泛函分析基础:Banach 空间与 Hilbert 空间

泛函分析是现代数学的重要分支,为偏微分方程、量子力学等提供理论基础。本文将系统介绍两大核心空间。

1. Banach 空间

1.1 定义

XX 为实(或复)线性空间,若存在函数 :X[0,)\|\cdot\|: X \to [0, \infty) 满足:

  1. 正定性x=0x=0\|x\| = 0 \Leftrightarrow x = 0
  2. 齐次性αx=αx\|\alpha x\| = |\alpha| \|x\|αK,xX\forall \alpha \in \mathbb{K}, x \in X
  3. 三角不等式x+yx+y\|x + y\| \leq \|x\| + \|y\|

则称 (X,)(X, \|\cdot\|)赋范线性空间。若 (X,)(X, \|\cdot\|) 关于由范数诱导的度量完备,则称其为 Banach 空间

1.2 典型例子

LpL^p 空间

(Ω,F,μ)(\Omega, \mathcal{F}, \mu) 为测度空间,定义

Lp(Ω)={f:ΩR|fp:=(Ωfpdμ)1/p<}L^p(\Omega) = \left\{ f: \Omega \to \mathbb{R} \,\middle|\, \|f\|_p := \left( \int_\Omega |f|^p \, d\mu \right)^{1/p} < \infty \right\}

其中 1p<1 \leq p < \infty。由 Riesz-Fischer 定理LpL^p 空间是完备的。

p\ell^p 序列空间

p={(xn)n=1|n=1xnp<}\ell^p = \left\{ (x_n)_{n=1}^\infty \,\middle|\, \sum_{n=1}^\infty |x_n|^p < \infty \right\}

1.3 重要定理

开映射定理 (Open Mapping Theorem)

X,YX, Y 为 Banach 空间,T:XYT: X \to Y 为有界线性算子且为满射,则 TT 为开映射。

闭图像定理 (Closed Graph Theorem)

X,YX, Y 为 Banach 空间,T:XYT: X \to Y 为线性算子。若 TT 的图像

Γ(T)={(x,Tx):xX}X×Y\Gamma(T) = \{(x, Tx) : x \in X\} \subseteq X \times Y

在乘积拓扑下是闭集,则 TT 有界。


2. Hilbert 空间

2.1 定义

HH 为复线性空间,若存在内积 ,:H×HC\langle \cdot, \cdot \rangle: H \times H \to \mathbb{C} 满足:

  1. 共轭对称性x,y=y,x\langle x, y \rangle = \overline{\langle y, x \rangle}
  2. 第一变元线性αx+βy,z=αx,z+βy,z\langle \alpha x + \beta y, z \rangle = \alpha \langle x, z \rangle + \beta \langle y, z \rangle
  3. 正定性x,x0\langle x, x \rangle \geq 0,等号当且仅当 x=0x = 0

则称 (H,,)(H, \langle \cdot, \cdot \rangle)内积空间。若 HH 关于由内积诱导的范数

x=x,x\|x\| = \sqrt{\langle x, x \rangle}

完备,则称 HHHilbert 空间

2.2 重要性质

平行四边形恒等式

x+y2+xy2=2(x2+y2)\|x + y\|^2 + \|x - y\|^2 = 2(\|x\|^2 + \|y\|^2)

这是 Hilbert 空间的特征性质,Banach 空间不一定满足。

正交分解定理

MM 为 Hilbert 空间 HH 的闭子空间,则

H=MMH = M \oplus M^\perp

其中 M={xH:x,m=0,mM}M^\perp = \{x \in H : \langle x, m \rangle = 0, \forall m \in M\}

2.3 典型例子

L2L^2 空间

L2(Ω)={f:ΩC|Ωf2dμ<}L^2(\Omega) = \left\{ f: \Omega \to \mathbb{C} \,\middle|\, \int_\Omega |f|^2 \, d\mu < \infty \right\}

内积定义为 f,g=Ωfgdμ\langle f, g \rangle = \int_\Omega f \overline{g} \, d\mu

2\ell^2 序列空间

2={(xn)|n=1xn2<}\ell^2 = \left\{ (x_n) \,\middle|\, \sum_{n=1}^\infty |x_n|^2 < \infty \right\}

内积定义为 x,y=n=1xnyn\langle x, y \rangle = \sum_{n=1}^\infty x_n \overline{y_n}


3. Banach 空间与 Hilbert 空间的关系

Hilbert 空间是特殊的 Banach 空间

性质 Banach 空间 Hilbert 空间
范数结构
内积结构
平行四边形恒等式 不一定
正交分解 不一定

4. 参考文献

  1. Rudin, W. Functional Analysis
  2. Conway, J.B. A Course in Functional Analysis
  3. Kreyszig, E. Introductory Functional Analysis with Applications