泛函分析作业
第一次作业:习题一之 1 、2、3
习题一之 1
题目 1.
设 是 区间上具有连续导数(在端点 分别具有左右导数)的实函数全体,在 上定义
- 证明 是距离空间;
- 指出 中点列按距离收敛的意义;
- 证明 是完备的。
(1) 证明 是距离空间
易证非负性与对称性。现在证明三角不等式。
定理 1.(上确界的一个性质)
若 是定义在集合 上的有界函数,则有
(2) 指出 中点列按距离收敛的意义
若点列 收敛到 ,则:
因此显然也有 即 一致收敛到 。
故 中点列按距离收敛,等价于函数和导数一致收敛。
(3) 证明 是完备的
设 是柯西列。那么 , , 有
因此,,故 一致收敛于 。同理 也一致收敛于 。
接下来证明 是 的导数 。对任意 ,显然有:
当 时:
右边的过程是因为在一致收敛时,积分与极限可以交换。因此:
故 是 的导数,即 。
因此, 在 区间上具有连续导数,故 。另一方面,显然有
这说明 收敛。因此 是完备的。
习题一之 2
题目 2.
证明如果 是集 上的距离,则 也是 上的距离。
非负性:由于 ,所以 。
对称性:由于 ,所以 。
三角不等式:
习题一之 3
题目 3.
设 是集 上的距离,证明
- ;
- ;
中的每一个也是 上的距离。
以下只证明三角不等式。
(1) 证明 是距离
(2) 证明 是距离
要证明 ,即证 。
(3) 证明 是距离
由 “习题一之 2” 可知:
第二次作业:习题一之 5、6、7、12
习题一之 5
题目 4.
在距离空间中,半径为4的开球可以是半径为3的开球的真子集吗?
构造距离空间 ,且 ,,。
那么,,,因此是存在的。
习题一之 6
题目 5.
证明在距离空间中,如果一个半径为7的开球包含在一个半径为3的开球中,则这两个球重合。
只需证明不存在一个点 ,同时满足 且 。
如果该点符合此条件,那么存在 且 。而对第一式使用三角不等式,有:
由距离的非负性,这与 矛盾。故不存在这样的点 ,因此两个球重合。
习题一之 7
题目 6.
证明在空间 中,按距离收敛等价于按坐标收敛。
先证明 按距离收敛 按坐标收敛。此时,
故对任意,
而函数在上单调递增且连续,所以亦有,从而得证。
接下来证明 按坐标收敛 按距离收敛。此时,。同时由于 ,亦有 。
由于求和 收敛,则 , 使 。
而 ,所以存在 使得 时,。进一步由于 则 。于是:
则 ,从而得证。
习题一之 12
题目 7.
设 是距离空间,,令
证明
是
上的连续函数。
设 ,及 ,有
同理 ,即 。因此 ,只需取 ,即可有 时,。这便说明 在任意 处连续。
第三次作业:习题一之 9、10、11、14、15
习题一之 9
题目 8.
证明距离空间中每个 Cauchy 列是有界集。
设 是 Cauchy 列,则 ,,使得 。取 ,则存在 ,使得 。不妨直接取 ,则对任意 ,有 ,所以尾项 是有界的。而当 时,前项 元素有限,则必然也是有界的。于是有限集之并 是有界的。
习题一之 10
设 是距离空间 的完备子空间,。则存在点列 ,使得 。由于 是收敛列,则它是 Cauchy 列。由于 是完备的,则 收敛于 中某点 。而收敛列的极限唯一,则有 。因此 ,即 是闭集。
习题一之 11
题目 10.
证明如果距离空间是可分的,则它的任意子空间也是可分的;反之,如果距离空间不可分,它的子空间是否也不可分?
首先证明前半部分。假设 可分,以及可数稠密集 。任取子空间 ,对 考虑 。若开球与 有交集,则在交集中任取一点记为 ,并纳入到集合 中。显然,由于 可数,则 可数。
现在证明 在 中稠密。任取 及 ,并令 足够大使 。而 在 中稠密,则必然存在 使得 ,即 。由三角不等式,
意味着 中任一点可被 中的点任意逼近,即 ,故 在 中稠密且可分,所以 可分。
现在说明后半部分。不妨设定不可数集 中,使用离散距离定义。那么每个点都是孤立点,则稠密子集必然只能是 自身。但 不可数,所以不可分。如果在 中任取可数集 作为子空间,那么 对于自身稠密且可数,则是可分的。故不可分空间的子空间不一定不可分。
习题一之 14
题目 11.
设 是距离空间,证明:若在 中,任一半径趋于零的闭球套具有非空交,则空间 是完备的。
现证明 中任意 Cauchy 列 收敛。对任意 总存在 使 时有 。
取子列 使 且 ,作闭球 ,那么 是闭球套,且半径 。
题目条件给出 ,那么取 ,对每个 有 ,故子列 收敛到 ,因为 是 Cauchy 列则其本身也收敛到 。
因此 中任意 Cauchy 列都收敛,则 是完备的。
习题一之 15
题目 12.
设 是完备距离空间, 是 上的实连续函数族且具有性质:对于每一 ,存在常数 使得对每一 有 。证明:存在开集 及常数 ,使得对于每一 及所有 ,有 。
对每个 ,令 ,因每个 连续,则 是闭集,所以 也是闭集。
由题目条件每个 存在 ,使一切 有 ,那么取 ,则 。故 。而 是第二纲集,则至少一个 有非空内部,即存在非空开集 。
取 ,于是任意 有 ,从而对一切 ,有 。如此,存在开集 和常数 ,使得对于每一 及所有 ,有 。
第四次作业:习题一之 16、17、18、19
习题一之 16
题目 13.
举例说明,在压缩映射原理中,
- 空间完备性条件不可少;
- 映射 所满足的条件不能代之以条件:
取 ,。则 不完备。定义 。则 ,且
所以 是压缩映射。但方程 只有解 ,而 。因此 在 上无不动点。这说明压缩映射原理中空间完备性条件不可少。
取 ,。则 是完备距离空间。定义 。显然 。对任意 ,由中值定理,
其中 在 之间。由于 ,故 ,所以
但是 ,故不存在 使 。因此 无不动点。这说明仅仅满足 不足以推出不动点存在。
习题一之 17
题目 14.
证明:存在闭区间 上的连续函数 ,使得
其中
是给定的
上的连续函数。
首先,易证 是完备距离空间。
定义映射
由于 连续,若 连续,则 连续,所以 。
对任意 ,有
因此 。故 是压缩映射,压缩常数为 。由压缩映射原理,存在唯一的 ,使得 ,即
所以存在闭区间 上的连续函数 满足所给方程。
习题一之 18
题目 15.
设
是完备距离空间,
是
上到自身的映射,在闭球
上,
且
,其中
。证明
在
上有唯一不动点。
设。先证明 。对任意 ,有
所以 。因此 。
又因为 完备, 是 的闭子集,所以 也是完备距离空间。在 上, 满足
故 是 上的压缩映射。由压缩映射原理, 在 上有唯一不动点。
习题一之 19
题目 16.
设 , 在 的邻域 中连续,, 在 中存在且在 连续并且 。用压缩映射原理证明:存在 ,使得 。
由题设, 在 的邻域 中连续,且 。由于 在 中存在且在 连续,取足够小的 ,使得
并且。 于是对任意 ,有
又因为 连续且 ,可取 ,使得当 时,。令 ,考虑空间
则 是 中的闭子集,从而是完备距离空间。
在 上定义映射 。若 ,则 ,并且对任意 ,
所以 ,即 。
对任意 ,有
故 。因此 是 上的压缩映射。由压缩映射原理,存在唯一的 ,使得 ,即
且 。证毕。
第五次作业:习题一之 8、21、22、23、24、25
习题一之 8
设距离空间 且定义离散距离。对任意 ,总有 ,因此 是有界集。但若取 ,总有 。而 是无限集,无法以有限个开球覆盖。故 不是全有界集。
习题一之 21
题目 18.
设 ,证明:
- 是 上的一个拓扑;
- 是闭集;
- 。
(1) 是 上的一个拓扑
根据拓扑的定义,需要验证三个条件。 首先,显然有 ;其次,由于 仅包含 ,它们的任意并集仍属于 。最后,任意两个元素的交集也属于 ,且
因此, 对有限交封闭。 综上, 满足拓扑的全部公理,故它是 上的一个拓扑。
(2) 是闭集
由于 ,即 的补集是开集,因此 是闭集。
(3)
由闭包的定义, 当且仅当 的每个开邻域都与 相交。 对于 ,其唯一的开邻域是 ,且 。对于 ,其任意开邻域显然都包含 。 因此,,从而 。
习题一之 22
定理 2.
设 是任一集, 是 的子集构成的集族,则 是 上某一拓扑基,当且仅当 有以下性质:
- 任一点 ,存在 ,使得 ;
- 如果 ,其中 ,则存在 ,使得 。
题目 19.
设
是任一集,
是
的子集构成的集族,它们都满足
定理 2 中的条件,设
分别是由它们决定的
上的拓扑。证明:
,当且仅当对于每一
及任一点
,存在
,使得
。
必要性:
假设 。 任取 及 。 由于 是 的基,因此 。又因为 是 的基,所以存在 ,使得
充分性:
假设对于任意 及 ,都存在 ,满足 。任取 。 由于 是 的基,对于任意 ,存在 ,使得 。根据假设,存在 ,使得
因此, 中的每个点都有一个包含于 的 基元素。 由拓扑基的定义,。 故 。
习题一之 23
题目 20.
试举以拓扑空间的例,它是 的但不是 的。
取
令 为所有通常开区间 以及集合 构成的集族。容易验证 满足拓扑基条件,因此它生成一个拓扑 。现证明 是 空间。由于 包含通常的欧氏拓扑,对任意不同的 ,取 。则
都是 中的开集,并且
因此, 是 空间。 (2)证明 不是 空间。 注意到 是 中的开集,因此 是闭集,且 。 任取包含 的开集 和包含 的开集 。 由拓扑基的构造,存在 ,使得 。
选取充分大的 ,使得 。因为 ,且 是开集,所以存在 ,使得 。由于该区间中存在不属于 且属于 的点,故 。因此,无法用不相交的开集分离点 与闭集 ,即该空间不是正则空间。 所以 是 空间,但不是 空间。
习题一之 24
题目 21.
设 是 拓扑空间,证明点 是 中集 的极限点,当且仅当 的任意邻域中包含 中的无穷多点。如不假设 是 的,结论是否成立?
必要性:
设 是 的极限点。 反设存在 的某个开邻域 ,使得 是有限集。 记
由于 是 空间,每个单点集 都是闭集,所以 是包含 的开邻域。 但 ,这与 是 的极限点矛盾。 因此, 的任意邻域都包含 中的无穷多点。
充分性:
假设 的任意邻域都包含 中的无穷多点。 则任意邻域 中,必然存在 ,使得 ,即 ,根据极限点的定义, 是 的极限点。 综上, 的任意邻域含有 中无穷多点。
反例:
取 。并令 。 对于点 ,其唯一的开邻域是 ,且 。因此, 是 的极限点。 但是 仅包含一个点,而不是无穷多点。 所以不假设 时,该结论不一定成立。
习题一之 25
题目 22.
设拓扑空间 满足第二可数公理,证明从 的任意开覆盖中可选出由最多可数个集构成的子覆盖。
由于 满足第二可数公理,存在一个可数拓扑基 。任取 的一个开覆盖
对每个能够包含于某个 的基元素 ,选取一个这样的 ,使得 。由于基元素至多可数,所选取的开集族 也是至多可数的。
下面证明 覆盖 。 任取 。 因为 是 的开覆盖,存在 ,使得 。又因为 是拓扑基,存在 ,满足 。根据前面的选取规则,存在 ,使得
因此,每个 都属于 的某个元素,从而 。故 是原开覆盖的一个至多可数的子覆盖。
第六次作业:习题二之 1、2、5、6、8、9
习题二之 1
题目 23.
设 是赋范空间,对于 令
证明
是
上的距离但不是由范数诱导的距离。
首先证明 是距离。
- 正定性:显然 ,且。
- 对称性:由范数的性质,。
- 三角不等式:任取 。若 ,则不等式显然成立;若 或 ,则等号成立。
当 两两不同时,由范数的三角不等式,
因此 是 上的距离。
下面证明 不是由范数诱导的距离。设 ,反设存在范数 ,使得。任取 ,由范数的齐次性,。但由 的定义,
从而 ,矛盾。故 不是由范数诱导的距离。
习题二之 2
题目 24.
在 中,按坐标定义线性运算且对 定义
证明
是一个赋范空间。
首先证明 是线性空间。任取 及标量 ,由
可知 ,故 是线性空间。
下面验证范数的三个条件。
- 正定性:显然 ,且
- 齐次性:对任意标量 ,
- 三角不等式:对任意 ,
综上, 是赋范空间。
习题二之 5
题目 25.
设 是赋范空间, 是 中的稠密子集,证明:对于每一 存在 ,使得 且 。
任取 。由于 在 中稠密,可递归选取 ,使得
具体地,先取 ,满足 。假设已取 ,记
由 的稠密性,可取 ,使得。令 ,则 ,故
因此
下面证明级数绝对收敛。对 ,由三角不等式,
因而
综上,存在 ,使得
习题二之 6
题目 26.
设 是赋范空间,,证明: 是 Banach 空间,当且仅当 中的单位球面 是完备的。
(1)必要性:设 是 Banach 空间。由于范数连续,单位球面 是 中的闭集。完备距离空间的闭子集仍完备,故 完备。
(2)充分性:设 完备。任取 中的 Cauchy 列 。
由反三角不等式,,可知 是实数域上的 Cauchy 列。由实数的完备性,存在 ,使得 。若 ,则 ,故 。
若 ,则当 充分大时 。令 。对充分大的 ,有
由于 是 Cauchy 列,且 ,故
因此 是 中的 Cauchy 列。
由 完备,存在 ,使得 。又因为 ,所以 。因此 中任意 Cauchy 列均收敛,即 完备。
综上,
习题二之 8
题目 27.
设 是一列赋范空间, 且满足条件 ,用 表示所有 的全体,按坐标定义线性运算构成的线性空间,在 中定义
证明
是一个赋范空间。
首先证明 是线性空间。
任取 及标量 。由范数的三角不等式及
得
两边对 求和,由 可知
因此 ,故 是线性空间。
下面验证范数的三个条件。
- 正定性:显然 ,且
- 齐次性:对任意标量 ,
- 三角不等式:由各 中的三角不等式及 Minkowski 不等式,
综上, 是赋范空间。
习题二之 9
题目 28.
证明:
- 离散情形的 Hölder 不等式与 Minkowski 不等式;
- 是可分的 Banach 空间。
(1) 离散 Hölder 不等式
设 ,且 。对任意 、,证明
记
若 或 ,结论显然成立。
当 时,令
由 Young 不等式,
两边求和,得到
因此 。
当 时,由
可知端点情形同样成立。
(2) 离散 Minkowski 不等式
对 ,证明
当 时,由三角不等式直接成立。
当 时,令 。先对有限项证明。由三角不等式,
对右端两项分别应用 Hölder 不等式,并利用 ,得到
若左端为零,结论显然;否则两边除以最后一个因子,得
令 ,即得 Minkowski 不等式。
(3) 是 Banach 空间
设 是 中的 Cauchy 列,其中 。由于
故对任意固定的 , 是标量域中的 Cauchy 列。
由标量域的完备性,存在 ,使得 。记 。
因为 是 Cauchy 列,所以对任意 ,存在 ,使得当 时,。因而对任意正整数 ,
固定 ,令 ,得 。再令 ,得到
因此 。又因为 ,故 ,并且 。
于是 ,即 中任意 Cauchy 列均收敛,所以 是 Banach 空间。
(4) 是可分空间
先考虑实数域上的 。令 。由于 是有限维有理数序列集合的可数并,故 可数。
下面证明 在 中稠密。任取 及 。由于 ,存在正整数 ,使得
由于 在 中稠密,对 ,可取 ,使得
令 。则
因而 。
故 是 中的可数稠密子集, 可分。对复数域上的 ,只需将 换成 ,证明相同。
综上,()是可分的 Banach 空间。
第七次作业:习题二之 3、12、13、14、17、18
习题二之 3
题目 29.
设 是空间 中除又穷个坐标之外为 的元之全体构成的子空间,证明 不是闭子空间。
考虑 中的元素 ,显然 ,但 有无穷多个非零坐标,因此 。
对每个正整数 ,令 。由于 仅有有限个非零坐标,故 。
又因为
所以 。因此 中存在收敛序列,其极限不属于 ,故 不是闭子空间。
习题二之 12
题目 30.
设 是直线上的 Lebesgue 可测集,且 ,用 表示 中的范数, 表示 的范数。证明: 对于每一 ,
设 ,记
由于 ,对任意 ,有
因此 。令 ,得
另一方面,若 ,则 几乎处处成立,结论显然。
若 ,任取 ,由本性上确界的定义,集合 满足 。
于是
因此 。令 ,由于 ,得到 。由 的任意性,。
结合上下极限,得到
习题二之 13
题目 31.
设 是赋范空间,在乘积线性空间 中定义
其中
。证明:
是
上的等价范数。
任取 ,记 。则
首先验证二者均为范数。首先非负性与正定性显然。然后,对任意标量 ,由各分量范数的齐次性,
再任取 ,由分量范数的三角不等式,
同时,
故二者都是范数。
下面证明等价性。由于 ,
即 。因此存在常数 、,使得
故 与 是等价范数。
习题二之 14
题目 32.
设 是区间 上所有连续函数全体按通常方式定义线性运算所成的线性空间,对于 定义
证明:
是
上两个不等价的范数。
首先证明两个函数都是 上的范数。对于一致范数 ,其正定性、齐次性及三角不等式均由绝对值的相应性质直接得到。
对于积分范数 ,显然 。
若 ,由于 连续且非负,必有 对所有 成立,否则由连续性可找到一个正长度的区间,使其积分严格大于零。因此 。
此外,对任意标量 ,
对任意 ,
故 也是范数。
下面证明二者不等价。
由 ,可得 。若两个范数等价,则还存在常数 ,使得对所有 ,。
构造函数列
显然 ,且 。另一方面,
于是
与存在统一的常数 矛盾。
因此两个范数不等价。
习题二之 17
题目 33.
设 是赋范空间,如果对任意 且 必有 ,称 是严格凸赋范空间。
- 证明赋范空间 是严格凸的,当且仅当对任意 必有 。
- 证明在严格凸赋范空间中,对于每一个 , 关于任意子空间 的最佳逼近是唯一的。
(1) 严格凸的等价条件
先证明必要性。设 严格凸,任取非零向量 ,且 。
令
则 。
再令
显然 ,并且
若 ,由严格凸性及三角不等式的等号条件可知,单位球面上两个不同点的非平凡凸组合范数严格小于 ,与上式矛盾。
故 ,即
因此
再证明充分性。设上述等号条件成立。
任取 ,满足 。由三角不等式,。若 ,根据假设,存在 ,使得 。由 ,可得 ,即 ,矛盾。
因此 。故 严格凸。
综上,两个条件等价。
(2) 最佳逼近的唯一性
设 是严格凸赋范空间, 是 的任意线性子空间。
任取 ,假设 均为 的最佳逼近,即
其中 。
若 ,则 ,唯一性显然成立。
若 ,反设 ,令
则 。由严格凸性,。
又因为 是线性子空间,。于是
这与 是 到 的最小距离矛盾。因此 。
故在严格凸赋范空间中,任意子空间上的最佳逼近若存在,则必唯一。
习题二之 18
题目 34.
设 是赋范空间。如果对任意 ,存在 ,当 , 时必有 ,称 是一致凸的。证明:
- 不是一致凸的。
- 不是一致凸的。
- 一致凸赋范空间必是严格凸的。
(1) 不是一致凸的
设 ,考虑 上的一致范数
构造两个函数
显然 ,且 。
由于 ,有 。但在 处,,因此 。
取 ,则对于任意 ,上述 均满足 ,但 。
故 不是一致凸空间。
(2) 不是一致凸的
设 ,取两个不相交且具有正测度的可测子集
定义
其中 为示性函数。
由于 ,且 ,
又由于 的支集不相交,
同时,
取 ,则对任意 ,都有
这与一致凸性的定义矛盾。
因此 不是一致凸空间。
(3) 一致凸空间必严格凸
设 是一致凸赋范空间。
任取 ,满足
由于 ,有 。
由一致凸性,存在 ,使得 。
因此对于任意两个不同的单位向量,都有 。
故 是严格凸赋范空间。