Funktionalanalysis Prof. Dr. Y. Kondratiev 20. Oktober 2015 1 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 1.1 Metrische Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Konvergente Folgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Der Satz von Baire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 2 2 Normierte Räume 2.1 Definitionen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Eigenschaften normierter Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 9 3 Funktionale und Operatoren 3.1 Stetige lineare Operatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Dualräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 14 17 4 Die 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5 6 7 Hauptsätze für Funktionale und Operatoren Der Satz von Hahn-Banach und seine Konsequenzen Schwache Konvergenz und Reflexivität . . . . . . . . Das Prinzip der gleichmäßigen Beschränktheit . . . . Satz der offenen Abbildung . . . . . . . . . . . . . . Der Satz vom abgeschlossenen Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 18 23 27 28 31 Hilbert Räume 5.1 Prähilberträume und Hilbert-Räume . . . . . . 5.2 Geometrie eines Hilbertraumes . . . . . . . . . 5.2.1 Der Dualraum eines Hilbertraumes . . . 5.2.2 Fortsetzungsprobleme . . . . . . . . . . 5.3 Separable Hilberträume und Orthonormalbasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 32 36 38 39 40 Lineare Operatoren in Hilberträumen 6.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . 6.2 Spezielle Klassen von Operatoren 6.2.1 Projektoren . . . . . . . . 6.2.2 Isometrien . . . . . . . . . 6.2.3 Kompakte Operatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 43 46 46 49 50 . . . . . . . . . . . . . . . Spektraltheorie von Operatoren - Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Literatur 54 Literatur 54 i 1 Grundlagen 1.1 Metrische Räume Definition 1.1. Ein metrischer Raum ist ein Paar (X, d), wobei X eine nicht-leere Menge und d : X × X −→ R+ := [0, +∞) eine Abbildung ist, welche den folgenden Axiomen gengt. Für alle x, y, z ∈ X gilt (M1): d(x, y) = 0 ⇔ x = y (M2): d(x, y) = d(y, x) (M3): d(x, y) ≤ d(x, z) + d(z, y) (Dreiecksungleichung) Lemma 1.2. Es sei (X, d) ein metrischer Raum. Dann gilt für alle x, x0 , y, y 0 ∈ X |d(x, x0 ) − d(y, y 0 )| ≤ d(x, y) + d(x0 , y 0 ) Beweis. Es gilt d(x, x0 ) ≤ d(x, y) + d(y, y 0 ) + d(y 0 , x0 ) und somit d(x, x0 ) − d(y, y 0 ) ≤ d(x, y) + d(y 0 , x0 ). Analog lässt sich zeigen d(y, y 0 ) − d(x, x0 ) ≤ d(x, y) + d(y 0 , x0 ), woraus die Behauptung folgt. Definition 1.3. Es sei (X, d) ein metrischer Raum. Fr jedes x ∈ X und ε > 0 heit Bε (x) = Uε (x) := {y ∈ X : d(y, x) < ε} ε-Umgebung von x bzw. offene ε-Kugel. Lemma 1.4. Es sei (X, d) ein metrischer Raum und Bε eine ε-Kugel um x. Dann gelten (i) x ∈ Uε (x). (ii) Uε1 (x) ∩ Uε2 (x) = Uε (x), wobei ε := min{ε1 , ε2 }. (iii) y ∈ Uε (x) ⇒ Uε−d(x,y) (y) ⊂ Uε (x). Definition 1.5. Eine Teilmenge V ⊂ X eines metrischen Raumes (X, d) =: X heißt offen, falls ∀x ∈ V, ∃ε > 0 : Uε (x) ⊂ V . Bemerkung 1.6. Ein metrischer Raum X ist ein Hausdorff-Raum, d.h.: ∀x, y ∈ X , x 6= y ∃ε > 0 : Uε (x) ∩ Uε (y) = ∅. 1 1.2 Konvergente Folgen Im Folgenden bezeichnet (X, d) stets einen metrischen Raum. Definition 1.7. Eine Folge (xn )n∈N = {xn : n ≥ 1} ⊂ X konvergiert gegen x ∈ X, falls für alle ε > 0, ein n0 ∈ N existiert mit d(xn , x) ≤ ε, ∀n ≥ n0 . Schreibweise: lim xn = x, bzw. xn → x, n → ∞. n→∞ Definition 1.8. Fr A ⊂ X wird der Abschluss durch A := {x ∈ X : ∀ε > 0, Uε (x) ∩ A 6= ∅} =: cls(A) definiert. Es gilt natürlich A ⊂ A. Lemma 1.9. Fr A ⊂ X gilt A = {x ∈ X : ∃(xn )n∈N ⊂ A, xn → x}. Der Abschluss ist also die Menge aller Grenzwerte von Folgen in A. Definition 1.10. Eine Folge (xn )n∈N in X heit Cauchy - Folge, falls für alle ε > 0, ein n0 ∈ N existiert mit d(xn , xm ) < ε, ∀n, m ≥ n0 . Natürlich ist jede konvergente Folge eine Cauchy-Folge. Definition 1.11. Ein metrischer Raum (X, d) heit vollständig, falls jede Cauchy-Folge in X konvergiert. 1.3 Der Satz von Baire Definition 1.12. A ⊂ X heit dicht in X, falls A = X gilt. A heit nirgends dicht, falls A keine inneren Punkte enthlt. Bemerkung 1.13. Das Innere von A ist durch int(A) := {x ∈ X : ∃ε > 0, Bε (x) ⊂ A} definiert. Dabei heit ein x ∈ int(A) innerer Punkt von A. Außerdem gilt die Inklusion int(A) ⊂ A, und A ist nirgends dicht genau dann, wenn int(A) = ∅. Die Definition in der Bemerkung 1.13 kann uns Aufschluss darber geben, wie gro Mengen sind. Zum Beispiel ist Z = Z und Q = R. Dabei ist zu beachten, dass beide Mengen abzählbar sind. Lemma 1.14. Fr A ⊂ X gilt (i) A ist nirgends dicht ⇔ A enthält keine offene Kugel. 2 (ii) Ist A abgeschlossen (d.h. A = A), so gilt A ist nirgends dicht ⇔ ∀x ∈ A, ε > 0 : Uε (x) ∩ Ac 6= ∅. Lemma 1.15. Es sei (X, d) ein vollständiger metrischer Raum, (En )n∈N ⊂ X und εn > 0 → 0, n → ∞. Angenommen die Mengen En = Uεn (xn ) ⊂ X erfüllen En+1 ⊂ En für alle n ≥ 1. Dann gibt es genau ein x ∈ X mit x ∈ En , ∀n ∈ N so dass \ En = {x} n∈N gilt. Beweis. Die Folge (xn )n∈N ist eine Cauchy-Folge, denn für alle i, j ∈ N mit i < j gilt Ej ⊂ Ei , also auch Uεj (xj ) ⊂ Uεi (xi ) . Somit ist d(xj , xi ) ≤ εi → 0, i → ∞. Da X vollständig ist, gibt es ein x ∈ X mit lim xn = x. n→∞ T Fr dieses x gilt nach Konstruktion x ∈ En für alle n ∈ N und somit x ∈ En =: E0 . Es sei n∈N nun y ∈ E, da y ∈ En , für alle n ∈ N gilt, haben wir folgende Abschätzung d(x, y) ≤ d(x, xn ) + d(xn , y) ≤ εn + εn = 2εn → 0 , n → ∞. Somit bekommen wir d(x, y) ≤ 0, also x = y. Satz 1.16 (Satz von Baire). Es sei (X, d) ein vollständiger metrischer Raum und (An )n∈N eine Folge von abgeschlossenen S Teilmengen von X. Ferner enthalte An eine offene Kugel. Dann gibt es mindestens ein i ∈ N, n∈N so dass Ai eine offene Kugel enthält. Beweis. S Definiere U0 := Uε0 (x0 ) ⊂ An als offene Kugel, welche in der Vereinigung liegt. Die folgende n∈N Annahme wird zum Widerspruch führen ∀ε > 0 , x ∈ X , n ∈ N : Uε (x) ∩ Acn 6= ∅ , das heißt, es gibt keine offene Kugel in einem der An . Betrachte U0 ∩ Acn 6= ∅. Diese Menge ist für alle n ∈ N offen. Also folgt, dass ein K1 := Bε1 (x1 ) ⊂ Ac1 ∩ U0 existiert, wobei ohne Einschränkung 0 < ε1 < 1 gewählt werden kann. Da jedoch auch Ac2 ∩ Uε1 (x1 ) 6= ∅ gilt, existiert 1 K2 := Bε2 (x2 ) ⊂ Ac2 ∩ Uε1 (x1 ) , wobei 0 < ε2 < . 2 Auf diese Weise definieren wir induktiv eine Folge von Ki , wie folgt ∃Ki := B εi (xi ), 0 < εi < 1 und Ki ⊂ Aci ∩ Uεi−1 (xi−1 ). i Somit gilt Ki ⊂ Ki−1 , also ist (Ki )i∈N eine absteigende Folge von abgeschlossenen Mengen. Nach T Lemma 1.15 gibt es genau ein x ∈ X mit Kn = {x}. Wegen x ∈ Acn , ∀n ∈ N gilt n∈N !c x∈ \ Acn = n∈N Aufgrund x ∈ K1 ⊂ Ac1 ∩ U0 folgt x ∈ U0 ⊂ [ An n∈N S ⇒x∈ / [ An . n∈N An , welches ein Widerspruch zu (1.1) ist. n∈N 3 (1.1) Korollar 1.17. In einem vollständigen metrischen Raum hat die Vereinigung von abzählbar vielen, nirgends dichten und abgeschlossenen Mengen keinen inneren Punkt. Definition 1.18. Eine Abbildung f : X −→ R heißt stetig in x0 ∈ X, falls ∀ε > 0, ∃δ > 0 : ∀x ∈ Uδ (x0 ) ⇒ |f (x) − f (x0 )| < ε Bzw. ∀ε > 0, ∃δ > 0 : ∀x ∈ Uδ (x0 ) ⇒ f (x) ∈ Uε (f (x0 )). Allgemeiner: Eine Abbildung f : X → Y , wobei (X, dX ), (Y, dY ) metrische Rume sind, heit stetig in x0 ∈ X, falls ∀ε > 0, ∃δ > 0 : ∀x ∈ Uδ (x0 ) ⇒ f (x) ∈ Uε (f (x0 )) Bzw. ∀ε > 0, ∃δ > 0 : f (Uδ (x0 )) ⊂ Uε (f (x0 )) Definition 1.19. Es sei C(X, R) := {f : X −→ R : f ist stetig} die Menge der stetigen Funktionen. Eine Menge F von Funktionen f : X −→ R heißt punktweise gleichmßig beschrnkt, falls für jeden Punkt x ∈ K die Menge {f (x)|f ∈ F } ⊂ R beschränkt ist, d.h. es gibt ein Kx > 0 mit |f (x) ≤ Kx für alle f ∈ F . Bemerkung 1.20. Die Stetigkeit von f ist äquivalent dazu, dass die Urbilder abgeschlossener Mengen wieder abgeschlossen sind. Beweis. Es sei K ⊂ R abgeschlossen. So ist f −1 (K) := {x ∈ X : f (x) ∈ K} ⊂ X. Es sei {xn : n ∈ N} eine Folge in f −1 (K), sowie xn → x0 ∈ X. Dann gilt f (xn ) → f (x0 ) und da K abgeschlossen ist, auch f (x0 ) ∈ K. Somit ist x0 ∈ f −1 (K) und es folgt, dass f −1 (K) abgeschlossen ist. Korollar 1.21. Es sei (X, d) ein vollstndiger metrischer Raum und F ⊂ C(X, R) punktweise gleichmßig beschränkt. Dann gibt es eine offene Kugel U ⊂ X und eine Konstante C > 0 mit |f (x)| < C für alle x ∈ U und f ∈ F . Das heißt F ist auf einer offenen Kugel gleichmäßig beschränkt. Beweis. Definiere An := {x ∈ X : |f (x)| ≤ n, ∀f ∈ F }. Dann gilt {x ∈ X : f (x) ≤ n} = f −1 ([−n, n]) . T −1 Insbesondere haben wir somit f ((−n, n]) = An . Mit Bemerkung 1.20 ist An abgeschlossen f ∈F für jedes n, denn beliebige S Schnitte von abgeschlossenen Mengen sind wieder abgeschlossen. Ferner haben wir X = An , dabei ist X als topologischer Raum natürlich offen, enthält somit n∈N eine offene Kugel. Nach dem Satz von Baire gibt es eine offene Kugel U ⊂ X, sowie ein m ∈ N mit U ⊂ Am . Also gilt |f (x)| ≤ m, für alle x ∈ U und alle f ∈ F . Bemerkung 1.22. Analog lässt sich zeigen, dass für F ⊂ C(X < R) die Bedingung ∀x ∈ X ∃C > 0 : f (x) ≤ Kx , ∀f ∈ F 4 2 Normierte Räume 2.1 Definitionen und Beispiele Wir betrachten einen Vektorraum X über dem Körper K = {R, C}. Definition 2.1. Sei X ein K-Vektorraum. Eine Abbildung p : X −→ R+ heißt Halbnorm, wenn sie folgende Axiome für alle x, y ∈ X und α ∈ K erfüllt (N1) p(αx) = |α|p(x) (N2) p(x + y) ≤ p(x) + p(y). Gilt zusätzlich (N3): p(x) = 0 ⇒ x = 0, so heißt p eine Norm. Bezeichnung: p(x) =: kxk und (X, k · k) heißt normierter Raum. d(x, y) = kx − yk ist eine Metrik auf X. Also ist (X, d) ein metrischer Raum. Definition 2.2. Ein vollständiger normierter Raum heißt Banach-Raum. Beispiel 2.3. Es sei n ∈ N, X = Kn und x ∈ X, x = (x1 , x2 , ..., xn ). So definieren wir kxk1 := n X |xk |, die 1-Norm, k=0 kxk∞ := sup |xk |, die Supremumsnorm, 1≤k≤n kxk2 := n X !1 2 |xk |2 , die euklidische Norm. k=0 Beispiel 2.4. Sei X = C([a, b]) = {x : [a, b] → R : x ist stetig}. Betrachte folgende Teilmenge von X: P = {tn : n ∈ N0 } ⊂ X. Es gilt N X λk tk = 0, t ∈ [a, b] ⇔ λk = 0, ∀k ∈ {0, ..., N } . k=0 Also haben wir dimK (X) =: dim(X) = ∞. Definition 2.5. Definiere auf X = C([a, b]) die Supremumsnorm kxk∞ := sup |x(t)|, ∀x ∈ X. t∈[a,b] Für eine Funktionenfolge {xn : n ∈ N} ⊂ X ist die Konvergenz xn → x die gleichmäßige u Konvergenz. Satz 2.6. C([a, b], k · k∞ ) ist ein Banachraum. 5 Beweis. Es sei (xn )n∈N ⊂ C([a, b], k · k∞ ) eine Cauchy-Folge. Für jedes t ∈ [a, b] bildet (xn (t))n∈N eine Cauchy-Folge in R. Denn |xn (t) − xm (t)| ≤ kxn − xm k∞ , ∀t ∈ [a, b], n, m ∈ N . Also können wir folgende Funktion als punktweisen Grenzwert definieren x(t) := lim xn (t), ∀t ∈ [a, b] . n→∞ Da die Funktionenfolge zusätzlich noch gleichmäßig konvergiert, zeigt ein 3ε-Argument aus der Analysis, dass x stetig ist. Bemerkung 2.7. Analog kann man zeigen, dass C(Q) := {x : Q → R : x ist stetig} ein Banachraum ist, wobei Q ein kompakter metrischer Raum ist. Beispiel 2.8. d X := C 1 ([a, b]) := {x : [a, b] → R : ∃x0 = dt x ∈ C([a, b])} ist ein R-Veltorraum. Definiere eine Norm durch kxkC 1 := sup |x(t)| + sup |x0 (t)| = kxk∞ + kx0 k∞ . t∈[a,b] t∈[a,b] Satz 2.9. (C 1 ([a, b], k · kC 1 ) ist ein Banachraum. Beweis. ∗∗ Es sei (xn )n∈N ⊂ C 1 ([a, b]) eine Cauchy-Folge. Wie im Satz 2.6 existiert der punktweise Grenzwert und wir definieren x(t) := lim xn (t) für t ∈ [a, b]. Weiterhin wissen wir, dass x ∈ C([a, b]) n→∞ gilt, denn kxn − xm k∞ ≤ kxn − xm kC 1 . Wegen der Definition der Norm ist (x0n )n∈N eine R t konvergente Folge, welche eine stetige Grenzfunktion y besitzt. Wegen xn (t) = xn (a) + a x0n (s)ds und der gleichmässigen Konvergenz Rt xn → x, x0n → x0 folgt x(t) = x(a) + a y(s)ds und somit x ∈ C 1 ([a, b]). Bemerkung 2.10. ∗∗ Wir knnen auch auf dem Raum C r ([a, b]) := {x ∈ C([a, b]) : x ist r-mal stetig differenzierbar} eine Norm definieren, welche diesen zu einem Banachraum macht. Nämlich kxkC r := r X kx(k) k∞ oder k=0 kxkC r := max kx(k) k∞ . 0≤k≤r Beispiel 2.11. Es sei D := {z ∈ C : |z| < 1} ⊂ C, sowie H ∞ (D) = {x : D → C : x ist holomorph und beschrnkt }. Eine Norm ist durch kxk = sup|x(t)| gegeben. Nach dem Satz von Morera ist (H ∞ (D), k · k) ein t∈D Banachraum. Beispiel 2.12. Es sei (S, Σ, ν) ein Maßraum. Wir wollen Lebesgue Räume definieren. Dabei setzen wir vorraus, 6 dass ν ein σ-endliches Maß ist, sowie Σ eine σ-Algebra auf S ist. Wir definieren für alle p ∈ [1, ∞) L p (S, Σ, ν) := L p (S) := L p (ν) := {x : S → K : Z |x(t)|p dν(t) < ∞} x messbar und S und für x ∈ L p (S) die p-Norm durch 1 p Z p kxkp = |x(t)| dν(t) , . (2.1) S Behauptung: (L p (S), k · kp ) ist ein halbnormierter Vektorraum. (N2) entspricht dabei der Minkowski Ungleichung. Es sei x ∈ L p (S) mit x 6= 0 und Z kxkpp = |x(t)|p dν(t). S Jedoch können wir x(t) = 0 fr ν-fast-alle t ∈ S folgern. Damit k · kp eine Norm wird, müssen wir die Funktionen auf Nullmengen miteinander indentifizieren. Also definieren wir N (ν) := {x : S → K : x = 0 ν-fast berall } und betrachten nun Lp (S, Σ, ν) = Lp (S) = Lp (ν) =: L p (S, Σ, ν)/N (ν). Diese sind die normierten Lp -Räume. Dabei ist x ∼ y ⇔ x − y ∈ N (ν). Die Norm wird analog zu (2.1) definiert: 1 p Z p k[x]kp = |x(t)| dν(t) , S wobei [x] ∈ Lp und x ∈ [x] ein beliebiger Representant. Beispiel 2.13. Hier wollen wir die L∞ -Räume einführen. Dafür setzen wir L ∞ (ν) :={x : S → K : x messbar und ∃N = N (x) ∈ Σ : ν(N ) = 0, x|S−N ist beschrnkt}. Man beachte, dass ( 1, x(t) := n, sonst t = n1 , n ∈ N ein Element in diesem Raum ist, obwohl x selbst unbeschrnkt und unstetig ist. Denn { n1 : n ∈ N} ist eine Nullmenge. Die entsprechende Halbnorm ist durch kxk∞ := inf ( sup (|x(t)|)) N,ν(N )=0 t∈S−N gegeben. Leider ist diese Abbildung, wie zuvor auch, keine Norm. Deshalb setzen wir L∞ (ν) := L (ν)/N (ν) . Auf diese Weise bekommt man den Raum der wesentlich beschränkten Funktionen. Für ein endliches Maß ν gilt hierbei kxk∞ = lim kxkp . p→∞ 7 Beispiel 2.14. Hier wollen wir die Folgenräume `p einführen. Es sei (S, Σ) ein meßbarer Raum mit S = N und Σ = P(N), wobei P(N) die Potenzmenge von N bezeichnet. Das Maß ν sei durch ∀A ⊂ N : ν(A) = |A|, ν({n}) = 1, ∀n ∈ N gegeben. Dieses ist das sogenannte zählende Maß, welches einer Menge die Anzahl der Elemente zuordnet. Für eine Abbildung x : N → K führen wir die folgende Schreibweise ein: x(n) = xn ∈ K, n ∈ N d.h. x = (x1 , x2 , ..., xn , ...). Die Norm schreibt sich dann wie folgt 1 p Z p kxkp = |x(t)| ν(t) = ∞ X !1 p p |x(n)| = n=1 N ∞ X !1 p |xn | p . n=1 Diese Identität veranlasst zu folgender Definition: p ` (K) := {x = (xn )n∈N : xn ∈ K, ∞ X |xn |p < ∞} , n=1 mit der Norm !1 ∞ X kxkp = p |xn |p . n=1 Diese sind die normierten `p -Räume (Folgenräume). Den Raum der beschränkten Folgen definieren wir durch `∞ (K) = {x = (xn )n∈N kxk∞ = sup|xn | < ∞}. n∈N Alle Folgenräume `p (K) mit p ∈ [1, ∞] sind Banachräume. Satz 2.15 (Höldersche Ungleichung, Version fr Folgen). (a) Fr x ∈ `1 und y ∈ `∞ ist xy ∈ `1 und es gilt kxyk1 ≤ kxk1 · kyk∞ . (b) Es sei 1 < p < ∞ und q = gilt p p−1 (also 1 p 1 q + = 1). Fr x ∈ `p und y ∈ `q ist xy ∈ `1 und es kxyk1 ≤ kxkp · kykq . Beweis. ∗∗ (a) Hier folgt die Behauptung direkt durch die Standardabschätzung kxyk1 = ∞ X |xn ||yn | ≤ n=1 ∞ X kyk∞ · |xn |. n=1 (b) Wegen der Ungleichung σ r τ 1−r ≤ rσ + (1 − r)τ, für alle σ, τ ≥ 0 und 0 < r < 1 , haben wir für r = p1 , 1 − r = 1q , σ = |xn |p kxkpp |xn |p ,τ kxkpp 1 p = |yn |q kykqq |yn |q kykqq 1 q ≤ 8 1 |xn |p 1 |yn |q + . p kxkpp q kykqq Summieren ber n liefert folgende Abschätzung ∞ X kxyk1 1 = |xn yn | kxkp · kykq kxkp · kykq n=1 1 1 ≤ p kxkpp ∞ X n=1 ∞ 1 1 X 1 1 |xn | + |yn |q = + = 1. q kykqq p q p n=1 Daraus folgt die Behauptung. Natürlich wurde vorausgesetzt, dass x, y 6= 0 gilt, ansonsten ist nichts zu zeigen. Korollar 2.16 (Minkowski-Ungleichung). Fr x, y ∈ `p mit 1 ≤ p < ∞ gilt kx + ykp ≤ kxkp + kykp . Beweis. ∗∗ Es sei zuerst p = 1, dann gilt kx + yk1 = ∞ X |xn + yn | ≤ n=1 ∞ X |xn | + |yn | = n=1 ∞ X |xn | + n=1 ∞ X |yn | = kxk1 + kyk1 . n=1 Jetzt sei p > 1. Wir zeigen kx + ykpp ≤ (kxkp + kykp )kx + ykp−1 , p woraus für x 6= −y die Behauptung folgt. Mit Ungleichung kx + ykpp = ≤ ∞ X n=1 ∞ X 1 p + 1 q = 1 erhalten wir aus der Hölderschen |xn + yn |p |xn kxn + yn |p−1 + n=1 ≤ kxkp ( ∞ X |yn kxn + yn |p−1 n=1 ∞ X 1 |xn + yn |q(p−1) ) q + kykp ( n=1 ∞ X 1 |xn + yn |q(p−1) ) q n=1 = (kxkp + kykp )kx + ykpp−1 . Bemerkung 2.17 (Allgemeine Höldersche Ungleichung). 1 Es sei 1 ≤ p < ∞ und p1 + 1q = 1 ( ∞ := 0). Ferner sei (Ω, Σ, ν) ein Maßraum und f ∈ Lp , g ∈ Lq . 1 Dann gilt f g ∈ L und kf gk1 ≤ kf kp · kgkq . 2.2 Eigenschaften normierter Räume Satz 2.18. Es sei X ein normierter Raum und {xn : n ∈ N}, {yn : n ∈ N} ⊂ X, sowie {λn : n ∈ N} ⊂ K. Dann gilt (i) xn → x, yn → y ⇒ xn + yn → x + y, (ii) xn → x in X, λn → λ in K ⇒ λn xn → λx, (iii) xn → x in X ⇒ kxn k → kxk. 9 Beweis. ∗∗ (i) Es sei ε > 0 beliebig. Wähle N1 , N2 ∈ N so groß, dass ε ε kxn − xk < , ∀n ≥ N1 , sowie kyn − yk < , ∀n ≥ N2 2 2 gilt. Dann gilt für N := max{N1 , N2 } kxn + yn − (x + y)k ≤ kxn − xk + kyn − yk < ε ε + = ε, ∀n ≥ N . 2 2 (ii) Es sei ε > 0 beliebig. Da (λn )n∈N ⊂ K konvergiert, ist diese Folge insbesondere beschränkt, z.B. durch ein C > 0. Wähle N1 , N2 ∈ N so groß, dass kxn − xk < ε, ∀n ≥ N1 , sowie |λn − λ| < ε, ∀n ≥ N2 erfühllt ist (mit x 6= 0, sonst trivial). Setze N := max{N1 , N2 }, dann folgt ∀n ≥ N kλn xn − λxk = kλn xn − λn x + λn x − λxk ≤ kλn k · k(xn − x)k + |λn − λ| · kxk ≤ Cε + kxkε = ε(C + kxk). (iii) Hier folgt die Behauptung durch | kxn k − kxk | = |d(xn , 0) − d(x, 0)| ≤ d(xn , x) + d(0, 0) = d(xn , x) = kxn − xk → 0 . Definition 2.19. Es sei X ein normierter Raum. (i) Eine lineare Teilmenge L ⊂ X heißt Teilraum, d.h. es gilt αx+βy ∈ L, ∀x, y ∈ L, ∀α, β ∈ K (ii) Ein abgeschlossener Teilraum heißt Unterraum, d.h. ∀(xn )n∈N ⊂ L mit xn → x, folgt x ∈ L. Bemerkung 2.20. In einem endlichdimensionalen Raum ist jeder Teilraum auch ein Unterraum. Beweis. ∗∗ Es sei X ein endlichdimensionaler normierter Raum und L ⊂ X Teilraum. Also ist auch L endlichdimensional. Es sei {l1 , ..., lr } ⊂ L eine Basis von L. Eine beliebige Folge (xn )n∈N ⊂ L hat somit die Darstellung r P xn = λk,n lk , für passende λk,n ∈ K. k=1 Somit ist die Konvergenz von (xn )n∈N äquivalent zu der Konvergenz der (λk,n )n∈N für k ∈ {1, . . . , r}. Damit ist die Bahauptung gezeigt. Lemma 2.21 (Riezsches Lemma). Es sei U ⊂ X ein Unterraum von dem normierten Raum X mit U 6= X. Dann gilt ∀δ ∈ (0, 1) , ∃xδ ∈ X mit kxδ k = 1 so, dass kxδ − uk ≥ 1 − δ, ∀u ∈ U. 10 Beweis. Es sei x ∈ X\U 6= ∅. Definiere d(x, U ) := inf{d(x, u) : u ∈ U } =: d > 0. Wre d = 0, so existiert für jedes n ∈ N ein un ∈ U mit kx − un k < n1 . Dann ist un → x und demzufolge ist x ∈ U . x−uδ d d > d, also gibt es ein uδ ∈ U mit kx − uδ k < 1−δ . Wir setzen xδ := kx−u Betrachte nun 1−δ . δk Somit ist xδ normiert und es gilt ∀u ∈ U : x uδ kxδ − uk = − − u kx − uδ k kx − uδ k 1 kx − (uδ + kx − uδ ku)k = kx − uδ k d d ≥ ≥ d = 1 − δ. kx − uδ k 1−δ Satz 2.22. Für einen normierten Raum X sind die folgenden Aussagen äquivalent. (i) dim X < ∞ . (ii) B1 (0) = {x ∈ X : kxk ≤ 1} ist kompakt. (iii) Jede beschränkte Folge in X besitzt eine konvergente Teilfolge. Beweis. (i) ⇒ (ii): Heine-Borel. (ii) ⇒ (iii) Klar. (iii) ⇒ (i): Angenommen dim X = ∞ . Es sei x1 ∈ X mit kx1 k = 1 beliebig und U1 := Lin{x1 } ⊂ X. Dann ist U1 6= X ein Unterraum. Für δ = 21 folgt aus dem Riezschen Lemma 1 ∃x2 ∈ X mit kx2 k = 1, sowie kx2 − x1 k ≥ 1 − . 2 Setze U2 := Lin{x1 , x2 } ⊂ X. Dann ist U2 6= X ein Unterraum. Für δ = Rieszschen Lemma 1 3 haben wir nach dem 2 2 ∃x3 ∈ X mit kx3 k = 1 und kx3 − x1 k ≥ , sowie kx3 − x2 k ≥ . 3 3 Wir definieren induktiv eine Folge durch Un−1 := Lin{x1 , x2 , . . . , xn−1 } ⊂ X mit Un−1 6= X ein Unterraum. Somit folgt für δ = 1 n kxn k = 1 und kxn − xi k ≥ 1 − 1 , ∀i ∈ {1, . . . , n − 1}. n Insgesamt haben wir eine Folge (xn )n∈N ⊂ B1 (0) mit kxn k = 1 ∀n ∈ N konstruiert. Wegen n > m ⇒ kxn − xm k ≥ 1 − n1 hat diese keine Cauchy-Teilfolge. Definition 2.23. Ein normierter Raum X heißt separabel, wenn er eine abzählbar dichte Teilmenge besitzt. ⇔ ∃M ⊂ X mit M ist abzählbar und M = X, d.h. ∀x ∈ X, ∀ε > 0 ∃y ∈ M : kx − yk < ε. ⇔ ∀y ∈ X, ∃{yi ∈ M : i ∈ N} ⊂ M so dass yi → y gilt. 11 Bemerkung 2.24. Wir betrachten einen nicht separabler Raum X = `∞ (R) mit kxk∞ = sup |xk |, dazu die Teilk∈N menge X01 = {x ∈ `∞ (R) : xk ∈ {0, 1}, k ∈ N}. Diese Menge ist überabzählbar, da X01 ' [0, 1]. Jedes ξ ∈ [0, 1] besitzt eine Darstellung ξ = ∞ P ξk , wobei ξk ∈ {0, 1} gilt. Ferner gilt für x, y ∈ X01 2k k=1 x 6= y ⇔ kx − yk = sup |xk − yk | = 1. k∈N Angenommen M ⊂ `∞ (R) eine abzählbare Teilmenge. Dann ist die Menge 1 ∞ ∩ X01 y ∈ ` (R) : kx − yk ≤ 4 für jedes x ∈ M entweder leer oder einelementig. Somit kann M nicht dicht liegen. Lemma 2.25. Für einen normierten Raum X ist äquivalent: (i) X ist separabel. (ii) Es gibt eine abzählbare Teilmenge M ⊂ X mit X = Lin(M ). Beweis. (i) ⇒ (ii) : klar. (ii) ⇒ (i) : Es sei M ⊂ X eine abzählbare Teilmenge mit Lin(M ) = X. Als Erstes betrachten wir den Fall K = R und schreibe M = {x1 , x2 , . . . }. Definiere die Menge (N ) X MQ := αi xi : αi ∈ Q, xi ∈ M, N ∈ N . i=1 Also ist MQ abzählbar. Wir müssen zeigen, dass MQ dicht in X liegt, d.h. ∀x ∈ X, ∀ε > 0, ∃y ∈ MQ : kx − yk < ε . Es sei ε > 0 beliebig. Da Lin(M ) = X gilt, gibt es y0 = N X k=1 ε αk xk ∈ Lin(M ) mit kx − y0 k < , 2 wobei αk ∈ R. Also können wir αk0 ∈ Q so wählen, dass auch ε |αk − αk0 | ≤ 2 N P , ∀k ∈ N kxk k k=1 gilt. Für y = N P k=1 αk0 xk gilt dann N ε X kx − yk ≤ kx − y0 k + ky0 − yk ≤ + (αk − αk0 )xk ≤ ε. 2 k=1 Für K = C folgt die Aussage analog, durch Zerlegung in Real- und Imaginärteil. 12 Beispiel 2.26. Wir betrachten den Folgenraum `p mit 1 ≤ p < ∞. ∞ 1 p P p p Für x ∈ ` ist durch kxkp = |xk | eine Norm gegeben. k=1 Wir definieren folgende Elemente en := (0, . . . , 0, 1, 0, . . . ), ∀n ∈ N, wobei die 1 an der n-ten Stelle steht. Behauptung: {en : n ∈ N} ⊂ `p } ist eine abzählbare Basis. Beweis. Zur zeigen ist Lin{en : n ∈ N} = `p . Dazu sei x ∈ `p , und x(n) := n P xk ek ∈ Lin{en : k=1 n ∈ N}. Dann ist kx − x ∞ X (n) p k = |xk |p → 0 k=n+1 und somit ist lp separabel. Beispiel 2.27. Es sei x ∈ C([0, 1]), mit kxk∞ = sup |x(t)| und P ([0, 1]) die Menge aller Polynome, d.h. t∈[0,1] ( P ([0, 1]) := p(t) = N X ) an tn . n=0 Nach dem Satz von Weierstraß gibt es für jedes f ∈ C[0, 1] und ε > 0 ein pε ∈ P ([0, 1]) mit sup |f (t) − pε (t)| < ε . t∈[0,1] Betrachte zum Beispiel {tn : n ≥ 0}. Also Lin{tn : n ≥ 0} = P ([0, 1]). Also ist C([0, 1]) separabel. Satz 2.28 (Bernstein-Polynome**). Der Teilraum P ([a, b]) der Polynomfunktionen auf [a, b] mit a < b ∈ R, liegt dicht in (C([a, b]), k· k∞ ). Beweis. O.B.d.A. sei a = 0, b = 1. Ferner reicht es dieses nur für reellwertige Funktionen zu beweisen. Denn die allgemeine Aussage folgt durch Strecken und Stauchen, sowie durch Zerlegung in Realund Imaginärteil. Es sei x ∈ C([0, 1]). Das n-te Bernsteinpolynom ist durch n X n i i pn (s) = Bn (s : x) = s (1 − s)n−i x( ). i n i=0 definiert. Wir wollen zeigen, dass kpn − xk∞ → 0 gilt. Da x auf einem Kompaktum stetig ist, ist x insbesondere gleichmäßig stetig, und somit gibt es zu ε > 0 ein δ > 0 mit √ |s − t| < δ ⇒ |x(s) − x(t)| ≤ ε, s, t ∈ [0, 1] . Für α := 2 kxkδ ∞ haben wir folgende Ungleichung |x(s) − x(t)| ≤ ε + α(t − s)2 , ∀s, t ∈ [0, 1]. Denn fr |t − s| < √ δ folgt dieses aus der gleichmäßigen Stetigkeit und im anderen Fall gilt ε + α(t − s)2 = ε + 2kxk∞ (t − s)2 > ε + 2kxk∞ > |x(s)| + |x(t)| ≥ |x(s) − x(t)|. δ 13 Setze yt (s) := (t − s)2 , somit kann die obige Ungleichung in folgende Form überführt werden −ε − αyt (s) ≤ x(s) − x(t) ≤ ε + αyt (s), ∀t, s ∈ [0, 1]. (2.2) Im nächsten Schritt bestimmen wir die Bernsteinpolynome für Funktionen xj (s) = sj . Bn (s; x0 ) = n X n i=0 i si (1 − s)n−i = (s + (1 − s))n = 1 n X n i i Bn (s; x1 ) = s (1 − s)n−i i n i=0 n X n−1 = si (1 − s)n−i i−1 i=1 n−1 X n − 1 = si+1 (1 − s)n−(i+1) = (s + (1 − s))n−1 s = s i i=0 n X n i i2 Bn (s; x2 ) = s (1 − s)n−i 2 i n i=0 n−1 X n − 1 i+1 = si+1 (1 − s)n−(i+1) n i i=0 n−1 s X n−1 i i = + s (1 − s)(n−1)−i s n n i i=0 s n − 1 2 s(1 − s) = + s = + s2 . n n n Bilden wir jetzt zu den in (2) auftauchenden Funktionen die Bernsteinpolynome, so erhalten wir −Bn (s; ε + αyt ) = Bn (s; −ε − αyt ) ≤ Bn (s; x − x(t)) ≤ Bn (s; ε + αyt ). Daraus können wir folgende Abschätzung herleiten 2 |pn (s) − x(t)| ≤ Bn (s; ε + αyt ) ≤ ε + αt − 2αts + α s(1 − s) 2 + s , ∀s, t ∈ [0, 1]. n Für s = t erhalten wir |pn (t) − x(t)| ≤ ε + α t(1 − t) α ≤ ε + , ∀t ∈ [0, 1]. n n Daraus folgt die gleichmäßige Konvergenz. Wegen Lin{tn : n ≥ 0} = P ([0, 1]) folgt die Behauptung. 3 3.1 Funktionale und Operatoren Stetige lineare Operatoren Definition 3.1. Eine stetige lineare Abbildung T : X −→ Y zwischen 2 normierten Räumen heißt stetiger linearer Operator. Für Y = K sagt man anstatt Operator auch Funktional. Linearität bedeutet hierbei, dass für α, β ∈ K, x, y ∈ X gilt T (αx + βy) = αT (x) + βT (y) =: αT x + βT y 14 Ferner ist T stetig ⇔ ∀(xn )n∈N ⊂ X, xn → x0 ⇒ T xn → T x0 ⇔ ∀ε > 0, ∃δ > 0, kxn − x0 kX < δ ⇒ kT xn − T x0 kY < ε . Den Raum aller beschränkter linearer Operatoren bezeichnen wir mit L(X, Y ) := {T : X → Y : T ist stetiger linearer Operator } und für Y = X schreiben wir L(X, X) = L(X). Satz 3.2. Es seien X, Y normierte Räume und T : X → Y linear. Es ist äquivalent (i) T ist stetig. (ii) T ist stetig in 0 ∈ X. (iii) ∃M ≥ 0 mit kT xkY ≤ M kxkX , ∀x ∈ X . (iv) T ist gleichmäßig stetig. Beweis. Die einzige nichttriviale Richtung ist (ii) ⇒ (iii). Angenommen ∃xn ∈ Xmit kT xn kY > nkxn kX , ∀n ∈ N. Setze jetzt x0n := xn nkxn kX . Es folgt kx0n kX = kT x0n kY = 1 n → 0 und somit auch T x0n → 0. Jedoch haben wir nkxn kX 1 kT xn kY > = 1. nkxn kX nkxn kX Dies ist ein Widerspruch. Definition 3.3. Fr jedes T ∈ L(X, Y ) definiere die Operatornorm von T durch kT k := inf{M ≥ 0 : kT xkY ≤ M kxkX , x ∈ X} . Lemma 3.4. Es gilt kT k = sup x6=0 kT xkY = sup kT xkY = sup kT xkY , kxkX kxkX =1 kxkX ≤1 für T ∈ L(X, Y ). Beweis. xkY Es sei M0 := sup kT kxkX , dann ist x6=0 kT xkY kxkX ≤ M0 , d.h. kT xkY ≤ M0 kxkX für x 6= 0 ∈ X und somit kT k ≤ M0 . Es sei ε > 0. Wegen M0 − ε < M0 existiert ein xε ∈ X mit kT xε kY ≥ (M0 − ε)kxε kX und somit kT k ≥ M0 − ε. Also haben wir insgesamt kT k = M0 . Für X, Y normierte Räume haben wir folgende Eigenschaften: 1. Lineare Struktur ∀T1 , T2 ∈ L(X, Y ) ⇒ T1 + T2 ∈ L(X, Y ) ∀α ∈ K ⇒ αT ∈ L(X, Y ). 2. Der Raum L(X, Y ) versehen mit der Operatornorm ist ein normierter Raum. Satz 3.5. 1. kT k := sup kT xkY definiert eine Norm auf L(X, Y ). kxkX ≤1 15 2. Falls Y ein Banachraum ist, so ist auch L(X, Y ) ein Banachraum. Beweis. 1) kT k ≥ 0 ist klar. Für kT k = 0 gilt kT xkY = 0 für alle x ∈ X und somit T x = 0, also auch T = 0. Für λ ∈ K ergibt sich kλT k = sup kλT xkY = sup kxkX =1 |λ|kT xkY = |λ|kT k. kxkX =1 Und für die Dreiecksungleichung haben wir kT + Sk = k(T + S)xkY ≤ sup sup kxkX =1 ≤ kT xkY + sup sup kT xkY + kSxkY kxkX =1 kxkX =1 kSxkY = kT k + kSk. kxkX =1 2) Es sei (Tn )n∈N ⊂ L(X, Y ) eine Cauchyfolge. Wegen kTn x − Tm xkY ≤ kTn − Tm k · kxkX bildet (Tn x)n∈N ⊂ K eine Cauchyfolge. Also es existiert T x ∈ Y mit T x = lim Tn x, ∀x ∈ X. n→∞ Damit ist der Operator T offensichtlich linear als Verkettung der linearer Operatoren (lim, Tn ). Jetzt müssen wir kTn − T k → 0 zeigen. Dafür sei ε > 0 beliebig. Wähle N ∈ N so gross, dass kTn − Tm k < 2ε , ∀n, m ≥ N gilt. Weiterhin gibt es für x ∈ X mit kxkX ≤ 1 ein m0 ≥ N mit kTm0 x − T xkY < 2ε . Dann gilt kTn x − T xk ≤ kTn x − Tm0 xk + kTm0 x − T xk ≤ kTn − Tm0 k · kxkX + ε < ε, 2 für alle n ≥ N . Also folgt kTn − T k < ε, ∀n ≥ N . Wichtige Bezeichnungen: 1. BX := BX (0, 1) = {x ∈ X : kxk ≤ 1}, 2. SX := {x ∈ X : kxk = 1}, 3. kT k = sup kT xkY = sup kT xkY , x∈SX x∈BX Satz 3.6 (Fortsetzungen linearer Operatoren auf dichten Mengen). Sei D ⊂ X eine dichte Teilmenge eines normierten Raumes X und Y ein Banachraum, T ∈ L(D, Y ). Dann gibt es eine eindeutige Fortsetzung T 0 ∈ L(X, Y ) mit T 0 |D = T und kT 0 k = kT k. Beweis. (bung) ∗∗ Es sei x ∈ X. Da D dicht in X liegt, gibt es eine Folge (xn )n∈N ⊂ D mit xn → x. Wegen kT xn − T xm kY = kT (xn − xm )kY ≤ kT k · kxn − xm kX bildet (T xn )n∈N ⊂ Y eine Cauchyfolge. Definiere jetzt T 0 x := lim T xn , ∀x ∈ X. n→∞ Dieser Operator ist wohldefiniert, d.h. unabhängig von dr Wahl der Folge. Denn ist (yn )n∈N ⊂ D eine weitere Folge mit yn → x, so folgt lim kT xn − T yn kY = lim kT (xn − yn )kY ≤ kT k lim kxn − yn kX = 0. n→∞ n→∞ n→∞ Offensichtlich ist T 0 linear. Für x ∈ D gilt T 0 x = T x, da man zum Beispiel die konstante Folge xn = x betrachten kann. Für die Normen gelten folgende Abschätzungen kT k = sup kT xkY = sup kT 0 xkY ≤ sup kT 0 xkY = kT 0 k, x∈SD x∈SD x∈SX sowie kT 0 xkY = k lim T xn kY = lim kT xn kY ≤ lim kT k · kxn kX = kT k · kxkX . n→∞ n→∞ n→∞ 16 Also ist T 0 ∈ L(X, Y ) und es gilt kT 0 k = kT k. Ist jetzt S ein weiterer Operator mit diesen Eigenschaften, so folgt für x ∈ X und eine Folge (xn )n ⊂ D mit xn → x Sx = lim Sxn = lim T xn = T 0 x. n→∞ n→∞ Lemma 3.7. Fr S ∈ L(X, Y ) und T ∈ L(Y, Z) gilt T S ∈ L(X, Z), sowie kT Sk ≤ kT k · kSk. Beweis. Es gilt kT SxkZ = kT (Sx)kZ ≤ kT k · kSxkY ≤ kT k · kSk · kxkX , für alle x ∈ X. Definition 3.8. Ein Operator T ∈ L(X, Y ) heißt Isomorphismus, falls T bijektiv und T −1 stetig ist. Gilt kT xkY = kxkX für jedes x ∈ X, so heißt T isometrisch. Normierte Räume zwischen denen es einen isometrischen Isomorphismus gibt, heißen isometrisch Isomorph (X ' Y ). 3.2 Dualräume Definition 3.9. Der Raum L(X, K) der stetigen linearen Funktionale heißt der Dualraum von X und wird mit X 0 bezeichnet. Bemerkung 3.10. Es sei l : X → K mit klk = |l(x)| = klkX 0 . Dann ist (X 0 , k · kX 0 ) ein Banachraum. sup x∈X,kxkX ≤1 Satz 3.11. Es sei 1 ≤ p < ∞ mit 1 p + 1 q = 1, sowie X = `p . Die Abbildung T : `q −→ (`p )0 mit (T x)(y) = ∞ X x n yn n=1 ist für x ∈ `q , y ∈ `p ein isometrischer Isomorphismus. Beweis. ∗∗ Wir betrachen nur den Fall p > 1. Aus der Hölderschen Ungleichung folgt ∞ ∞ X X |(T x)(y)| = xn yn ≤ |xn yn | = kxyk1 ≤ kxkq · kykp . n=1 n=1 Offensichtlich sind T und T x beide linear. Außerdem haben wir wegen obiger Ungleichung kT xk ≤ kxkq . Ferner ist T auch injektiv, denn aus T x = 0, folgt wegen (T x)(en ) = xn auch 0 = (T x)(en ) = xn , ∀n ∈ N, also x = 0. Als Nächstes zeigen wir die Surjektivität und die Isometrieeigenschaft. Es sei nun y 0 ∈ (`p )0 . Setze sn := y 0 (en ) und x := (sn )n∈N ∀n ∈ N. Wir möchten zeigen, dass x ∈ `q , T x = y 0 , kxkq ≤ ky 0 k gilt. Dazu definieren wir uns eine neue Folge ( tn := |sn |q sn , 0, 17 fr sn 6= 0 sonst. Damit gilt für ein beliebiges N ∈ N N X N X |tn |p = n=1 n=1 N X = |sn |p(q−1) = N X |sn |q n=1 sn tn = n=1 N X tn y 0 (en ) = y 0 n=1 ≤ ky 0 k N X ! tn en n=1 ! p1 |tn |p N X = ky 0 k n=1 N X ! p1 |sn |q . n=1 Daraus folgt dann N X !1− p1 |sn |q n=1 = N X ! 1q |sn |q ≤ ky 0 k n=1 ky 0 k. und somit kxkq ≤ Da (T x)(en ) = y 0 (en ) für jedes n ∈ N gilt und beide Abbildungen stetig, sowie linear sind, gilt auch T x = y 0 , auf Lin{en : n ∈ N} = `p . Insgesamt haben wir kT xk ≤ kxkq , sowie kxkq ≤ ky 0 k = kT xk. Also ist T eine Isometrie. 4 4.1 Die Hauptsätze für Funktionale und Operatoren Der Satz von Hahn-Banach und seine Konsequenzen Hans Hahn (1927), Stefan Banach (1929). Wir haben eine wichtige Frage: Gibt es auf jedem normierten Raum ein stetiges lineares von Null verschiedenes Funktional? Ziel: Existenz von Funktionalen mit vorgeschriebenen Eigenschaften, z.B. Fortsetzung von Funktionalen Definition 4.1. Es sei X ein Vektorraum ber K = R, C. Eine Abbildung p : X −→ R+ heißt sublinear, falls (1) ∀λ ≥ 0: p(λx) = λp(x), ∀x ∈ X, (2) p(x + y) ≤ p(x) + p(y), ∀x, y ∈ X. Satz 4.2 (Satz von Hahn-Banach, Version der linearen Algebra). Es sei X ein R-Vektorraum und X0 ⊂ X ein Teilraum von X. Seien ferner p : X −→ R+ eine sublineare Abbildung und l0 : X0 −→ R eine lineare Abbildung mit l0 (x) ≤ p(x), für alle x ∈ X0 . Dann gibt es eine lineare Abbildung l : X −→ R mit l|X0 = l0 und l(x) ≤ p(x), für alle x ∈ X. Beweis. Schritt 1: Es sei X0 ⊂ X ein Untervektorraum mit dim (X \ X0 ) = 1 Wähle y 6= 0, y ∈ X mit X = Lin{{y} ∪ X0 }. Damit lsst sich jedes x ∈ X als x = x0 + λy mit x0 ∈ X0 und λ ∈ R schreiben. Definiere ein Funktional lr : X −→ R linear und mit l|X0 = l0 . Gesucht ist ein r ∈ R mit lr ≤ p. Wir haben Folgendes lr ≤ p ⇔ l0 (x0 ) + λr ≤ p(x0 + λy), ∀x0 ∈ X0 , λ ∈ R. Nach Vorraussetzung ist (4.1) fr λ = 0 bereits erfüllt. Es sei also λ > 0. Dann ist (4.1) zu x x 0 0 λr ≤ p(x0 + λy) − l0 (x0 ) ⇔ r ≤ p + y − l0 λ λ ⇔ r ≤ r := inf {p(v + y) − l0 (v)} v∈X0 18 (4.1) äquivalent. Fall 2: λ < 0: (−λ)(−r) ≤ p(x0 + (−λ)(−y)) − l0 (x0 ) x0 x0 ⇔ −r ≤ p − (−y) − l0 −λ −λ ⇔ −r ≤ (p(w − y) − l0 (w)), w ∈ X0 ⇔ r ≥ sup (l0 (w) − p(w − y)) =: r w∈X0 Also gibt es solche r ∈ R genau dann, wenn r ≤ r gilt. ⇔ ∀v, w ∈ X0 : l0 (w) − p(w − y) ≤ p(v + y) − l0 (v) ⇔ l0 (w) + l0 (v) ≤ p(w − y) + p(v + y) ⇔ l0 (v + w) ≤ p(v + w) ≤ p(w − y) + p(v + y) Es folgt also r ∈ [r, r] erfüllt (4.1). Schritt 2: Lemma von Zorn Definiere L := {lV : V → R : X0 ⊂ V ⊂ X, lV |X0 = l0 , lV (x) ≤ p(x), ∀x ∈ V } . Diese Menge ist wegen l0 ∈ L nicht leer. Wir definieren eine Relation < auf L : lV1 < lV2 ⇔ V1 ⊆ V2 , lV2 |V1 = lV1 . Also ist S L eine partiell geordnete Menge. Es sei L ⊂ L eine Kette, L = (li )i∈I . Definiere V := Vi und lV : V −→ R durch i∈I lV (x) := lVi (x) für ein i ∈ I mit x ∈ Vi . Diese neue Abbildung ist wohldefiniert und es gilt für jedes i ∈ I auch lVi < lV . Also ist lV eine obere Schranke. Demzufolge gibt es nach dem Lemma von Zorn ein maximales Element lW . Wäre W 6= X, so gäbe es nach Schritt 1 ein größeres Funktional. Dieses steht aber im Widerspruch zu der Maximalität von lW . Also muss W = X gelten. Satz 4.3 (Satz von Hahn-Banach, komplexe Fassung für K = C). Es sei X ein C - Vektorraum, p : X −→ R+ eine Halbnorm. Es sei X0 ⊂ X ein Teilraum und l0 : X0 −→ C eine lineare Abbildung mit |l0 (x)| ≤ p(x), ∀x ∈ X. Dann gibt es eine Fortsetzung l : X −→ C so, dass für alle x ∈ X l|X0 = l0 , |l(x)| ≤ p(x) gilt. Beweis. Ein lineares Funktional l hat folgende Darstellung l(x) = <(l(x)) + i=(l(x)), wobei Real- und Imaginrteil R-linear sind. Zusätzlich gilt noch l(ix) = <(l(ix)) + i=(l(ix)) = i<(l(x)) − =(l(x)) ⇒ −<(l(ix)) = =(l(x)), somit ergibt sich =(l(x)) = −<(l(ix)) ⇒ l(x) = <(l(x)) − i<(l(ix)) 19 welches die Bedingung für C lineare Abbildungen ist. Jetzt wenden wir den vorherigen Satz auf <(l0 (x)) an, und erhalten somit <(l0 (x)) ≤ |l0 (x)| ≤ p(x), ∀x ∈ X0 . Also haben wir nach 4.2 eine Abbildung l< : X → R mit l< |X0 = <(l0 ). Definiere die Abbildung l(x) := l< (x) − il< (ix) ∈ C, somit haben wir l|X0 = l0 und |l(x)| ≤ p(x), x ∈ X. Setze ax l(x) = |l(x)| fr ein passendes ax = a ∈ C mit |ax | = 1, so gilt |l(x)| = al(x) = l(ax) = l< (ax) − il< (iax) = |<(l(ax))| ≤ p(ax) = |a|p(x) = p(x). Satz 4.4 (Hahn-Banach für normierte Räume). Es sei X ein normierter Raum und X0 ⊂ X ein Teilraum. Zu jedem stetigen linearen Funktional l0 : X0 −→ K, l0 ∈ (X0 )0 existiert ein stetiges lineares Funktional l : X −→ K, l ∈ X 0 mit l|X0 = l0 und klk = kl0 k. Beweis. Ohne Einschränkung sei l0 6= 0. Definiere eine Halbnorm auf X durch p(x) := kl0 k(X0 )0 · kxkX 0 . Für diese gilt dann |l0 (x0 )| ≤ kl0 k · kx0 k = p(x0 ), ∀x0 ∈ X0 . Nach dem Satz 4.3 gibt es ein lineares Funktional l : X −→ K mit l|X0 = l0 und |l(x)| ≤ p(x) = kl0 k · kxkX , also klk ≤ kl0 k. Ferner gilt klk = sup |l(x)| ≥ kxk≤1,x∈X |l(x)| = sup kxk≤1,x∈X0 sup |l0 (x)| = kl0 k . kxk≤1,x∈X0 Es folgt klk ≥ kl0 k, und insgesammt bekommen wir klk = kl0 k. Korollar 4.5. Es sei X ein normierter Raum. Zu jedem x ∈ X, x 6= 0 existiert ein l ∈ X 0 mit l(x) = kxkX , klk = 1. Speziell trennt X 0 die Punkte in X, also: ∀x1 , x2 ∈ X, x1 6= x2 , ∃l ∈ X 0 mit l(x1 ) 6= l(x2 ). Beweis. Es sei X0 := Lin{x} = {λx : λ ∈ K}, dann ist dim X0 = 1 mit X0 ⊂ X ist ein Teilraum. Wir definieren l0 : X0 −→ K durch l0 (λx) := λkxkX , d.h. l0 (x) = kxkX und kl0 k = 1. Damit lässt sich dieses lineare Funktional normgleich fortsetzen zu einem Funktional l : X −→ K mit l|X0 = l0 und klk = kl0 k = 1, sowie l(x) = l0 (x) = kxk. Trennung der Punkte: Setze x := x1 − x2 , also x1 6= x2 d.h. kxkX 6= 0. Es gibt also ein l ∈ X mit klk = 1 und l(x1 ) − l(x2 ) = l(x1 − x2 ) = l(x) = kxkX 6= 0. Korollar 4.6. In jedem normiertem Raum X gilt kxkX = |l(x)| sup l∈X 0 ,klk≤1 20 ∀x ∈ X. Beweis. ∗∗ Für l ∈ X 0 mit klk ≤ 1 gilt |l(x)| ≤ klk · kxkX ≤ kxkX und somit kxkX ≥ |l(x)|. sup klk≤1,l∈X 0 Für das spezielle x ∈ X gibt es somit ein lx ∈ X 0 mit klx k = 1 und lx (x) = kxkX . Damit ergibt sich kxkX = lx (x) ≤ sup |l(x)| ≤ kxkX . l∈X 0 ,klk≤1 Bemerkung 4.7. Nach dem Korollar 4.5 haben wir kxkX = max l∈X 0 ,klk≤1 |l(x)|,d.h. das Supremum wird angenommen. Beispiel 4.8. Wir haben (`1 )0 ' `∞ und (`p )0 ' `q mit 1 < p < ∞ und p1 + 1q = 1. Jedoch ist (`∞ )0 6' `1 ! Der Beweis kann Anhand der Separabilität geführt werden. Denn l1 ist separabel, also muss l∞ auch separabel sein, was nicht der Fall ist. Wir behaupten: ∞ X T : `1 → (`∞ )0 mit (T x)(y) = xn yn ist nicht surjektiv. k=1 Definiere auf dem Teilraum C := {x ∈ `∞ : x ist konvergent. } ⊂ l∞ den Grenzwertoperator l : C −→ K, l(y) = lim yn . n→∞ Dann gilt |l(y)| ≤ sup |yn | ⇒ klk ≤ 1 und für y = 1, folgt klk = 1. n∈N Nach Hahn-Banach gibt es eine Fortsetzung L ∈ (`∞ )0 mit L|C = l und kLk = 1. Wir behaupten, ∞ P dass L keine Darstellung durch T besitzt. Also @x ∈ l1 mit T x = L, d.h. L(y) 6= xn yn , für n=1 alle x ∈ l1 . Betrachte nähmlich y = en , also L(y) = L(en ) = ∞ X xk δkn = xn . k=1 Da en ∈ C, folgt L(en ) = l(en ) = lim δkn = 0. Also ist xn = 0, für alle n ∈ N und somit auch k→∞ L(y) = 0, ∀y ∈ l∞ = 0. Dies ist aber ein Widerspruch. Definition 4.9. Der Raum M([a, b]) = {f : [a, b] → K : Var f < ∞} heißt der Raum der Funktionen mit beschrnkter Variation. Dabei ist Var f = sup n−1 X |f (ti+1 ) − f (ti )| a=t0 <···<tn =b i=0 die Variation von f ∈ C([a, b]). Satz 4.10 (Dualräume zu Lp ). Es sei 1 < p ≤ ∞ und Maßraum. Die Abbildung 1 p + 1q = 1, sowie (S, Σ, µ) ein σ-endlicher T : Lp (S, Σ, µ) −→ (Lq (S, Σ, µ))0 , Z (T x)(y) = x(s)y(s)dµ(s), x ∈ Lp , y ∈ Lq S ist ein isometrischer Isomorphismus. Es gilt also Lp ' (Lq )0 . 21 Erinnerung an die Maßtheorie: S = metrischer Raum, Σ(S) = Σ = B(S) die Borel-Algebra, d.h. B(S) = σ({U ⊂ S : U ist offen }). Also die kleinste von den offenen Mengen erzeigte σ-Algebra. Damit ist (S, B(S)) ist ein Maßraum. Betrachten wir jetzt ein positives Ma: µ : B(S) → R+ bzw. ein signiertes Ma µ : B(S) → K, so können wir folgendes definieren. Definition 4.11. |µ|(A) := N X sup A= N S |µ(Ei )|, ∀A ∈ B(S) Ei , Ei ∩Ej =∅ i=1 i=1 ist die Variation von µ. Weiter definieren wir M(S) = {µ : |µ|(S) < ∞} den Raum der beschränkten Maße, also Maße mit endlicher Variation. Die Zuordnung kµk := |µ|(S) ≥ 0 definiert eine Norm auf diesem Raum. Bemerkung 4.12 (Hahn-Jordan-Zerlegung). Jedes Maß µ mit endlicher Variation besitzt eine eindeutige Zerlegung S = S+ ∪ S− , sowie µ = µ+ − µ− und µ+ , µ− ≥ 0. Dabei gilt: µ+ (S− ) = 0 = µ− (S+ ) und |µ| = µ+ + µ− . Satz 4.13 (Riezscher Darstellungssatz). Es sei S ein kompakter metrischer Raum. Dann ist (C(S))0 ' M(S). Die Abbildung Z 0 T : M(S) −→ (C(S)) mit (T µ)(f ) := f (s)dµ(s) S ist also ein isometrischer Isomorphismus. Beweis. Betrachte Z |(T µ)(f )| = | Z f (s)dµ(s)| ≤ S |f (s)|d|µ|(s) ≤ kf k∞ |µ|(S) = kf k∞ · kµk. S Daraus folgt die Ungleichung kT µk ≤ kµk. Für f ≡ 1 und µ ≥ 0 haben wir die Gleichheit. Für ein signiertes Maß betrachten wir Z S = S+ ∪ S− sowie f (s) = 1S+ (s) − 1S− (s) ⇒ f (s)dµ(s) = |µ|(S) = kµk. S Also ist T Isometrie. Ferner ist T linear und wegen T µ = 0 ⇒ kµk = kT µk = 0 ⇒ µ = 0 injektiv. Als nächstes zeigen wir die Surjektivität. Wir betrachten hier nur den Fall S = [0, 1], für den allgemeinen Beweis verweisen wir auf die Literatur. Es sei l ∈ (C(S))0 beliebig, wir wollen ein µ ∈ M(S) mit der Eigenschaft Z1 l(f ) = Z1 φ(s)dF (s), ∀φ ∈ C([0, 1]) φ(s)dµ(s) = 0 0 finden, wobei das letzte Integral das Riemann-Stieltjes-Integral und F eine Funktion mit endlicher Variation ist. Wegen der Inklusion C([0, 1]) ⊂ B([0, 1]) = {f : [0, 1] → R : sup |f (t)| < ∞} t∈[0,1] 22 und der Tatsache, dass C([0, 1]) ein Unterraum des Banachraumes B([0, 1]) ist, können wir den Satz von Hahn-Banach anwenden und bekommen somit ein neues Funktional L ∈ B([0, 1])0 mit L|C([0,1]) = l und kLk = klk. Definiere ut (s) = I[0,t] (s), ut ∈ B([0, 1]), ∀t ∈ [0, 1]. und setze F (t) := L(ut ). Als Nächstes zeigen wir, dass F eine endliche Variation hat. Sei also P = {0 = t0 < t1 < · · · < tn = 1} eine Zerlegung von [0, 1]. Setze εi := sgn(F (ti + 1) − F (ti )). Damit ergibt sich VP (F, [0, 1]) = = n−1 X i=0 n−1 X |F (ti+1 ) − F (ti )| εi (F (ti+1 ) − F (ti )) = L( i=0 n−1 X εi (uti+1 − uti )) i=0 n n X X = L( εi I(ti ,ti+1 ] ) ≤ kLk · εi I(ti ,ti+1 ] ≤ kLk = klk. i=0 i=0 Also sup VP (F ) = V (F ) ≤ klk < ∞. Fr f ∈ C([0, 1]) betrachten wir die approximierende Folge P fn ∈ B([0, 1]) mit fn (t) := n−1 X k=0 k I k k+1 (t), f n (n, n ] Dies ist die Riemann-Stieltjes Summe mit L(fn ) → R1 f (s)dF (s) = 0 gleichmässigen Konvergenz fn → f und der Stetigkeit von L folgt R1 f (s)dµ(s). Wegen der 0 Z1 L(fn ) → L(f ) = l(f ) = f (s)dµ(s). 0 Bemerkung 4.14. Dieser Satz wurde in verschiedenen Versionen bewiesen. S = [a, b] → Riesz S kompakt → Riesz-Markov S lokal kompakt → Riesz-Markov-Kakutani Dabei war die Hauptidee L(I(a,b] ) = µ((a, b]) zu betrachten. 4.2 Schwache Konvergenz und Reflexivität Satz 4.15. Die Abbildung i : X −→ X 00 = (X 0 )0 mit x 7−→ ix , ix : X 0 −→ K mit x0 7−→ x0 (x) ist eine lineare Isometrie. Beweis. Es seien a, b ∈ K und x, y ∈ X. Für alle x0 ∈ X 0 gilt iax+by (x0 ) = x0 (ax + by) = ax0 (x) + bx0 (y) = aix (x0 ) + biy (x0 ) = (aix + biy )(x0 ). 23 Damit ist x 7−→ ix linear. Weiterhin gilt |ix (x0 )| = |x0 (x)| ≤ kx0 k · kxkX . Somit ist ix mit kix k ≤ kxkX beschränkt. Nach Korollar 4.5 gibt es ein x00 ∈ X 0 mit ix (x00 ) = x00 (x) = kxkX , woraus wir kix k = kxkX schliessen. Bemerkung 4.16. i muss im Allgemeinen nicht surjektiv sein. Weiterhin können wir X als eine Einbettung in X 00 ansehen, d.h. i(X) ⊂ X 00 . Ist X ein Bannachraum, so ist i(X) ⊂ X 00 abgeschlossen. Ist X kein Banachraum so können wir eine Vervollständigung X̃ := i(X) ⊂ X 00 definieren. Die Schreibweise fr eine Einbettung ist X ,→ X 00 . Definition 4.17. Ein Banachraum heißt reflexiv, falls i : X −→ X 00 surjektiv ist, d.h. i(X) = X 00 . Beispiel 4.18. 1) `p , Lp sind fr 1 < p < ∞ reflexiv. Denn p q Z 0 T : L (S) −→ (L (S)) mit (T x)(y) := x(s)y(s)dµ(s) S ist ein Isometrischer Isomorphismus. Also Lp ' (Lq )0 für einen σ-endlichen Maßraum. 2) `1 , `∞ sind nicht reflexiv. 3) Alle endlichdimensionale Räume sind reflexiv, denn dim X = dim X 0 = dim X 00 und i injektiv =⇒ i surjektiv. Lemma 4.19. ∗∗ Es sei X ein normierter Raum und U ⊂ X ein echter Unterraum mit x ∈ X und x 6∈ U . Dann gibt es ein x0 ∈ X 0 mit x0 |U = 0, sowie x0 (x) 6= 0. Beweis. Es sei π : X −→ X/U die kanonische Projektion. Diese erfüllt π(u) = 0 für jedes u ∈ U und π(x) 6= 0. Wähle jetzt ein Funktional l ∈ (X/U )0 mit l(π(x)) = kπ(x)k 6= 0. Damit erfllt x0 := l(π) die Behauptung. Bemerkung 4.20. ∗∗ Hier wurde implizit behauptet, dass der Quotient X/U wieder ein normierter Raum ist. Man mache sich dieses klar und finde eine Norm dafür. Satz 4.21. (a) Unterräume reflexiver Räume sind reflexiv. (b) Ein Banachraum X ist genau dann reflexiv, wenn X 0 reflexiv ist. Beweis. ∗∗ (a) Sei U ⊂ X ein Unterraum und u00 ∈ U 00 . Die Abbildung x0 7−→ u00 (x0 |U ) ist in X 00 , da |u00 (x0 |U )| ≤ ku00 k · kx0 |U k ≤ ku00 k · kx0 k. Da X reflexiv ist, gibt es ein x ∈ X mit x0 (x) = u00 (x0 |U ), ∀x0 ∈ X 0 . (4.2) Wäre x 6∈ U , so gäbe es nach Lemma 4.19 ein Funktional x0 ∈ X 0 mit x0 (x) 6= 0, sowie x0 |U = 0. Also wäre u00 (x0 |U ) = u00 (0) = 0 6= x0 (x) , 24 welches ein Widerspruch zu (4.2) ist. Also muss x in U liegen. Zur zeigen ist noch u0 (x) = u00 (u0 ), ∀u0 ∈ U 0 . Es sei also u0 ∈ U 0 beliebig und x0 ∈ X 0 eine Hahn-Banach Fortsetzung. Dann gilt u00 (u0 ) = u00 (x0 |U ) = x0 (x) = u0 (x). (4.2) x∈U Dami ist u00 = ix . Also ist U reflexiv. (b) Sei zuerst X reflexiv. Zur zeigen i : X 0 → X 000 ist surjektiv. Sei also x000 ∈ X 000 . Die Abbildung x0 : X −→ K, x 7−→ x000 (ix ) ist linear und stetig, also ist x0 ∈ X 0 . Da X reflexiv ist, hat jedes x00 ∈ X 00 die Form x00 = ix fr ein x ∈ X. Folglich haben wir x000 (x00 ) = x000 (ix ) = x0 (x) = ix (x0 ) = x00 (x0 ), was zu zeigen war. Ist umgekehrt X 0 reflexiv, so ist nach obigem Teil auch X 00 reflexiv. Da nach Teil (a) abgeschlossene Unterräume ebenfalls reflexiv sind, ist auch i(X) reflexiv und damit auch X reflixiv. Definition 4.22. Eine Folge {xn : n ∈ N} ⊂ X heißt schwach konvergent gegen x ∈ X genau dann, wenn lim x0 (xn ) = x0 (x), ∀x0 ∈ X 0 n→∞ gilt. w Schreibweisen: xn → x, bzw. w − lim xn = x. n→∞ Bemerkung 4.23. ∗∗ (a) Die Eindeutigkeit dieses Grenzwertes folgt aus der Tatsache, dass X 0 die Punkte aus X trennt, d.h. zu x 6= y, x, y ∈ X gibt es ein Funktional x0 ∈ X 0 mit x0 (x) 6= x0 (y). s (b) Sei xn → x konvergent bezüglich der Norm, also xn → x bzw. s − lim xn = x (starke n→∞ Konvergenz). Dann konvergiert (xn )n∈N auch schwach gegen x. Denn fr x0 ∈ X 0 gilt 0 x (xn ) − x0 (x) = x0 (xn − x) ≤ kx0 k · kxn − xk → 0. (c) Fr dim X < ∞ ist schwache Konvergenz äquivalent zu der starken Konvergenz. ∼ Es ist X = Kn und damit reicht es dieses nur für die Standardvektorräume zu zeigen. Ferner ist eine Folge (xn )n∈N ⊂ Kn genau dann konvergent bezüglich der Norm, wenn jede Komponente konvergiert. Aus den stetigen linearen Funktionalen pri : Kn −→ K, x = (x1 , . . . , xn ) 7−→ xi folgt dann die Behauptung. Beispiel 4.24. (a) X = lp , 1 < p < ∞. Definiere xn := en die Einheitsvektoren. Es sei l ∈ `q ' (`p )0 . Damit haben wir ∞ X hx, li = δkn lk = lk → 0. k=1 Also konvergiert (en )n∈N schwach gegen 0 ∈ `p . Jedoch ist diese Konvergenz keine starke, d.h. keine Normkonvergez, da ken k = 1 9 0. (b) X = C([a, b]) mit −∞ < a < b < ∞. Hier ist die schwache Konvergenz von (fn )n∈N ⊂ X äquivalent zu ( ∃C > 0 mit kfn k∞ < C, ∀n ∈ N fn (t) → f (t), ∀t ∈ [a, b]. (c) Für X = `1 haben wir das merkwürdige Phänomen, dass schwache und starke Konvergenz äquivalent sind. (Lemma von Schur). 25 Definition 4.25. Es sei X ein normierter Raum. Eine Folge von Funktionalen (ln )n∈N ⊂ X 0 heißt schwach∗ konvergent gegen l ∈ X 0 genau dann, wenn lim ln (x) = l(x), ∀x ∈ X n→∞ gilt. w∗ Schreibweise: ln → l, w∗ − lim ln = l. n→∞ Hier währe die starke Konvergenz kln − lkX 0 → 0. Satz 4.26. Sei X ein Banachraum und M ⊂ X eine dichte Teilmenge. Fr eine Folge {ln : n ∈ N} ⊂ X 0 gilt ( ∀x ∈ M : ln (x) → l(x) ∗ w − lim ln = l ⇔ n→∞ ∃C > 0, ∀n ∈ N : kln k ≤ C Beweis. ∗∗ Die Hinrichtung folgt aus dem Satz von Banach-Steihaus 4.28, welchen wir später beweisen. Für die Rückrichtung brauchen wir nur, dass X ein normierter Raum ist. Sei also y ∈ X und ε > 0 beliebig. Es sei x ∈ M und N ∈ N so gewählt, dass ε ε kx − ykX < , |ln (x) − l(x)| < , ∀n ≥ N 3C 3 gilt. Mann kann ohne Einschränkung klk < C annehmen. Damit ergibt sich für n ≥ N folgende Abschätzung |ln (y) − l(y)| ≤ |ln (y) − ln (x)| + |ln (x) − l(x)| + |l(x) − l(y)| ε ≤ kln k · ky − xkX + + klk · kx − ykX 3 ε ε ε ≤ C + +C = ε. 3C 3 3C Also ln (y) → l(y), und somit ist die Behauptung bewiesen. Satz 4.27 (Spezialfall von Banach-Alaoglu Theorem, Auswahlsatz im Dualraum X 0 ). Es sei X ein separabler normierter Raum. Dann besitzt jede beschrnkte Folge in X 0 eine schwach∗ konvergente Teilfolge. Beweis. Es sei (ln )n∈N ⊂ Br0 (0) := {l ∈ X 0 : klk ≤ r}, sowie M := {x1 , x2 , . . . } ⊂ X ein dichter Teilraum. Betrachte die skalare Zahlenfolge {ln (x1 ) : n ∈ N} ⊂ K. Diese ist wegen |ln (x1 )| ≤ kln k · kx1 kX ≤ rkx1 kX , ∀n ∈ N beschränkt in K und besitzt nach Bolzano-Weierstraß eine konvergente Teilfolge {ln1 : n1 ∈ N} ⊂ {ln : n ∈ N}. Weiterhin ist auch die Folge (ln1 (x2 ))n∈N ⊂ K wegen |ln1 (x2 )| ≤ kln1 k · kx2 kX ≤ rkx2 kX beschränkt in K und hat somit eine in K konvergente Teilfolge {ln2 : n2 ∈ N} ⊂ {ln1 : n1 ∈ N}. Sei auf diese Weise eine Teilfolge bis zum m-ten Schritt gewählt. Dann besitzt (lnm (xm ))nm ∈N ⊂ K eine, aus dem gleichen Argument wie zuvor, konvergente Teilfolge. Definiere jetzt mithilfe des sogenannten Diagonalfolgenargumentes eine neue Teilfolge {lnn : nn ∈ N} ⊂ {ln : n ∈ N} , insbesondere konvergiert {lnn (x) : nn ∈ N} für jedes x ∈ M . Nach dem Satz 4.26 konvergiert diese Folge schwach∗ in X 0 . 26 4.3 Das Prinzip der gleichmäßigen Beschränktheit Satz 4.28 (Banach-Steinhaus). Es sei X ein Banachraum und Y ein normierter Raum. Ferner sei {Ti : i ∈ I} ⊂ L(X, Y ) eine Menge von Operatoren so, dass für alle x ∈ X sup kTi xkY := Cx < ∞ i∈I gilt, d.h. diese Menge ist punktweise gleichmässig beschränkt. Dann gibt es ein C > 0 mit sup kTi k ≤ sup Cx ≤ C < ∞. i∈I kxk≤1 Beweis. Die Idee ist, eine offene Kugel Br (x0 ) zu finden, so dass kTi xkY < ∞ sup sup (4.3) i∈I x∈Br (x0 ) gilt. Wir betrachten für i ∈ I die Funktionale fi (x) := kTi xk. Da Ti stetig ist, sind auch die Abbildungen fi (x) = kTi xkY stetig fr jedes i ∈ I. Definiere die Mengen En,i = {x ∈ X : fi (x) = kTi xkY ≤ n}, n ∈ N, i ∈ I . T S Diese Mengen sind abgeschlossen und es gilt En := En,i . Da X = En gilt, folgern wir aus i∈I n∈N dem Satz von Baire 1.16 ∃n0 ∈ N, ∃Br (x0 ) ⊂ En0 . Damit gilt für alle x ∈ Br (x0 ) ⊂ En0 auch kTi xkY ≤ n0 . Also ist (4.3) erfüllt. Jetzt zeigen wir, dass sup kTi xk ≤ 4nr 0 , ∀i ∈ I gilt. Aus diesem folgt dann die Behauptung. x∈B1 (0) Für ein beliebiges x ∈ X mit kxk ≤ 1 gilt r r 2 2 kTi xkY = x = Ti x + x0 − x0 Ti r 2 r 2 Y Y r 2(n + n ) 4n0 2 0 0 x + x0 + kTi x0 kY ≤ < < ∞. ≤ Ti r 2 r r Y Korollar 4.29. Es sei X ein normierter Raum und M ⊂ X so, dass für alle x ∈ M gilt ∀l ∈ X 0 , ∃Kl > 0 mit |l(x)| ≤ Kl . Also ist M punktweise schwach beschränkt. Dann ist M sogar Norm beschränkt, d.h. ∃K > 0 mit kxk ≤ K, ∀x ∈ M. Beachte, die Umkehrung hier ist trivial. Beweis. Wende den Satz von Banach-Steinhaus 4.28 auf X 0 und Y = K mit {ix }x∈M ⊂ X 00 an. Hier können wir die Tatsache benutzen, dass man X als Teilraum von X 00 ansehen kann. Da ix ∈ L(X 0 , K) gilt, bekommen wir sup |ix (l)| = sup |l(x)| ≤ sup Kl = Kl < ∞, ∀l ∈ X 0 . x∈M x∈M x∈M Also gibt es nach dem Satz von Banach-Steinhaus 4.28 ein K > 0 mit sup kix k = sup kxkX ≤ K. x∈M x∈M 27 Korollar 4.30. Es sei X ein Banachraum, Y ein normierter Raum und {Tn : n ∈ N} ⊂ L(X, Y ) mit ∃T x := lim Tn x ∈ Y, ∀x ∈ X. n→∞ Dann ist T ∈ L(X, Y ). Also reicht für eine Folge von Operatoren sogar schon punktweise Konvergenz. Beweis. Die Linearität von T ist trivial. Zur zeigen ist also kT k ≤ ∞. Nach Vorraussetzung gilt fr x ∈ X supkTn xkY = Cx < ∞. n∈N Nach dem Satz von Banach-Steinhaus 4.28 gibt es somit ein C > 0 mit sup kTn k ≤ C. Also n∈N kT k ≤ C < ∞. Korollar 4.31 (Nachtrag zu Satz 4.26). Es sei X ein Banachraum. Dann ist jede schwach konvergente Folge {ln : n ∈ N} ⊂ X 0 auch Normbeschränkt. Korollar 4.32 (Auswahlsatz in X, Vergleich mit 4.27). Es sei X ein reflexiver Banachraum. Dann hat jede beschränkte Folge (xn )n∈N ⊂ X eine schwach konvergente Teilfolge. Beweis. Man betrachte die Einbettung von X in X 00 und wende anschließend Hahn-Banach und Alaouglu an. Bemerkung 4.33 (Reflexivitätsbedingung). Ein Banachraum ist genau dann reflexiv, wenn jede beschränkte Folge eine schwach konvergente Teilfolge besitzt. Damit haben wir folgende Hierarchie aufgebaut: 1. Für jeden separablen normierten Raum X ist jeder Ball BX 0 := {l ∈ X 0 : klk ≤ 1} ⊂ X 0 schwach∗ Folgenkompakt (Satz 4.27). 2. Für reflexive X ist BX := {x ∈ X : kxkX ≤ 1} ⊂ X schwach Folgenkompakt (Korollar 4.31). 3. Für endlich dimensionale X ist BX normal kompakt. 4.4 Satz der offenen Abbildung Definition 4.34. Seien X, Y metrische Räume. Eine Abbildung T : X −→ Y heißt offen, wenn gilt ∀U ⊂ X offen, ist auch T (U ) ⊂ Y offen. Bemerkung 4.35. Sei T : X −→ Y bijektiv, mit inverser Abbildung T −1 : Y −→ X, dann ist T genau dann offen, wenn T −1 stetig ist. Lemma 4.36. Für eine lineare Abbildung T : X −→ Y zwischen normierten Rumen X, Y sind äquivalent: (i) T ist offen. (ii) ∀r > 0, ∃ε > 0 mit BεY (0) ⊂ T (BrX (0)). 28 (iii) ∃ε > 0 mit BεY (0) ⊂ T (B1X (0)). Beweis. (i) ⇒ (ii): Wegen T (0) = 0 folgt 0 ∈ T (BrX (0)) ⊂ Y und da T (BrX (0)) offen ist folgt somit die Behauptung. (ii) ⇒ (iii): r = 1. (iii) ⇒ (ii): B Yε (0) ⊂ T (B1X (0)). r (ii) ⇒ (i): Es sei O ⊂ X offen und x ∈ O, d.h. T x ∈ T (O). Zu zeigen, dass T (O) ⊂ Y offen ist. Da O offen ist, gibt es ein r > 0 mit BrX (x) ⊂ O. Also BrX (x) = BrX (0) + x ⊂ O. Somit gilt T (BrX (x)) = T x + T (BrX (0)) ⊂ T (O). Nach (ii) gibt es ein ε > 0 mit BεY (0) ⊂ T (BrX (0)) und es ergibt sich BεY (T x) = T x + BεY (0) ⊂ T x + T (BrX (0)) ⊂ O. Satz 4.37 (Satz der offenen Abbildung, SOFA). Seien X und Y Banachräume, T ∈ L(X, Y ) surjektiv, dann ist T offen. Beweis. Zuerst werden wir folgendes zeigen: ∃ε0 > 0 : BεY0 (0) ⊂ T (B1X (0)) Da T surjektiv ist, haben wir T (X) = Y , also Y = S (4.4) T (BnX (0)). Offensichtlich gilt n∈N ∃n ∈ N mit x ∈ BnX (0) , ∀x ∈ X. X (0))) 6= ∅. Also gibt es eine offene Nach dem Satz von Baire 1.16 folgt ∃N ∈ N mit int (T (BN X (0)) und ein ε > 0 mit Kugel in mindestens einem der T (BnX (0)), d.h. es gibt ein y0 ∈ T (BN X (0)). (Man beachte, diese Aussage ist nicht trivial.) BεY (y0 ) ⊂ T (BN Y (0)), analog y − y ∈ B Y (0). Es sei y ∈ Y mit kykY < ε, dann folgt y0 + y ∈ BεY (y0 ) ⊂ T (BN 0 ε X Da eine offene Kugel MN := T (BN (0)) symmetrisch ist, d.h. z ∈ MN ⇒ −z ∈ MN folgt, dass −y0 + y, −y0 − y ∈ MN . MN sogar konvex ist, d.h: ∀y1 , y2 ∈ MN , ∀λ ∈ [0, 1] ⇒ λy1 + (1 − λ)y2 ∈ MN , X (0) ist konvex, T linear und somit ist auch T (B X (0)) konvex, also ist auch der Abschluss. denn BN N Betrachte also die Konvexkombination 1 1 (y0 + y) + (−y0 + y) = y ∈ MN . 2 2 Diese liefert BεY (0) ⊂ MN und wegen der Linearität folgt die Aussage (4.4). Es sei ε0 := Nε so gewählt, dass (4.4) erfllt ist. Im nächsten Schritt wollen wir BεY0 (0) ⊂ T (B1X (0)) zeigen, womit nach dem vorherigem Lemma T offen wäre. Es sei kykY < ε0 , y ∈ Y . Wähle jetzt ein ε > 0 mit kykY < ε < ε0 und betrachten y := εε0 y. Daraus folgt kykY = ε0 kykY < ε0 ⇒ y ∈ T (B1X (0)). ε Weiterhin wählen wir ein α ∈ (0, 1) und x0 ∈ B1X (0) mit ε 1 < 1 sowie y0 = T x0 ∈ T (B1X (0)) und ky − y0 k < αε0 . ε0 1 − α 29 Damit ergibt sich y−y0 α k ∈ BεY0 (0) und somit gibt es ein y1 = T x1 ∈ T (B1X (0)) mit y − y0 − y1 kY < αε0 ⇒ ky − (y0 + αy1 )kY < α2 ε0 . α Damit wird induktiv eine Folge (xn )n∈N ⊂ B1X (0) definiert mit n X k α xk ) < αn+1 ε0 , ∀n ∈ N. y − T ( k=0 Daraus folgt ∃x = ε ε0 T x = ε ε0 y ∞ P αk x k ∈ X mit y = T k=0 ∞ P αk x k = T x. Für x := k=0 ε ε0 x ist somit T x = = y. Weiterhin gilt kxkX = ε ε 1 kxkX ≤ < 1. ε0 ε0 1 − α Damit ist x ∈ B1X (0) und T x = y ∈ T (B1X (0)). Da y ∈ BεY0 (0) beliebig ist, folgt BεY0 (0) ⊂ T (B1X (0)). Korollar 4.38. Es seien X, Y Banachräume und T ∈ L(X, Y ) bijektiv, dann ist T −1 stetig. Korollar 4.39. Sind k · k1 , k · k2 Normen auf X, welche X zu einem Banachraum machen, und gilt zusätzlich ∃M > 0 : kxk1 ≤ M kxk2 , ∀x ∈ X. Dann sind diese Normen äquivalent, d.h. ∃m > 0: mkxk2 ≤ kxk1 ≤ M kxk2 . Beweis. Betrachte id : (X, k · k2 ) −→ (X, k · k1 ). Diese Abbildung ist bijektiv und wegen k id(x)k1 = kxk1 ≤ M kxk2 , ∀x ∈ X stetig. Nach dem vorherigem Korollar 4.38 ist T −1 ∈ L(Y, X) und es gilt kT −1 (x)k2 = kxk2 ≤ kT −1 k · kxk1 . Korollar 4.40. Sind X, Y Banachräume und T ∈ L(X, Y ) injektiv. Dann ist T −1 : Rang(T ) = R(T ) −→ X stetig genau dann, wenn R(T ) ⊂ Y abgeschlossen ist. Beweis. T : X −→ R(T ) ist surjektiv und damit auch bijektiv. Ist weiterhin R(T ) ein Banachraum, so ist T Isomorphismus und damit ist T −1 stetig. Ist umgekehrt T : X −→ R(T ) ein Isomorphismus, so ist R(T ) vollständig, weil X es ist, und damit ist R(T ) ⊂ Y abgeschlossen. 30 4.5 Der Satz vom abgeschlossenen Graphen Definition 4.41. Es seien X, Y normierte Räume. D ⊂ X ein Teilraum und T : D −→ Y eine lineare Abbildung. T heißt abgeschlossen, falls gilt ∀(xn )n∈N ⊂ X mit xn → x, sowie T xn → y ⇒ x ∈ D und T x = y. D = D(T ) heißt der Definitionsbereich von T . Bemerkung 4.42. Ein stetiger Operator mit D = X ist auch abgeschlossen. Für kleinere D ist abgeschlossen eine abgeschwchte Form der Stetigkeit. Definition 4.43. Für alle p ≥ 1 und (x, y) ∈ X × Y setze 1 k(x, y)kp := (kxkpX + kykpY ) p . Dieses definiert eine Norm und der normierte Raum wird als direktes Produkt X ⊕p Y bezeichnet. Für p = 1 haben wir k(x, y)k1 = kxkX + kykY . Für allgemeine topologische Räume ist X × Y ' X ⊕p Y , für alle p ≥ 1 Bemerkung 4.44. Konvergenz in X ⊕p Y ist koordinatenweise. Das heißt: zn = (xn , yn ) → z = (x, y) ∈ X ⊕p Y ⇔ xn → x, yn → y Fr einen Operator T : D −→ Y , D ⊂ X, setze G(T ) := {(x, T x) : x ∈ D} ⊂ X × Y den Graphen von T . Lemma 4.45. Für normierte Räume X, Y gilt 1. G(T ) ⊂ X × Y ist ein Teilraum. 2. T ist abgeschlossen ⇔ G(T ) ⊂ X ⊕1 Y ist abgeschlossen. Beweis. (1) ist trivial. (2) ⇒: Sei (xn , yn ) ∈ G(T ) abgeschlossener Teilraum von X ⊕1 Y . Dann gilt lim (xn , yn ) = (x, y) ∈ G(T ) ⇒ x ∈ D , y = T x ⇒ T ist abgeschlossen. n→∞ ⇐: Sei xn und yn := T xn , da T abgeschlossen ist, folgt x ∈ D, T x = y. Lemma 4.46. Es seien X, Y Banachräume. D ⊂ X ein Teilraum und T : D −→ Y abgeschlossen. Dann gilt (a) (D, k · kT ) ist ein Banachraum. (b) T : D −→ Y ist stetig auf (D, k · kT ). Beweis. (a) Es bleibt uns die Vollständigkeit zu zeigen. Sei also (xn )n∈N ⊂ D eine k · kT Cauchy-Folge. Dann ist (xn )n∈N auch eine Cauchy-Folge in X und (T xn )n∈N ⊂ Y eine Cauchy-Folge in Y , jeweils mit passenden Normen. Also gibt es x ∈ X und y ∈ Y mit xn → x und T xn → y und da T abgeschlossen ist folgt x ∈ D und T x = y. Insgesamt gilt also kxn − xkT = kxn − xkX + kT xn − T ykY → 0. (2) Es gilt die Abschätzung kT xkY ≤ kxkX + kT xkY = kxkT , daraus folgt T : D → Y ist stetig auf (D, k · kT ). 31 Satz 4.47. Es seien X, Y Banachräume, D ⊂ X ein Teilraum , sowie T : D −→ Y abgeschlossen und surjektiv. Dann ist T offen. Ist zusätzlich T injektiv, so ist auch T −1 als Abbildung(Y, k · kY ) → (D, k · kX ), sowie (Y, k · kY ) → (D, k · kT ) stetig. Beweis. Da T abgeschlossen ist, ist nach Lemma 4.46(a) (D, k·kT ) ein Banachraum. Der Satz der offenen Abbildungen 4.37 impliziert, dass T : (D, k · kT ) → Y offen ist. Wegen kxkX ≤ kxkT für alle x ∈ X, gilt für jedes ε > 0 UεT (x) = {y ∈ X|kx − ykT < ε} ⊂ UεX (x) = {y ∈ X|ky − xkX < ε} und damit ist jede, bezüglich k · kX offene Menge auch bezüglich k · kT offen. Folglich bildet T jede bezüglich k · kX offene Menge V ⊂ D auf eine offene Menge T (V ) ⊂ Y ab. Es sei jetzt T zusätzlich injektiv, dann existiert T −1 : Y → (D, k · kT ). Da T : (D, k · kT )Y offen ist, ist T −1 stetig, d.h. ∃c > 0 mit kT −1 ykT ≤ ckykT , ∀y ∈ Y . Also gilt für jedes y ∈ Y kT −1 ykX ≤ kT −1 ykT ≤ ckykY , welches die Behauptung zeigt. Satz 4.48 (Satz vom abgeschlossenen Graphen). Es seien X und Y Banachräume, T : X → Y abgeschlossen. Dann ist T stetig. Beweis. Nach dem Satz 4.47 ist T bezüglich der k · kT Norm auf X stetig. Weiterhin gilt kxkX ≤ kxkT , also sind die beide Normen äquivalent. Damit ist T auch auf (X, k · kX ) stetig. Bemerkung 4.49. Wir haben verschiedene Klassen von Räumen untersucht. Topologische → Metrische → Normierte → Normierte Banachräume. Jetzt kommen wir zu einer weiteren Klasse, welche uns noch mehr Struktur geben wird. 5 Hilbert Räume 5.1 Prähilberträume und Hilbert-Räume Sei V stets ein Vektorraum über K. Definition 5.1. Ein Skalarprodukt auf V , ist eine Abbildung h·, ·i : V × V −→ K , wobei für alle x, y, z ∈ V und α ∈ K die folgenden Axiome erfüllt sind. 1. hx, yi ≥ 0 und hx, xi = 0 ⇒ x = 0 (strikt positiv definit) 2. hx, y + zi = hx, yi + hx, zi (additivität) 3. hx, αyi = αhx, yi 4. hx, yi = hy, xi (V, h·, ·i) heißt Prähilbertraum. Beispiel 5.2. n P 1. hx, yi = xj yj mit V = Kn , ∀x, y ∈ V . j=1 32 2. (S, Σ, µ) ein Maßraum und µ ein σ-endliches Maß . Betrachte jetzt L2 (S, µ) und ∀x, y ∈ L2 Z Z hx, yi := x(t)y(t)dµ(t) =: xydµ . S S Überprüfen der Axiome ist trivial hx, xi = 0 ⇒ x = 0 fast überall ⇒ x = 0 in L2 . 3. V = `2 (C), x = (x1 , x2 , . . . ) hx, yi := ∞ X xi yi . i=1 4. Für V = C([a, b]) sei das Skalarprodukt definiert durch Zb hx, yi = x(t)y(t)dt. a Wir zeigen die strikte positive Definitheit: Rb Sei hx, xi = 0, so folgt a |x(t)|2 dt = 0. Für 0 ≤ f (t) = |x(t)|2 ∈ V haben wir die Behauptung. Denn angenommen es gibt ein t0 ∈ [a, b] mit f (t0 ) 6= 0 ohne Einschränkung positiv. Dann gibt es ein ε > 0 so, dass f (t) > 0 für alle t ∈ (t0 −ε, t0 +ε), welches ein Widerspruch ist. Definition 5.3. Es sei (V, h·, ·i) ein Prähilbertraum. 1. x ∈ V heißt orthogonal zu y ∈ V (x ⊥ y), falls hx, yi = 0 gilt. 2. Eine Menge {xi : i ∈ I} ⊂ V heißt Ortonormalsystem (ONS), falls ( 1 i=j hxi , xj i = δij = 0 i 6= j für alle i, j ∈ I gilt. p 3. kxk := hx, xi heißt die Länge von x ∈ V . Später sehen wir, dass k · k eine Norm ist. Beispiel 5.4. 1. V = C([0, 2π]), definiere die trigonometrischen Polynome durch 1 en (t) = √ eint 2π mit t ∈ [0, 2π], n ∈ Z. Dieses ist ein trigonometrisches Orthonormalsystem in (V, h·, ·i), denn es gilt Z2π hen , em i = 1 i(m−n)t e dt = 2π ( 0 1 n 6= m . n=m 0 2. V = `2 (C). Sei en := (0, . . . , 1, 0 . . . ), wobei die 1 an n-ter Stelle steht. Wegen hen , em i = δnm , ist auch {en : n ∈ N} ein ONS in `2 (C). Satz 5.5 (Pythagoras). Es sei (V, h·, ·i) ein Prähilbertraum und N ∈ N, sowie {x1 , . . . , xN } ⊂ V ein ONS in V . Dann gilt 2 N N X X 2 2 kxk = |hxn , xi| + x − hxn , xixn , ∀x ∈ V. n=1 n=1 33 Beweis. Zuerst beweisen wir den aus der Schule bereits bekannten Pythagoras. Es gilt für y, z ∈ V mit y⊥z ky + zk2 = hy + z, y + zi = hy, yi + hy, zi + hz, yi + hz, zi = kyk2 + kzk2 . Also haben wir insbesondere bei Skalarmultiplikation auch hxn , xixn ⊥ hxm , xixm , für n 6= m . Also folgt direkt * xm , x − N X + = hxm , xi − hxn , xixn n=1 N X hxn , xihxm , xn i n=1 = hxm , xi − hxm , xi = 0 und somit N P ∀m ∈ {1, . . . , N } ist xm ⊥ x − hxn , xixn . n=1 Indem wir die Linearkombination dieser xm bilden, erhalten wir immer noch diese Eigenschaft und somit *N + N X X hxn , xixn , x − hxn , xixn = 0 . n=1 n=1 Also kxk2 = k N X N X hxn , xixn k2 + kx − n=1 = = N X n=1 N X hxn , xixn k2 n=1 hxn , xihxn , xihxn , xn i + kx − N X hxn , xixn k2 n=1 |hxn , xi|2 + kx − n=1 N X hxn , xixn k2 . n=1 Korollar 5.6 (Besselsche Ungleichung, BUN). Es sei N ∈ N ∪ {∞} und {x1 , . . . , xN } ein ONS. Dann gilt für jedes x ∈ V N P |hxn , xi|2 ≤ kxk2 n=1 Beweis. Für N < ∞ ist der Beweis trivial. Für N = ∞ haben wir ∞ X n=1 |hxn , xi|2 = lim p→∞ p X |hxn , xi|2 ≤ lim kxk2 = kxk2 . p→∞ n=1 Korollar 5.7 (Cauchy-Schwarz-Bunjakowski Ungleichung). Für jedes x, y ∈ V gilt |hx, yi| ≤ kxk · kyk. 34 Beweis. Es sei x = 0, dann 0 = |h0, yi| ≤ k0k · kyk. Also sei x 6= 0. Betrachte die Vektoren V , kek = 1. Damit ist {e} offensichtlich ein ONS. Mit dem Korollar 5.6 folgt dann x kxk =e∈ |he, yi| ≤ kyk ⇒ |hx, yi| ≤ kxk · kyk. Satz 5.8. p Die Abbildung k · k : V −→ K, x 7−→ kxk = hx, xi ist eine Norm auf V . Beweis. Die einzige nicht triviale Behauptung ist die Dreiecksungleichung. Betrachte deshalb kx + yk2 = hx + y, x + yi = hx, xi + hx, yi + hy, xi + hy, yi = kxk2 + 2<(hx, yi) + kyk2 ≤ kxk2 + 2|hx, yi| + kyk2 ≤ kxk2 + 2kxk · kyk + kyk2 = (kxk + kyk)2 . Damit ist jeder Prähilbertraum ein normierter Raum. Satz 5.9 (Parallelogrammidentität). Für jedes x, y ∈ V gilt kx + yk2 + kx − yk2 = 2(kxk2 + kyk2 ). Lemma 5.10. Das Skalarprodukt ist stetig bezüglich der Normtopologie, d.h. V × V −→ K, (x, y) 7−→ hx, yi ist stetig. Beweis. Sei (x0 , y0 ) ∈ V × V , sowie ε > 0 mit kx − x0 k < ε und ky − y0 k < ε. Dann gilt |hx, yi − hx0 , y0 i| = |hx − x0 , y − y0 i + hx0 , y − y0 i + hx − x0 , y0 i − hx0 , y0 i + hx0 , y0 i| ≤ |hx − x0 , y − y0 i| + |hx0 , y − y0 i| + |hx − x0 , y0 i| ≤ kx − x0 k · ky − y0 k + kx0 k · ky − y0 k + kx − x0 k · ky0 k < ε2 + ε(kx0 k + ky0 k) Definition 5.11 (John von Neumann 1925). Ein vollständiger Prähilbertraum heißt Hilbertraum (HR). Im Folgenden bezeichnet H stets einen Hilbertraum. Beispiel 5.12. 1. (H, h·, ·i) H = CN , RN 2. L2 (S, µ), wobei µ ein σ endliches Maß ist. `2 (K) ist ein Spezialfall davon. R1 3. ** C([−1, 1]) mit hx, yi = x(t)y(t)dt. Ist dieser Raum vollständig? −1 1 −1, t ∈ [−1, − n ] Nein, den die Cauchyfolge: xn (t) = nt, t ∈ [− n1 , n1 ] 1, t ∈ [ n1 , 1] 35 besitzt keinen stetigen Grenzwert. Für n < m gilt offensichtlich 1 −m Z 1 1 Zm Zn −1dt + kxn − xm k = 1 −n −1, und die Grenzfunktion x(t) := 0, 1, (n − m)tdt + 1 −m 1dt = 0 1 m x<0 x = 0 ist offensichtlich unstetig. x>0 Man überlegt sich, dass jeder Kandidat für einen Grenzwert fast sicher mit x übereinstimmen muss. 5.2 Geometrie eines Hilbertraumes Für M ⊂ V definiere das orthogonale Komplement von M durch M ⊥ = {y ∈ V : ∀x ∈ M : hy, xi = 0} = {y ∈ V : y ⊥ M }. Lemma 5.13. Es seien M1 , M2 , M ⊂ V . Dann gilt 1. M1 ⊂ M2 ⇒ M2⊥ ⊂ M1⊥ . 2. M ⊥ ist Teilraum und (Lin M )⊥ = M ⊥ . Beweis. ∗∗ 1) Sei x ∈ M2⊥ ⇒ x ⊥ M2 ⊃ M1 ⇒ x ∈ M1⊥ . 2) Für x1 , . . . xn ∈ M ⊥ , λ1 , . . . , λn ∈ K und m ∈ M gilt hλ1 x1 + . . . λn xn , mi = λ1 hx1 , mi + · · · + λn hxn , mi = 0. Also ist auch die Linearkombination orthogonal auf M und somit ist M ⊥ = Lin(M ⊥ ) ein n P Teilraum. Wegen Teil 1 folgt (Lin(M ))⊥ ⊂ M ⊥ . Sei also x ∈ M ⊥ , sowie y = λk yk ∈ Lin(M ), so gilt hx, yi = n P k=1 λk hx, yk i = 0. k=1 Lemma 5.14. Es sei M ⊂ V , dann gilt 1. M ⊥ ist ein Unterraum. 2. M ⊥ = [M ]⊥ mit [M ] := Lin M der von M erzeugte Unterraum. Beweis. 1) M ⊥ ⊂ M ⊥ ist trivial. Wir müssen also die andere Inklusion zeigen. Es sei x ∈ M ⊥ , dann gibt es eine Folge (xn )n∈N ⊂ M ⊥ mit lim xn = x. Insbesondere gilt dann n→∞ hxn , yi = 0 , ∀y ∈ M und ∀n ∈ N. Da das Skalarprodukt stetig ist, muss auch hx, yi = 0 gelten, und somit x ∈ M ⊥ . 2) Die erste Inklusion ist nach der Definition schon gegeben. Also M ⊂ [M ], folgt auch [M ]⊥ ⊂ M ⊥ . Zur zeigen ist jetzt M ⊥ ⊂ [M ]⊥ . Sei x ∈ M ⊥ , y ∈ [M ], dann existiert (yn )n∈N ⊂ Lin M mit lim yn = y. Es gilt dann n→∞ hx, yi = hx, lim yn i = lim hx, yn i = 0 , n→∞ n→∞ somit auch x ∈ [M ]⊥ . 36 Satz 5.15 (Projektionssatz). Es sei (H, h·, ·i) ein Hilbertraum. 1. Projektionssatz für abgeschlossene konvexe Mengen: Sei ∅ = 6 M ⊂ H konvex und abgeschlossen, dann ∃!P (x) ∈ M mit kx − P (x)k = d(x, M ) := inf {kx − yk : y ∈ M } , ∀x ∈ H. 2. Sei ∅ = 6 M ⊂ H ein Unterraum. Dann ist x − P (x) ∈ M ⊥ und wir haben eine Darstellung x = P (x) + (x − P (x)), also H = M ⊕ M ⊥ . Beweis. (1) Für d(x, M ) = inf{kx − yk : y ∈ M } gibt es eine Folge (yn )n∈N ⊂ M mit d(x, M ) = lim kx − yn k. n→∞ Wir betrachten x − yn , sowie x − ym für alle m, n ∈ N. Nach der Parallelogrammidentität folgt k2x − yn − ym k2 + kym − yn k2 = 2(kx − yn k2 + kx − ym k2 ) . Also haben wir kyn − ym k2 = ≤ yn + ym 2 k ) 2 2(kx − yn k2 + kx − ym k2 − 2d(x, M )2 ) 2(kx − yn k2 + kx − ym k2 − 2kx − → 2(d(x, M )2 + d(x, M )2 − 2d(x, M )2 ) = 0 , n, m → ∞ . Also ist (yn )n∈N eine Cauchy-Folge und somit konvergent. Da H ein Hilbertraum und M abgeschlossen ist, gibt es einen Grenzwert y ∈ M und wir erhalten lim kx − yn k = kx − yk = d(x, M ). n→∞ Wir definieren P (x) := y, woraus die Existenz folgt. Für die Eindeutigkeit seien y1 , y2 ∈ M mit kx − y1 k = d(x, M ) = kx − y2 k. Dann folgt erneut aus der Parallelogrammidentität y1 + y2 2 k ) 2 ≤ 2(d(x, M )2 + d(x, M )2 − d(x, M )2 ) = 0 , ky1 − y2 k2 = 2(kx − y1 k2 + kx − y2 k2 − 2kx − also y1 = y2 . (2) Da M ein Unterraum ist, ist dieser insbesondere konvex und abgeschlossen. Also gibt es genau ein P (x) ∈ M mit d(x, M ) = kx − P (x)k. Setze v =: x − P (x). Zur zeigen ist v ∈ M ⊥ . Sei also y ∈ M \{0} beliebig und α := − hy,vi . Damit haben wir kx − (P (x) − αy)k2 ≥ d(x, M ). kyk2 Also folgt d(x, M )2 ≤ kx − (P (x) − αy)k2 = kv + αyk2 = hv + αy, v + αyi = hv, vi + |α|2 hy, yi + αhy, vi + αhv, yi |hy, vi|2 |hy, vi|2 |hy, vi|2 2 = kvk2 + kyk − − kyk4 kyk2 kyk2 |hy, vi|2 = d(x, M )2 − . kyk2 ⇒ 0≤ |hy,vi|2 kyk2 ⇒ hy, vi = 0 ⇒ x − P (x) ⊥ M . 37 Bemerkung 5.16. 1) Die Konvexität von M ist für die Eindeutigkeit entscheidend, ohne Konvexität können wir unendlich viele P (x) finden. Betrachte dazu z.B. einen Kreisring. 2)H ⊃ M ein Unterraum. Wir haben H in 2 Unterräume zerlegt durch H = M ⊕M ⊥ =: H1 ⊕H2 . Das bedeutet ∀x ∈ H, ∃x1 , x2 ∈ H1 , H2 mit x1 ⊥ x2 und x = x1 + x2 . Dieses Verfahren können wir wiederholen und erhalten weitere Zerlegungen. Als Beispiel betrachte N L C, wobei x = x1 e1 + · · · + xN eN mithilfe der Standartbasisvektoren H = CN mit H = i=1 dargestellt wird. Korollar 5.17. Es sei (H, h·, ·i) ein Hilbertraum und M ⊂ H. Es gilt 1. M ⊥⊥ := (M ⊥ )⊥ = [M ] 2. M ⊥⊥⊥ = M ⊥ Beweis. bung ** Definition 5.18. M ⊂ V heißt genau dann total, wenn Lin M dicht in V liegt. Also genau dann, wenn [M ] = V gilt. Korollar 5.19. Es sei (H, h·, ·i) ein Hilbertraum. Dann ist M ⊂ H genau dann total, wenn M ⊥ = {0} gilt. Beweis. ⇐: Es gilt [M ] = M ⊥⊥ = (M ⊥ )⊥ = {0}⊥ = H. ⇒: Aus [M ] = H folgt M ⊥ = [M ]⊥ = H ⊥ = {0}. 5.2.1 Der Dualraum eines Hilbertraumes (H 0 , h·, ·i) ist der Dualraum des Hilbertraumes H, also die Menge {l : H −→ K : l ist stetig und linear }. Weiterhin haben wir klk := sup |l(x)| und |l(x)| ≤ klk · kxk , ∀x ∈ H. kxk≤1 Ein besonderes Funktional ist gegeben durch das Skalarprodukt mit u ∈ H, also lu (x) := hu, xi mit x ∈ H. Wieso, beantwortet der nächste Satz. Er zeigt, dass jedes stetige lineare Funktional auf einem Hilbertraum von dieser Form ist. Satz 5.20 (Darstellungssatz von Riesz). In einem Hilbertraum H gibt es für jedes stetige lineare Funktional l ∈ H 0 genau ein u ∈ H mit l = lu , d.h: l(x) = hu, xi, ∀x ∈ H. Zudem gilt klk = kuk. Damit ist H ' H 0 durch die Abbildung u 7−→ lu bzw. l 7−→ u. Beweis. Als Erstes zeigen wir klk = kuk. Es gilt |lu (x)| = |hu, xi| ≤ kuk · kxk , also folgt klu k ≤ kuk. Ferner ist u 1 lu kuk2 = kuk. = kuk kuk 38 u Also auch kuk = lu kuk ≤ sup klu (x)| = klu k. kxk≤1 Für die Existenz sei l = 6 0, sonst nehmen wir einfach u = 0. Wir betrachten M := Ker(l) := {x ∈ H : l(x) = 0}. M ist ein Unterraum, den aus xn → x in M folgt 0 = lim 0 = lim l(xn ) = l( lim xn ) = l(x) . n→∞ n→∞ n→∞ Weiter folgt aus l 6= 0, dass auch M 6= 0 ist, also auch M ⊥ 6= 0. Folglich es existiert ein v ∈ M ⊥ mit v 6= 0 so, dass L(v) 6= 0 ist. Währe nämlich l(v) = 0 so muss v ∈ M sein, also auch in M ⊥ = {0}, was ein Widerspruch ist. Also gilt für x ∈ H l(x) l(x) l(x) l x− v = l(x) − l(v) = 0 ⇒ x − ∈ M. l(v) l(v) l(v) Und wegen v ∈ M ⊥ , sowie x − 0 = l(x) l(v) ∈ M bekommen wir somit l(x) v, v x− l(v) = hx, vi − l(x) l(v) kvk2 l(x) kvk2 l(v) l(x) kvk2 ⇔ hx, vi = l(v) ⇔ hx, vi = ⇔ l(x) = l(v) l(v)v hv, xi = hu, xi, mit u := ∈ H. 2 kvk kvk2 Dies liefert uns die Existenz eines solchen u ∈ H. Für die Eindeutigkeit seien u1 , u2 ∈ H mit hu1 , xi = hu2 , xi = l(x), ∀x ∈ H. Dann hu1 − u2 , xi = 0, ∀x ∈ H , also auch für x := u1 − u2 . Es folgt hu1 − u2 , u1 − u2 i = ku1 − u2 k2 = 0, also u1 = u2 . 5.2.2 Fortsetzungsprobleme Korollar 5.21 (Hahn-Banach für Hilberträume). Es sei M ⊂ H ein Teilraum von einem Hilbertraum H und l0 : M −→ K ein stetiges lineares Funktional. Dann gibt es genau ein stetiges lineares Funktional l : H −→ C mit klk = kl0 k und l|M = l0 . Beweis. M ⊂ H ist ein Unterraum, also gibt es genau ein stetiges lineares Funktional l1 : M −→ K mit kl1 k = kl0 k und l1 |M = l0 . Dieses ist sogar eindeutig bestimmt (siehe Übungen). Nach dem Satz 5.20 gibt es genau ein u ∈ M mit l1 (x) = hu, xi, ∀x ∈ M . Definiere jetzt ein neues Funktional l(x) := hu, xi , ∀x ∈ H. Damit ist klk = kuk = kl1 k = kl0 k und dieses ist eine Fortsetzung von l0 . Es bleibt noch die Eindeutigkeit zu zeigen: Sei h ∈ H 0 ein weiteres stetiges Funktional mit h|M = l0 und kuk = kl0 k = khk. Also es existiert v ∈ H mit h(x) = hv, xi, ∀x ∈ H. Somit h(x) = hv, xi = hu, xi = l0 (x) = l1 (x), ∀x ∈ M ⇔ hv − u, xi = 0, ∀x ∈ M ⇔ v − u ⊥ M ⇒ khk2 = kuk2 = k(v − u) + uk2 = kv − uk2 + kuk2 = kv − uk2 + khk2 ⇒ kv − uk2 = 0 ⇒ v = u. 39 5.3 Separable Hilberträume und Orthonormalbasen Es sei V ein K-Vektorraum. Eine Teilmenge A ⊂ V heißt linear unabhängig, wenn N X λk xk = 0 ⇒ λk = 0, ∀k ∈ {1, . . . , N } k=1 gilt, wobei λ1 , . . . , λN ∈ K, x1 , . . . , xN ∈ A und N ∈ N. Falls zusätzlich Lin(A) = V gilt, so ist A eine algebraische Basis von V . Mächtigkeit von A (die Länge der Basis) ist die algebraische Dimension von V . Definition 5.22. Es sei H ein Hilbertraum. 1. Eine Teilmenge B ⊂ H heißt Hilbertraum-Basis, wenn: (a) B linear unabhängig ist, (b) Lin(B) = H gilt. ⇔ ∀x ∈ H, x = ∞ X λk xk mit λk ∈ K und xk ∈ B. k=1 2. Ein Orthonormalsystem B = {xα : α ∈ I} mit Lin(B) = H heißt Orthonormalbasis (ONB). 3. H heißt separabel, falls H eine abzählbare Basis B besitzt. Beispiel 5.23. Fr H = `2 (C) haben wir ein ONS {en : n ∈ N}. Ist diese Menge auch ein ONB? Sei dazu x ∈ `2 (C) beliebig. Betrachte die Partialsumme x (N ) = N X xn en = (x1 , . . . , xN , 0, . . . ) . n=1 (N ) → x. Wir wollen zeigen P∞x (N ) 2 kx − x k = n=N +1 kxN k2 → 0. Also ist {en : n ∈ N} eine Orthonormalbasis und damit ist l2 (C) separabel. Satz 5.24 (Graham-Schmidt). Jeder separable Hilbertraum besitzt eine abzählbare Orthonormalbasis. Beweis. Sei {xn : n ∈ N} ⊂ H eine abzählbare Hilbertraumbasis. Wir müssen eine Orthonormalbasis daraus konstruieren. Dazu gehen wir induktiv vor: y1 := x1 y2 := x2 − hyky11,xk22i y1 ⇒ hy1 , y2 i = 0 ⇔ y1 ⊥ y2 , Lin{x1 , x2 } = Lin{y1 , y2 }. Seien jetzt y1 , . . . yN bereits konstruiert. Definiere den nächsten Vektor durch yN +1 = xN +1 − N X hyj , xN +1 i j=1 kyj k2 yj . Damit haben wir weiterhin hyk , yN +1 i = 0, ∀1 ≤ k ≤ N und Lin{y1 , . . . , yN +1 } = Lin{x1 , . . . , xN +1 }. Auf diese Weise erhalten wir eine neue Folge (yn )n∈N . Durch Normierung bekommen wir damit eine Orthonormalbasis. Satz 5.25. Es sei H ein separabler Hilbertraum und {xn : n ∈ N} ⊂ H ein Orthonormalsystem in H. Dann sind folgende Aussagen äquivalent 1. (xn )n∈N ist eine Orthonormalbasis. 40 2. (xn )n∈N ist eine maximales Orthonormalsystem. 3. Sei x ∈ H; gilt für jedes n ∈ N hx, xn i = 0, so folgt: x = 0. 4. ∀x ∈ H konvergiert die Fourier-Entwicklung: x= ∞ X hxn , xixn . n=1 5. ∀x, y ∈ H gilt die Parseval-Relation: hx, yi = ∞ X hx, xn ihxn , yi n=1 6. ∀x ∈ H haben wir die Vollständigkeitsrelation: 2 kxk = ∞ X |hxn , xi|2 n=1 Beweis. 1 ⇒ 2: Sei M := {xn : n ∈ N} ∪ {x0 } ein echt grösseres Orthonormalsystem, also x0 6= 0. Dann gilt hx0 , xn i = 0, ∀n ∈ N und somit ist ⊥ x0 ⊥ Lin{xn : n ∈ N} ⇔ x0 ∈ (Lin{xn : n ∈ N})⊥ = (Lin{xn : n ∈ N}) = H ⊥ = {0} 2 ⇒ 3: Angenommen es gibt ein x0 6= 0 mit hx0 , xn i = 0, ∀n ∈ N. Dann ist {xn : n ∈ N} ∪ { kxx00 k } ein grösseres Orthonormalsystem. . 3 ⇒ 4: Sei x ∈ H, setze xN = N P hxn , xixn . Besselche Ungleichung liefert n=1 ∞ X |hxn , xi|2 ≤ kxk2 n=1 und damit gilt für ∀N < M auch kxM M M X X − xN k2 = hxn , xixn = |hxn , xi|2 → 0 . n=N +1 n=N +1 Also ist {xN : N ∈ N} eine Cauchyfolge und da H vollständig ist, gibt es ein y = lim xN = N →∞ ∞ X hxn , xixn . n=1 Wir müssen noch y = x zeigen. Dazu betrachten wir hxn , yi = = = lim hxn , xN i N →∞ lim N →∞ lim N →∞ N X hxn , hxk , xixk i k=1 N X hxk , xihxn , xk i k=1 = hxn , xihxn , xn i = hxn , xi . Es folgt hxn , y − xi = 0, ∀n ∈ N ⇒ y − x = 0 ⇔ y = x. 41 4 ⇒ 5: Seien x = ∞ P ∞ P hxn , xixn , sowie y = n=1 hxn , yixn . Dann gilt n=1 hx, yi = = = = lim hxN , y N i N →∞ lim N →∞ lim N →∞ ∞ X N X N X hhxk , xixk , hxn , yixn i k=1 n=1 N X hxn , xihxn , yihxn , xn i n=1 hx, xn ihxn , yi. n=1 5 ⇒ 6: Das ist trivial, setze x = y. 6 ⇒ 1: Angenommen {xn : n ∈ N} ist keine Orthonormalbasis. Dann ist Lin{xn : n ∈ N} {0} = H ⊥ , folglich gibt es ein x0 ∈ Lin{xn : n ∈ N}⊥ . Für dieses gilt somit kx0 k2 = ∞ X ⊥ 6= |hx0 , xn i|2 = 0. n=1 Damit ist x0 = 0, was ein Widerspruch ist. Korollar 5.26. Sei H ein separabler Hilbertraum mit einer Orthonormalbasis {en : n ∈ N}. Betrachte den Hilbertraum `2 (C). Die Abbildung U : `2 (K) −→ H mit c = (c1 , c2 , . . . ) 7−→ U (c) = ∞ X cn en ∈ H n=1 ist ein isometrischer Isomorphismus. Beweis. Wir haben kU (c)k 2 2 * +2 ∞ ∞ ∞ X X X = cn en = cn en ek , n=1 n=1 k=1 ∞ 2 ∞ X ∞ X X = he , c e i = |ck |2 = kck2 . k n n k=1 n=1 k=1 Somit ist U eine Isometrie. Für die Surjektivität sei x = ∞ P hen , xien . Setze cn := hen , xi ∈ K. n=1 Es ergibt sich aus der Bedingung (6) (cn )n∈N ∈ `2 (C) und somit ist haben wir die Surjektivität. Da U eine Isometrie ist, ist es auch injektiv. Bemerkung 5.27. Sei (xn )n∈N ⊂ H eine Folge. Wir haben jetzt folgendes 1. s − lim xn = x ⇔ kxn − xk → 0. n→∞ 2. w − lim xn = x ⇔ ∀l ∈ H 0 gilt l(xn ) → l(x) ⇔ ∀y ∈ H gilt hy, xn i → hy, xi. n→∞ Beispiel 5.28. Es sei (en )n∈N eine Orthonormalbasis von einem Hilbertraum H. Die Basisvektoren konvergieren offensichtlich nicht stark, wegen ken − em k2 = 2 für n 6= m. Jedoch konvergieren diese schwach, da hy, en i bis auf komplexe Konjugation die Fourierkoeffizienten sind. 42 Satz 5.29. Sei (xn )n∈N ⊂ H eine Folge mit w − lim xn = x. Dann ist n→∞ kxk ≤ lim inf kxn k. n→∞ Konvergieren zusätzlich noch die Normen, also kxn k → kxk, so ist diese Folge bereits stark konvergent. Beweis. Für x = 0 ist der Fall trivial, sei also x 6= 0. Für jedes u ∈ H gilt kuk · kxn k ≥ |hu, xn i| → |hu, xi| und somit lim inf kuk · kxn k ≥ |hu, xi|. Für u = x haben wir n→∞ kxklim inf kxn k ≥ kxk2 . n→∞ Für den zweiten Teil betrachten wir folgendes kx − xn k2 = kxk2 − hx, xn i − hxn , xi + kxn k2 → kxk2 − kxk2 − kxk2 + kxk2 = 0. 6 Lineare Operatoren in Hilberträumen Zuerst betrachten wir einige Beispiele aus der Physik. Sei A : H1 → H2 mit A ∈ L(H1 , H2 ) (z.B. H1 = H2 = H) eine stetige lineare Abbildung. H = L2 (R3 ) der physikalische Raum und ∂2 ∂2 ∂2 ~2 L = − 2m ∆, wobei ∆ = ∂x 2 + ∂y 2 + ∂z 2 der Laplace Operator. L ist der Hamiltonoperator. Ein weiteres Beispiel wäre Ut f = eitLf , wobei f ∈ H. Wie man hier erkennen kann, muss der Definitionsbereich für diese Operatoren eingeschränkt werden. Diesbezüglich wollen wir eine Theorie entwickeln. 6.1 Grundbegriffe Definition 6.1. Es sei H ein Hilbertraum. Ein linearer Operator ist ein Paar (A, D), wo D = D(A) ⊂ H ein Teilraum und A : D −→ H eine lineare Abbildung ist. D heit der Definitionsbereich von A. R(A) := ran(A) := {y ∈ H : ∃x ∈ D mit y = Ax} ⊂ H ist der Wertebereich (Range) von A. N (A) := KerA = {x ∈ D : Ax = 0} ⊂ H der Kern von A. A heißt dicht definiert, wenn D dicht in H ist, d.h. es gilt D = H. Definition 6.2. Ein linearer Operator (B, D(B)) heißt Fortsetzung eines linearen Operators (A, D(A)), in Zeichen A ⊂ B, wenn D(B) ⊃ D(A) und B|D(A) = A gilt, d.h. Bx = Ax, ∀x ∈ D(A). Bemerkung 6.3. Ist A dicht definiert und beschränkt, so hat A eine eindeutige Fortsetzung auf ganz H. Beispiel 6.4 (Quantenmechanik). H = L2 (R) = physikalische Raum. Wir definieren den Ortsoperator f 7−→ (Qf )(x) = xf (x) d sowie der Impulsoperator f 7−→ R(P f )(x) = −i~f 0 (x) = −i~ dx f (x). Betrachte zum Beispiel die 1 1 2 Funktion f (x) = √1+x2 kf k2 = 1+x2 dx = π. Jedoch existiert kein Wert für den Operator auf R dieser Funktion. Nimmt man D(Q) = C0∞ (R) ⊂ H die glatte Funktion mit kompaktem Träger, so haben wir einen wohldefinierten Operator. Gibt es auch andere Definitionsbereiche? Wie wäre 43 es mit C0 (R) := {f : R −→ R : supp(f ) ist kompakt}? Dieses wäre eine Fortsetzung unseres Operators. Der maximale Definitionsbereich muss sowas wie Dmax (Q) := {f ∈ L2 : (Qf ) ∈ L2 }. sein. Betrachten wir jetzt den Impulsoperator: D(P ) = C0∞ (R), P : D(P ) −→ D(P ) Damit ist (P, D(P )) ein dicht definierter Operator und wir haben D1 (P ) = C01 (R) mit P : C01 −→ C0 ⊂ L2 . Es ist eine Übung zu zeigen, dass P nicht stetig ist. Man betrachte dazu φ ∈ C0∞ (R) mit kφk = 1 √ und definiere φn (x) := nφ(nx). Dann gilt Z Z 2 2 kφn k2 = n|φ(nx)| dx = |φ(t)|dt = 1, R sowie kP φn k22 = R Z n3 |φ0 (nx)|2 dx = n2 kφ0 k22 . R Als nächstes wollen wir den Adjungierten Operator herleiten. Sei (A, D) ein dicht definierter linearer Operator in H. Setze D∗ = {y ∈ H : ∃Cy ≥ 0, ∀x ∈ D gilt |hy, Axi| ≤ Cy kxk} . Damit ist D∗ ein Teilraum und wir haben ein stetiges lineares Funktional, gegeben durch ly (x) = hy, Axi. Nach dem Darstellungssatz von Riesz gibt es somit ein A∗ y := z ∈ H mit ly (x) = hz, xi. Diese neue Abbildung y 7−→ A∗ y = z ist der adjungierte Operator (A∗ , D∗ ). Dabei haben wir hy, Axi = hA∗ y, xi, ∀x ∈ D, ∀y ∈ D∗ . Bemerkung 6.5. 1. Sei (B, D(B)) ein linearer Operator mit hy, Axi = hBy, xi, ∀y ∈ D(B), ∀x ∈ D(A). Dann ist B ⊂ A∗ , wobei A∗ den grössten linearen Operator mit obiger Eigenschaft bezeichnet. 2. Wir können D∗ auch als D∗ = {y ∈ H : sup |hy, Axi| < ∞} x∈D, kxk=1 beschreiben. Beispiel 6.6. 1. H = CN und x ∈ H. Ein linearer stetiger Operator A ist eine Matrix A = (aij ) ∈ Mat(N × N P N, C). Weiterhin haben wir Ax = y = (y1 , . . . , yN ) und yk = akj xj , A∗ = AT = (ajk ). j=1 Warum? hy, Axi = N X yj (Ax)j = j=1 = N X N X yj ajk xk j=1 k=1 N X N X ( ajk yj )xk = hAT y, xi. k=1 j=1 2. Sei H = L2 ([0, 1]) und (Af )(x) := x−α f (x), α > 0. Setze D(A) = {f ∈ L2 : ∃εi0 : f (x) = 0, x ∈ [0, ε)}. Damit ist (Af ) ≡ 0 auf [0, ε) für f ∈ D(A). Weiterhin ist D(A) ⊂ L2 dicht, da für f ∈ L2 gilt: setze fn (x) := (1 − I[0, 1 ) (x))f (x) und wir erhalten fn → f in L2 . Betrachte den n 44 Operator (B, D(B)) mit D(B) := {f ∈ L2 ([0, 1]) : f (x)x−α ∈ L2 ([0, 1])} Damit erhalten wir für f ∈ D(A) und g ∈ D(B) Z1 hg, Af i = g(x)x−α f (x)dx 0 Z1 = f (x)x−α g(x)dx = hBg, f i. 0 Also ist B ⊂ A∗ und da D(B) maximal gewählt ist, muss A∗ = B gelten. Mit Bg := x−α g. Definition 6.7. Sei (A, D) ein dicht definierter linearer Operator in H. A heißt symmertrisch bzw. hermitsch, falls A∗ ⊃ A gilt, d.h. D(A∗ ) ⊃ D(A), sowie A∗ |D(A) = A. Bemerkung 6.8. 1. Falls (A∗ , D∗ ) dicht definiert ist, so gilt A∗∗ ⊃ A. (Übung) 2. Diese Definition ist äquivalent zu hy, Axi = hAy, xi, ∀x, y ∈ D(A). Satz 6.9. 1. Sind A, B dicht definierte lineare Operatoren mit A ⊂ B, so gilt A∗ ⊃ B ∗ . 2. Es sei A ∈ L(H), dann ist kA∗ k = kAk. Beweis. (1): Für jedes y ∈ D(B ∗ ) ist die Abbildung x 7−→ hB ∗ y, xi = hy, Bxi stetig in x ∈ D(B). Da D(A) ⊂ D(B) gilt, haben wir hB ∗ y, xi = hy, Bxi = hy, Axi = hA∗ y, xi, ∀x ∈ D(A). Also ist y ∈ D(A∗ ) und somit D(B ∗ ) ⊂ D(A∗ ), und B ∗ = A∗ auf D(B ∗ ). (2): Da die Abbildung x 7−→ hy, Axi für y ∈ H stetig ist, gilt D(A∗ ) = H. Wegen hA∗ y, xi = hy, Axi, ∀x, y ∈ H, folgt sofort kA∗ k = sup kA∗ yk kyk=1 = sup sup |hA∗ y, xi| = sup sup |hy, Axi| kyk=1 kxk=1 = kyk=1 kxk=1 sup sup |hy, Axi| = sup kAxk = kAk. kxk=1 kyk=1 kxk=1 Betrachte jetzt die direkte Summe H ⊕ H, sowie (x, y) ∈ H ⊕ H. Wir definieren 1 h(x, y), (x0 , y 0 )i := hx, x0 i + hy, y 0 i, also k(x, y)kH⊕H := (kxk2H + kyk2H ) 2 . Es sei (T, D(T )) ein linearer Operator in H. Der Graph von T sei durch G(T ) = {(x, y) ∈ H ⊕ H : x ∈ D(T ), y = T x} definiert. So haben wir für x, y ∈ D(T ) :hx, yiT := hx, yiH + hT x, T yiH . Damit ist D(T ) ein Prähilbertraum. 45 Definition 6.10. Es sei T ein linearer Operator. 1. T heißt abgeschlossen, wenn der Graph G(T ) ⊂ H ⊕ H abgeschlossen ist. 2. T heißt abschliessbar, falls T eine abgeschloßene Fortsetzung besitzt. Betrachte jetzt den Graphen eines Operators. Ist der Abschluss des Graphen ebenfalls ein Graph? Das bedeutet, gilt auch (x1 , y1 ), (x2 , y2 ) ∈ G(T ), x1 = x2 ⇒ y1 = y2 ? Ein Unterraum U ⊂ H ⊕ H ist Graph eines lineares Operators, wenn für jedes x ∈ H höchstens ein y ∈ H existiert mit (x, y) ∈ U . Satz 6.11. Sei T ein linearer Operator in H. Dann ist T genau denn abschließbar, wenn gilt ∀(xn )n∈N ⊂ D(T ) mit xn → 0, T xn → y in H ⇒ y = 0. T besitzt dann eine kleinste abgeschlossene Fortsetzung, bezeichnet mit T , und G(T ) = G(T ). Beweis. Angenommen ∃T 0 ⊃ T mit T 0 ist abgeschlossen. Sei jetzt xn → 0 in D(T ) und T xn → y. Dann ist (xn , T xn ) ∈ G(T ) ⊂ G(T 0 ) und somit nach Voraussetzung (0, y) ∈ G(T 0 ), also 0 = T 0 0 = y. Für die Rückrichtung müssen wir zeigen, dass G(T ) Graph eines linearen Operators in H ist. Seien (xn )n∈N , (x0n )n∈N ⊂ D(T ) mit xn → x, x0n → x, T xn → y, T x0n → y 0 . Dann gilt xn −x0n → 0 und T (xn − x0n ) → y − y 0 . Es folgt also y − y 0 = 0. Definition 6.12. Ein linearer Operator (A, D(A)) heißt selbstadjungiert, wenn A∗ = A gilt, also D(A) = D(A∗ ), sowie Ax = A∗ x, ∀x ∈ D(A). Satz 6.13. Sei T ein selbstadjungierter Operator. Dann besitzt T keine echte selbstadjungierte Fortsetzung. Beweis. Sei T 0 selbstadjungiert mit T 0 ⊃ T . Dann gilt T 0 = (T 0 )∗ ⊂ T ∗ = T ⇒ T 0 = T . Bemerkung 6.14. Sei S ein symmertrischer Operator in H. Dann haben wir eine Folge von Operatoren mit S ⊂ S1 ⊂ S2 · · · ⊂ T = T ∗ ⊂ S1∗ ⊂ S2∗ ⊂ · · · ⊂ S ∗ . Gibt es überhaupt eine solche selbstadjungierte Fortsetzung T ? Satz 6.15 (Hauptkriterium für Selbstadjungiertheit). Für einen symmertrischen Operator A in einem komplexen Hilbertraum H sind äquivalent (i) A ist selbstadjungiert. (ii) A ist abgeschossen und N (A∗ + i) = N (A∗ − i) = {0}. (iii) R(A + i) = H = R(A − i). 6.2 6.2.1 Spezielle Klassen von Operatoren Projektoren Definition 6.16. Es sei H ein Hilbertraum. Ein Operator P ∈ L(H) heißt Orthogonalprojektor, wenn gilt (i) P 2 = P (indempotent) 46 (ii) P ∗ = P (selbstadjungiert). Wir bezeichnen alle Orthogonalprojektoren mit P (H) ⊂ L(H). Bemerkung 6.17. 1. Auf R(P ) ⊂ H ist P die Identität, d.h. P projeziert auf R(P ), denn x 7−→ P x 7−→ P 2 x = P x ∈ R(P ). 2. Die Projektion auf R(P ) ist orthogonal im folgenden Sinne x − P x ⊥ y ⇔ x − P x ⊥ R(P ) ⇔ x − P x ∈ R(P )⊥ , x ∈ H. Dazu für y ∈ R(P ) gilt hx − P x, yi = hx − P x, P yi = hx, P yi − hP x, P yi = hx, yi − hx, P ∗ P yi = hx, yi − hx, P 2 yi = hx, yi − hx, yi = 0. R(P ) ⊂ H ist ein Unterraum und P projeziert auf diesen. Denn R(P ) = N (1 − P ) = (1 − P )−1 ({0}) Beispiel 6.18. 1. Nulloperator und die Identität sind Projektoren. 2. Sei H ein Hilbertraum und (en )n∈N eine Orthonormalbasis. Wir haben die Fourierentwicklung ∞ X x= hen , xien , ∀x ∈ H. n=1 Hier projeziert P : H −→ HN := N P hen , xien . n=1 Lin{e1 , . . . , eN }. Wir definieren den Operator PN x := Es ist leicht zu zeigen, dass P ∈ P (H). 3. Es sei H = L2 (R) und M eine messbare Borelmenge. Betrachte für a ∈ L∞ (R) den Operator (Ta f )(x) := a(x)f (x). Für den Spezialfall a(x) = IM (x) ist PM = TIM ein Orthogonalprojektor. Denn 2 PM = T1M (T1M ) = T12 = T1M = PM . M Ferner ist PM beschränkt und linear. Jetzt betrachten wir den Adjungierten Z Z hf, PM gi = f (x)IM (x)g(x)dx = f (x)IM (x)g(x)dx = hPM f, gi, ∀f, g ∈ L2 . R R ∗ =P Also ist PM M mit dem Bild R(PM ) = {f ∈ L2 (R) : f |R\M ≡ 0} = {f ∈ L2 (R) : supp(f ) ⊂ M }. Satz 6.19. (i) ∀P ∈ P (H) mit P 6= 0 gilt kP k = 1. (ii) Es sei P ∈ L(H), dann gilt P ∈ P (H) ⇔ 1 − P =: P ⊥ ∈ P (H). (iii) ∀P ∈ P (H) gilt H = R(P ) ⊕ R(P ⊥ ), d.h. R(P ⊥ ) = R(P )⊥ , sowie P |R(P )⊥ = 0. (iv) Durch die Abbildung P 7−→ R(P ) wird eine bijektive Zuordnung zwischen P (H) und der Menge der Unterräume von H erklärt. 47 Definition 6.20. Es seien A, B ∈ L(H). Wir bezeichnen A ≤ B, falls für jedes x ∈ H hx, Axi ≤ hx, Bxi gilt. Für P, Q ∈ P (H) haben wir P ≤ Q ⇔ kP xk ≤ kQxk. Lemma 6.21. Seien P, Q ∈ P (H). Dann sind äquivalent: (1) P ≤ Q. (2) R(P ) ⊂ R(Q). (3) P = P Q = QP . Beweis. (1) ⇔ (3): Für jedes x ∈ R(P )⊥ gilt P x = 0. Für x ∈ R(P ) haben wir kP xk2 = kxk2 = kQx + Q⊥ xk2 = kQxk2 + kQ⊥ xk2 ≤ kQxk2 . Wobei die letzte Ungleichung wegen (1) gelten soll. Damit muss Q⊥ x = 0 gelten. Also ergibt sich 0 = Q⊥ x = Q⊥ P x = (1 − Q)P x ⇒ P = QP . Ferner haben wir (P Q)∗ = Q∗ P ∗ = QP = P. Der Rest ist Übung. Satz 6.22. Sei {Pj : j ∈ N} ⊂ P (H) eine monotone Folge, d.h. ∀k ≤ j gilt Pj ≤ Pk oder Pj ≥ Pk . Dann gibt es ein P ∈ P (H) mit kPj − P k → 0 und P ist ein Projektor auf 1. ∞ S R(Pj ), falls Pj monoton wachsend ist. j=1 2. ∞ T R(Pj ), falls Pj monoton fallend ist. j=1 Beweis. Sei x ∈ H. Dann haben wir {hx, Pj xi : j ∈ N} ⊂ R+ und insbesondere ist kPj xk2 = hPj x, Pj xi = hx, Pj∗ Pj xi = hx, Pj xi ≤ hx, Pk xi = kPk xk2 ≤ kxk2 , ∀j ≤ k. Also konvergiert die Folge {hx, Pj xi : j ∈ N} und es existiert ein Grenzwert lim Pj x. Betrachte j→∞ jetzt für k < j kPj x − Pk xk2 = hPj x − Pk x, Pj x − Pk xi = hPj x, Pj xi − hPj x, Pk xi − hPk x, Pj xi + hPk x, Pk xi = hPj x, xi − hPj Pk x, xi − hPj Pk x, xi + hPk x, xi = hx, Pj xi − hx, Pk xi = hx, Pj x − Pk xi → 0. Also gibt es den Punktweisen Grenzwert lim Pn x =: P x. Somit haben wir n→∞ kP xk = lim kPn xk ≤ kxk, n→∞ also P ∈ L(H). Jetzt müssen wir überprüfen ob P ein OrthogonalProjektor ist. hx, P yi = lim hx, Pn yi = lim hPn x, yi = hP x, yi n→∞ n→∞ Also ist P selbstadjungiert und wir haben P x = lim Pn x = lim Pn (Pn x) = P (P x) = P 2 x. n→∞ 48 n→∞ 6.2.2 Isometrien Definition 6.23. Ein Operator A ∈ L(H1 , H2 ) heißt isometrisch (Isometrie), wenn kAxkH2 = kxkH1 , ∀x ∈ H1 gilt. A heißt unitär, wenn A isometrisch und surjektiv ist. Bemerkung 6.24. Ein Isometrischer Operator A ist injektiv. Also gibt es A−1 mit D(A−1 ) = R(A). Weiterhin ist A−1 ebenfalls isometrisch, denn fr y = Ax gilt kA−1 ykH1 = kA−1 AxkH1 = kxkH1 = kAxkH1 Dieses ist äquivalent zu hAx1 , Ax2 iH2 = hx1 , x2 iH1 , ∀x1 , x2 ∈ H1 . Welches aus der Polarisierungsformel 4hx1 , x2 i = kx1 + x2 k2 − kx1 − x2 k2 + i(kx1 + ix2 k2 − ikx1 − ix2 k2 ) folgt. Satz 6.25. Sei A ∈ L(H1 , H2 ), dann gilt (1) A ist isometrisch ⇔ A∗ A = idH1 = IH1 . (2) A ist isometrisch ⇒ AA∗ = PR(A) ist ein Projektor. Beweis. (1): Definiere A∗ : H2 −→ H1 durch hy, Axi = hA∗ y, xi, ∀x ∈ H1 , ∀y ∈ H2 . Dann haben wir folgendes für x1 ∈ H1 und x2 ∈ H2 A ist isometrisch ⇔ hx1 , x2 iH1 = hAx1 , Ax2 iH2 = hx1 , A∗ Ax2 iH2 ⇔ x2 = A∗ Ax2 ⇔ A∗ A = IH1 (2): Sei A eine Isometrie. Also ist A∗ A = idH1 . Betrachte jetzt A−1 : R(A) −→ H1 . Wir haben somit A∗ |R(A) = A−1 und A∗ ⊃ A−1 . Weiterhin haben wir für y ∈ R(A)⊥ und x ∈ H1 , hA∗ y, xiH1 = hy, AxiH2 = 0 und somit A∗ y ∈ H ⊥ = {0} ⇒ A∗ y = 0. Damit ergibt sich AA∗ |R(A) = idR(A) , sowie AA∗ |R(A)⊥ = 0. Weiterhin ist (AA∗ )∗ = A∗∗ A∗ = AA∗ , also ist AA∗ selbstadjungiert. Setze jetzt P = AA∗ , woraus die Behauptung folgt. Ist z.B.: A ∈ L(H1 , H2 ) unitär, so haben wir AA∗ = idH2 und damit A∗ = A−1 . Andersrum haben wir für einen Operator A∗ = A−1 kAxk2H2 = hAx, AxiH2 = hx, A∗ AxiH1 = hx, xiH1 = kxk2H1 . Also ist A eine Isometrie und wegen Surjektivität auch unitär. Korollar 6.26. Ein linearer Operator A ∈ L(H1 , H2 ) ist unitär ⇔ A∗ = A−1 . Beispiel 6.27. 1. H = C und x 7−→ ax ∈ C. Wir haben A∗ x = ax, denn hx, Ayi = xay = (ax)y = hA∗ y, xi. Weiterhin haben wir A−1 x = xa , also A∗ = A−1 wenn Operator eine Drehung. 49 1 a = a ⇔ |a| = 1. Also ist ein unitärer 2. H = CN , U (N ) sind die unitren Matrizen. Bemerkung 6.28. Die Menge der unitären Operatoren bezeichnen wir mit U(H). Diese bilden eine Gruppe. Beispiel 6.29. 1. H = `2 (C) und sei S der Shiftoperator. Das heißt Sx = (0, x1 , x2 , . . . ). Offensichtlich haben wir kSxk = kxk. Jedoch ist dieser Operator nicht unitär, denn (1, 0, . . . ) ∈ / R(S). Der adjungierte Operator ist gegeben durch S ∗ x = (x2 , x3 , . . . ), denn hy, Sxi = ∞ X yk xk−1 = k=2 ∞ X yk+1 xk = hA∗ y, xi. k=1 2. H = L2 (Rd ). Wir betrachten die Fouriertransformation Z d f 7−→ (Ff )(p) = (2π)− 2 e−ipx f (x)dx =: g. Rd Es gilt kgk = kf k, ∀f ∈ S(Rd ), wobei S(Rd ) der Schwartz-Raum der schnell fallenden Funktionen ist. Hier haben wir F ∗ = F −1 und die Inverse ist durch Z −1 − d2 (F g)(x) = (2π) eixp g(p)dp Rd bestimmt. Definition 6.30. Eine Familie von Operatoren U (t) ∈ U(H), t ∈ R heißt einparametrige Gruppe von unitären Operatoren, falls gilt 1. U (t)U (s) = U (t + s) 2. U (0) = IH . Die Gruppe heißt stark stetig, falls t 7−→ U (t) stetig bezüglich der starken Topologie ist, d.h. für alle x ∈ H ist die Abbildung t 7−→ U (t)x ∈ H stetig. Weiterhin haben wir U −1 (t) = U (−t) = U ∗ (t). Bemerkung 6.31. Dieses ist im Gebiet der partiellen Differentialgleichungen von Nutzen, dazu betrachte man folgendes AWP: ( u(t) = U (t)u0 u(0) = u0 Beispiel 6.32. Sei H = L2 (R). Für alle f ∈ L2 , t ∈ R definieren wir (Ut f )(x) := f (x − t), die Verschiebung um t. Wir haben kUt f k = kf k, sowie alle Regeln aus der vorheriger Definition. Dieses liefert eine unitäre Darstellung einer Gruppe t 7−→ U (t). Man kann es auch für eine allgemeine Gruppe definieren, (G, ·) ist eine Gruppe und g 7−→ U (g) ∈ U(H) ist eine Abbildung mit U (g1 · g2 ) = U (g1 )U (g2 ). 6.2.3 Kompakte Operatoren Es sei H ein Hilbertraum und B1 (0) := {x ∈ H : kxk < 1}. A ⊂ H heißt relativ kompakt, falls der Abschluß A kompakt ist. Ist B1 (0) kompakt? Diese Menge ist genau dann kompakt, wenn dim H < ∞ gilt. 50 Definition 6.33. Ein linearer Operator A : H −→ H heißt kompakt, wenn A(M ) für jede beschränkte Menge M relativ kompakt ist. Bemerkung 6.34. (1) Jede relativ kompakte Menge ist beschränkt, also bildet A : H −→ H beschränkte Mengen wieder auf beschränkte Mengen ab. Damit ist A sogar stetig. Wir bezeichnen mit K(H) alle kompakten Operatoren. Es gilt K(H) ⊂ L(H). (2) Falls dim H < ∞ ist, so folgt K(H) = L(H). Denn wegen Heine Borel haben wir für KN : M ⊂ H kompakt genau dann, wenn M beschränkt und abgeschlossen ist. (3) ∀V ∈ U(H) mit dim = ∞ haben wir V (B1 (0)) = B1 (0) und diese Menge ist nicht relativ kompakt. Also ist auch V nicht kompakt. Damit ist sogar die Identität nicht kompakt. (4) Sei A ∈ L(H) von endlichem Rang, d.h dim R(A) < ∞. Dann ist A kompakt. Beispiel 6.35. 1. H = `2 (C). Es seien a1 , . . . , aN ∈ C und N ∈ N fest. Definiere einen Operator A Ax := (a1 x1 , a2 x2 , . . . , aN xN , 0, 0, . . . ). Dann gilt A : `2 (C) −→ CN ,→ `2 (C). Offensichtlich ist dieser Operator kompakt. 2. Sei jetzt (ak )k∈N eine Folge reeller Zahlen. Setze jetzt analog zu (1) Ax := (a1 x1 , a2 x2 , . . . ). Diesmal eine im allgemeinen nicht abbrechende Folge. Es ist eine Übungsaufgabe zu beweisen, dass A ∈ K(`2 (C)) genau dann erfüllt ist, wenn lim an = 0 gilt. n→∞ Satz 6.36. Für A ∈ L(H) sind äquivalent: 1. A ist kompakt. 2. A(B1 (0)) ist realtiv kompakt. 3. ∀(xn )n∈N ⊂ H beschränkt, besitzt {Axn : n ∈ N} ⊂ H eine konvergente Teilfolge. 4. ∀(xn )n∈N ⊂ H mit w − lim xn = 0 ⇒ kAxn k → 0. n→∞ Beweis. (1) ⇒ (2): trivial. (2) ⇒ (1): Sei M ⊂ H beschränkt, dann ∃r > 0 mit M ⊂ Br (0). Da A(B1 (0)) beschränkt ist, gibt es ein n > 0 mit A(B1 (0)) ⊂ Bn (0). Somit haben wir A(M ) ⊂ A(Br (0)) ⊂ Bnr (0). (1) ⇔ (3): Bolzano Weierstraß für metrische Räume. (1) ⇒ (4): Sei A ∈ K(H) und (xn )n∈N ⊂ H mit w − lim xn = 0. Da eine schwach konvergente n→∞ Folge beschränkt ist, haben wir ⇒ {xn : n ∈ N} ⊂ H ist beschränkt. ⇒ {Axn : n ∈ N} ⊂ H ist beschränkt. ⇒ {Axn : n ∈ N} besitzt mindestens einen Häufungspunkt. Wir wollen zeigen, dass der einzig mögliche Häufungspunkt 0 ist. Sei also Axnk → y für ein y ∈ H, nach der Voraussetzung haben wir dann auch w − lim xnk = 0. Also gilt für ein k→∞ beliebiges z ∈ H hz, Axnk i = hA∗ z, xnk i → 0. Da jedoch auch hz, Axnk i → hz, yi gilt, folgt hz, yi = 0, ∀z ∈ H. Also muss auch y = 0 gelten. (4) ⇒ (3): Sei {xn : n ∈ N} ⊂ H eine beschränkte Folge in H. {Axn : n ∈ N} soll jetzt eine konvergente Teilfolge Haben. Da die Folge (xn )n∈N beschränkt ist, hat diese eine schwach konvergente Teilfolge, da H als Hilbertraum reflexiv ist. Also haben wir w − lim xnk = x ⇒ w − lim xnk = 0 ⇒ kAxnk − Axk → 0. k→∞ k→∞ 51 Korollar 6.37. K(H) ist ein bezüglich der Norm-Topologie abgeschlossener Teilraum von L(H). Das heißt ∀{An : n ∈ N} ⊂ K(H) und kAn − Ak → 0 in L(H), haben wir A ∈ K(H). Beweis. Sei (xn )n∈N ⊂ B1 (0) eine Folge. Wir wollen zeigen, dass (Axn )n∈N eine stark konvergente Teilfolge besitzt. Betrachte dazu {A1 xn : n ∈ N} =: M1 , da A1 kompakt ist existiert {A1 xn1 (k) : k ∈ N}, wobei diese Teilfolge stark konvergiert. Betrachte jetzt {A2 xn1 (k) : k ∈ N} =: M2 , da A2 kompakt ist, existiert {A2 xn2 (k) : k ∈ N} ⊂ M2 , wobei diese Teilfolge stark konvergent. Wir setzen dieses Verfahren fort und betrachten anschliessend die Diagonalfolge {xnk (k) : k ∈ N} =: {yk : k ∈ N}. Es sei ε > 0 und N ∈ N so groß gewählt, dass kyj − yk k < ε, ∀j, k ≥ N gilt. Für n ∈ N und j, k ≥ N gilt dann kAyj − Ayk k ≤ kAyj − An yj k + kAn yj − An yk k + kAn yk − Ayk k ≤ kA − An k · kyj k + kAn k · kyj − yk k + kAn − Ak · kyk k ε → kAk · kyj − yk k < kAk = ε, für n → ∞. kAk Bemerkung 6.38. K(H) ⊂ L(H) ist ein abgeschlossener Unterraum. Wegen A, B ∈ L(H) ⇒ AB ∈ L(H) ist L(H) eine Algebra von stetigen linearen Operatoren. Wegen obigen Ergebnissen bildet K(H) ein zweiseitiges Ideal in L(H). 7 Spektraltheorie von Operatoren - Übersicht Zur Motivation betrachte den Fall dim H < ∞, also H ' CN und somit L(CN ) ' MN (C) (N × N Matrizen). CN hat eine Basis {e1 , e2 , . . . , eN }. Also ist jedes A ∈ L(H) ⇒ A als obere Dreiecksmatrix und Jordan-Normalform darstellbar. Das Spektrum von A sind die Eigenwerte λ ∈ C mit Ax = λx, wobei x ∈ CN Eigenvektor ist. Sp(A) := { alle Eigenwerte }. Sei jetzt A selbstadjungiert, dann existiert U ∈ U (CN ) mit U −1 AU = diag(λ1 , . . . , λN ) mit λ1 , . . . , λN ∈ Sp(A) ⊂ C. Für jeden selbstadjungierten Operator gibt es eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren in CN , so dass A eine Darstellung als Diagonalmatrix besitzt. A e := ∞ X Ak k=0 k! = diag(eλ1 , . . . , eλN ). Beispiel 7.1. 1. H = L2 ([0, 1]) mit (Af )(t) := tf (t), f ∈ L2 , A∗ = A. Was sind die Eigenwerte bzw. Eigenvektoren? Af = λf, λ ∈ C ⇔ tf (t) = λf (t) Sei jetzt f (t) := δ(t − λ) = δλ (t), ∀λ ∈ [0, 1]. Dann gilt f λ = δλ und für alle φ ∈ C([0, 1]) auch Z Z tδλ (t)φ(t)dt = λφ(λ) = λ φ(t)δλ (t)dt ⇒ tδλ (t) = λδλ (t). 2. Ax = λx, x ∈ H, A ∈ L(H), so ist (A − λI) : H −→ H und (A − λI)x = 0 ⇔ ist nicht invertierbar, also (A − λI) 6∈ L(H). H = CN , (A − λI) = (A − λ) ist nicht invertierbar ⇔ λ ∈ Sp(A). 52 Definition 7.2. Sei A ∈ L(H). Die Resolventenmenge ρ(A), ist die Menge aller z ∈ C mit (1) A − zI : H −→ H ist injektiv, (2) D(A − z)−1 = R(A − zI) = H, (3) (A − zI)−1 ∈ L(H) Die Familie von Operatoren R(z, A) := (A − zI)−1 , z ∈ ρ(A) heißt Resolvente von A. z 7−→ R(z, A) = (A − zI)−1 ∈ L(H) heißt Resolventenabbildung. Beispiel 7.3. Sei H = L2 ([0, 1]), betrachte wieder (Af )(t) = tf (t). Dann ist (A − zI)−1 = und t ∈ [0, 1], so bekommen wir 1 t−z . Sei z ∈ C\[0, 1] 1 1 ≤ < ∞. |t − z| min |t − z| t∈[0,1] Und für jedes z ∈ [0, 1], ist und ρ(A) = C\[0, 1]. 1 t−z unbeschränkt auf t ∈ [0, 1], also ist z ∈ Sp(A). Also Sp(A) = [0, 1] Lemma 7.4 (Neumann-Reihe). Sei C ∈ L(H) mit kCk < 1. Dann existiert (1 − C)−1 und es ∞ P C n. gilt (1 − C)−1 = n=0 Beweis. n P C k → S. Setze Sn := k=0 Damit gilt (1 − C)Sn = I − C n+1 → I, sowie Sn (I − C) = I − C n+1 → I. Denn wir haben kC n+1 k ≤ kCkn+1 → 0. Satz 7.5. Sei A ∈ L(H). Dann ist ρ(A) offen (also Sp(A) abgeschlossen). Genauer ∀z0 ∈ ρ(A), ∀z ∈ C : |z − z0 | < und R(z, A) = ∞ P 1 ⇒ z ∈ ρ(A) kR(z0 , A)k (z − z0 )n Rn+1 (z0 , A). n=0 Beweis. Sei z ∈ C mit |z − z0 | < Also gibt es (1 − Somit haben wir 1 kR(z0 ,A)k =⇒ C := (z − z0 )R(z0 , A) ∈ P P∞ k k k C)−1 = ∞ k=0 (z − z0 ) R (z0 , A). k=0 C = L(H) mit kCk < 1. A − zI = (A − z0 I) − (z − z0 )I = (I − (z − z0 )(A − z0 I))(A − z0 I) = (I − C)(A − z0 ) ⇒ (A − zI)−1 = (A − z0 I)−1 (I − C)−1 ∞ X = R(z0 , A) (z − z0 )n Rn (z0 , A) n=0 = ∞ X (z − z0 )n Rn+1 (z0 , A). n=0 Also ist ρ(A) ⊂ C offen. 53 Literatur [1] H.W. Alt, Lineare Funktionalanalysis, Springer 4. Auflage, 2012. [2] M. Dobrowolski, Angewandte Funktionalanalysis, Springer, Berlin Heidelberg 2000. [3] N. Dunford, J. T. Schwartz, Lineare Operators, General Theory (Part I), John Wiley Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 1988. [4] E. Hille, R. Phillips, Functional Analysis and Semigroups, American Mathematical Society, 1957. [5] M. Reed, B. Simon, Methods of Modern Mathematical Physics I, Functional Analysis, Academic Press, Inc., 1980. [6] M. Reed, B. Simon, Methods of Modern Mathematical Physics II, Furier Analysis, SelfAdjointness, Academic Press, Inc., 1975. [7] D. Werner, Funktionalanalysis, Springer 3. Auflage, Berlin 2000. [8] K. Yosida, Functional Analysis, 6. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 1995 . 54