和与直和

E1,E2E_1 ,E_2XX 的子空间,则称集合 {x+yxE1,yE2}\{ x + y | x \in E_1, y \in E_2\},为 E1E_1E2E_2线性和,记为 E1+E2E_1+E_2,如果 E1E2={0}E_1 \cup E_2 = \{ \vec{0} \},则称 E1+E2E_1+E_2XX直和,记为 E1E2E_1 \oplus E_2,此时 E1E2E_1 \oplus E_2E1,E2E_1,E_2 中有唯一分解。

例题

例1

Kn={(x1,,xn)xiK}\mathbb{K}^n = \{ (x_1,\cdots,x_n) | x_i \in \mathbb{K} \}x=(x1,,xn)x = (x_1,\cdots,x_n)y=(y1,,yn)y = (y_1,\cdots,y_n)

定义加法:x+y=(x1+y1,,xn+yn)x+y = (x_1+y_1,\cdots,x_n+y_n)
定义数乘:αx=(αx1,,αxn)\alpha x = (\alpha x_1,\cdots,\alpha x_n)

(Kn,+,)(\mathbb{K}^n,+,\cdot)K\mathbb{K} 上的线性空间,dim Kn=n\mathbb{K}^n = n

存在一组基: e1=(1,0,,0),e2=(0,1,,0),,en=(0,,0,1)e_1 = (1,0,\cdots,0), e_2 = (0,1,\cdots,0), \cdots, e_n = (0,\cdots,0,1)

例2

X={p(x)p(x)=a0+a1x++anxn,xR}X = \{ p(x) | p(x) = a_0 + a_1 x + \cdots + a_n x^n, x \in \mathbb{R} \}a0,a1,,anKa_0,a_1,\cdots,a_n \in \mathbb{K}

XXK\mathbb{K} 上的线性空间,dim X=X = \infty

存在一组基:{1,x,x2,,xn,}\{ 1,x,x^2,\cdots,x^n,\cdots \}

例3

X=C[a,b]={[a,b]上的连续函数}X = C[a,b] = \{ [a,b] \text{上的连续函数} \}u,vXu,v \in X

定义加法:(u+v)(x)=u(x)+v(x)(u+v)(x) = u(x) + v(x),数乘:(αu)(x)=αu(x)(\alpha u)(x) = \alpha u(x)

XXK\mathbb{K} 上的线性空间,dim X=X = \infty

为何是无穷维?

Proof:P={p(x)p是多项式}X=C[a,b]P = \{ p(x) | p \text{是多项式} \} \subset 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

XX 是线性空间。

定义

范数

:X[0,)\left\| \cdot \right\|: X \rightarrow [0,\infty) 若满足以下 3 条,则称为是 XX 上的范数,称 (X,)(X, \left\| \cdot \right\|)XX 上的赋范空间

  1. 正定性:x0,xX\left\| x \right\| \geq 0, \quad \forall x \in Xx=0x=0\left\| x \right\| = 0 \Leftrightarrow x = 0
  2. 齐次性:αx=αx,αK,xX\left\| \alpha x \right\| = |\alpha| \cdot \left\| x \right\|, \quad \forall \alpha \in \mathbb{K}, x \in X
  3. 三角不等式:x+yx+y,x,yX\left\| x + y \right\| \leq \left\| x \right\| + \left\| y \right\|, \quad \forall x,y \in X

度量空间

ρ:X×X[0,)\rho: X \times X \rightarrow [0,\infty) 若满足以下 3 条,则称为 ρ\rhoXX 上的度量,称 (X,ρ)(X, \rho)XX 上的度量空间,度量空间是特殊的拓扑空间。

  1. 正定性:ρ(x,y)0,x,yX\rho(x,y) \geq 0, \quad \forall x,y \in Xρ(x,y)=0x=y\rho(x,y) = 0 \Leftrightarrow x = y
  2. 对称性:ρ(x,y)=ρ(y,x),x,yX\rho(x,y) = \rho(y,x), \quad \forall x,y \in X
  3. 三角不等式:ρ(x,y)ρ(x,z)+ρ(z,y),x,y,zX\rho(x,y) \leq \rho(x,z) + \rho(z,y), \quad \forall x,y,z \in X

泛函分析-Lec-01
http://dbqdss.github.io/2024/08/03/泛函分析-张恭庆/泛函分析-Lec-01/
作者
DBQDSS
发布于
2024年8月3日
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