Institut für Analysis Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Prof. Dr. Wolfgang Reichel Nichtlineare Randwertprobleme – Wintersemester 2015/2016 Handout Funktionalanalysis Definition 1 (Banach-Raum) Ein Paar (X, k · k) heisst normierter Raum, falls X ein Vektorraum über dem Köper K (K = R oder K = C) ist und falls gilt (i) kxk ≥ 0 für alle x ∈ X und kxk = 0 ⇔ x = 0, (ii) kλxk = |λ|kxk für alle x ∈ X, λ ∈ K, (iii) kx + yk ≤ kxk + kyk für alle x, y ∈ X. Für eine Folge (xk )k∈N in X und ein Element x ∈ X sagt man x = lim xk k→∞ falls limk→∞ kxk − xk = 0. x heisst dann Grenzwert der Folge (xk )k∈N . Eine Folge (xk )k∈N heisst Cauchy-Folge, falls für jedes > 0 ein K0 = K0 () ∈ N existiert mit der Eigenschaft: aus k, l ≥ K0 folgt kxk − xl k ≤ . Ein normierter Raum (X, k · k) heisst Banach-Raum, falls jede Cauchy-Folge in X einen Grenzwert in X besitzt. Definition 2 (Dualraum) Sei (X, k · k) ein normierter Raum über dem Körper K. Ein lineares Funktional φ : X → K heisst beschränkt, falls kφk := sup x6=0 |φ(x)| < ∞. kxk Die Menge X ∗ = {φ : X → K linear, beschränkt} heisst Dualraum von X. Zusammen mit der obigen Norm k · k ist X ∗ selbst ein Banach-Raum. Satz 3 (Hahn-Banach) Sei (X, k · k) ein normierter Raum und V ⊂ X ein linearer Unterraum. Ist φ ∈ V ∗ , dann gibt es ein Funktional ψ ∈ X ∗ mit ψ|V = φ und kψk = kφk. Mit anderen Worten: φ kann zu einem beschränkten linearen Funktional ψ auf X unter Erhaltung der Norm fortgesetzt werden. Definition 4 (Bidualraum, reflexive Räume) Sei (X, k · k) ein normierter Raum und X ∗∗ = (X ∗ )∗ sei der Bidualraum. Dann gibt es eine injektive Abbildung I : X → X ∗∗ mit kI(x)k = kxk mit dem Namen kanonische Injektion, die definiert ist durch ( X → X ∗∗ I: wobei I(z) gegeben ist durch I(z)φ := φ(z) z 7→ I(z), Der Raum X heisst reflexiv, falls die Abbildung I bijektiv ist. In diesem Fall schreibt man X = X ∗∗ . Beispiele: Hilbert-Räume und Lp (Ω), W k,p (Ω) für 1 < p < ∞, k ∈ N sind reflexiv. L1 (Ω) und L∞ (Ω) sind im allgemeinen nicht reflexiv. 1 Definition 5 (Separable Räume) Ein normierter Raum (X, k · k) heisst separabel, falls eine abzählbare dichte M ⊂ X existiert, d.h. M = X. Beispiele: C(Ω), falls Ω ⊂ Rn beschränkt ist und Lp (Ω) falls 1 ≤ p < ∞ und Ω ⊂ Rn messbar ist, sind separabel. L∞ (Ω) ist im allgemeinen nicht separabel. Definition 6 (Kompakte Mengen) Sei (X, k · k) ein normierter Raum und A ⊂ X. Die Menge A ⊂ X heisst (folgen-)kompakt, falls jede Folge in A eine konvergente Teilfolge mit Grenzwert in A besitzt. Bemerkung: In metrischen Räumen ist Folgenkompaktheit äquivalent zur folgenden Definition der Kompaktheit: jede offene Überdeckung von A besitzt eine endliche Teilüberdeckung. Satz 7 (Kompaktheit und Endlichdimensionalität) Sei (X, k · k) ein normierter Raum. Dann ist B1 (0) = {x ∈ X : kxk ≤ 1} kompakt genau dann wenn X endlichdimensional ist. Definition 8 (schwache, schwach∗ Konvergenz) Sei (X, k · k) ein normierter Raum und X ∗ sein Dualraum. (i) Eine Folge (xk )k∈N in X heisst schwach konvergent gegen x ∈ X, falls φ(xk ) → φ(x) für k → ∞ für alle φ ∈ X ∗ . Notation: xk * x für k → ∞. (ii) Eine Folge (φk )k∈N in X ∗ heisst schwach∗ konvergent gegen φ ∈ X ∗ , falls φk (x) → φ(x) für k → ∞ für alle x ∈ X. Notation: φk *∗ φ für k → ∞. Definition 9 (schwache/schwach∗ Folgenkompaktheit) Sei (X, k · k) ein normierter Raum und X ∗ sein Dualraum. (i) Eine Menge M ⊂ X heisst schwach folgenkompakt, falls jede Folge in M eine schwach konvergente Teilfolge mit Grenzwert in M besitzt. (ii) Eine Menge M ⊂ X ∗ heisst schwach∗ folgenkompakt, falls jede Folge in M eine schwach∗ konvergente Teilfolge mit Grenzwert in M besitzt. Satz 10 (Banach-Alaoglu) (i) Sei X separabel. Dann ist B1 (0) ⊂ X ∗ schwach∗ folgenkompakt. (ii) Sei X reflexiv. Dann ist B1 (0) ⊂ X schwach folgenkompakt. Korollar 11 (i) Sei X separabel und (φk )k∈N eine beschränkte Folge von Funktionalen in X ∗ . Dann besitzt (φk )k∈N eine schwach∗ konvergente Teilfolge. (ii) Sei X reflexiv und (xk )k∈N eine beschränkte Folge in X. Dann besitzt (xk )k∈N eine schwach konvergente Teilfolge. 2