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
设 X 为实(或复)线性空间,若存在函数 ∥⋅∥:X→[0,∞) 满足:
- 正定性:∥x∥=0⇔x=0
- 齐次性:∥αx∥=∣α∣∥x∥,∀α∈K,x∈X
- 三角不等式:∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥
则称 (X,∥⋅∥) 为赋范线性空间。若 (X,∥⋅∥) 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
Lp 空间
设 (Ω,F,μ) 为测度空间,定义
Lp(Ω)={f:Ω→R∥f∥p:=(∫Ω∣f∣pdμ)1/p<∞}
其中 1≤p<∞。由 Riesz-Fischer 定理,Lp 空间是完备的。
ℓp 序列空间
ℓp={(xn)n=1∞n=1∑∞∣xn∣p<∞}
1.3 重要定理
开映射定理 (Open Mapping Theorem)
设 X,Y 为 Banach 空间,T:X→Y 为有界线性算子且为满射,则 T 为开映射。
闭图像定理 (Closed Graph Theorem)
设 X,Y 为 Banach 空间,T:X→Y 为线性算子。若 T 的图像
Γ(T)={(x,Tx):x∈X}⊆X×Y
在乘积拓扑下是闭集,则 T 有界。
2. Hilbert 空间
2.1 定义
设 H 为复线性空间,若存在内积 ⟨⋅,⋅⟩:H×H→C 满足:
- 共轭对称性:⟨x,y⟩=⟨y,x⟩
- 第一变元线性:⟨αx+βy,z⟩=α⟨x,z⟩+β⟨y,z⟩
- 正定性:⟨x,x⟩≥0,等号当且仅当 x=0
则称 (H,⟨⋅,⋅⟩) 为内积空间。若 H 关于由内积诱导的范数
∥x∥=⟨x,x⟩
完备,则称 H 为 Hilbert 空间。
2.2 重要性质
平行四边形恒等式
∥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
设 M 为 Hilbert 空间 H 的闭子空间,则
H=M⊕M⊥
其中 M⊥={x∈H:⟨x,m⟩=0,∀m∈M}。
2.3 典型例子
L2 空间
L2(Ω)={f:Ω→C∫Ω∣f∣2dμ<∞}
内积定义为 ⟨f,g⟩=∫Ωfgdμ。
ℓ2 序列空间
ℓ2={(xn)n=1∑∞∣xn∣2<∞}
内积定义为 ⟨x,y⟩=∑n=1∞xnyn。
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
- Rudin, W. Functional Analysis
- Conway, J.B. A Course in Functional Analysis
- Kreyszig, E. Introductory Functional Analysis with Applications