Простір Lp
Просторами в математиці називаються простори вимірних функцій, які при піднесенні до степеня (де ) є інтегровними за Лебегом.
— найважливіший клас банахових просторів. Окрім того, — класичний приклад гільбертового простору.
Побудова простору Lp
Визначення 1. Нехай задано простір з мірою . Зафіксуємо і розглянемо множину вимірних функцій, визначених на цьому просторі, таких що
Позначимо цю множину або просто .
Теорема 1. є лінійним простором. Доведення одержується з елементарних властивостей інтеграла Лебега, а також нерівності Мінковського.
На цьому лінійному просторі можна ввести напівнорму:
Додатність і однорідність є наслідками властивостей інтеграла Лебега, а нерівність Мінковського є нерівністю трикутника для цієї напівнорми.
Замітка 1. Введена таким чином напівнорма не є нормою, бо якщо майже всюди, то , що суперечить вимогам до норми. Щоб перетворити простір з напівнормою в простір з нормою, необхідно ототожнити функції, що розрізняються між собою лише на множині міри нуль.
Визначення 2. Введемо на відношення еквівалентності:
- , якщо майже всюди.
Це відношення розбиває простір на класи еквівалентності, причому напівнорми будь-яких двох представників одного і того ж класу збігаються.
Тоді на побудованому фактор-просторі (тобто множині класів еквівалентності) можна ввести норму рівну напівнормі будь-якого представника даного класу. За визначенням, всі аксіоми напівнорми збережуться, і додатково через викладену побудову виявляється виконаною і додатна визначеність.
Визначення 3. Фактор-простір з побудованою на ньому нормою називається простором або просто .
При , не утворюють нормованого простору, оскільки не виконується нерівність трикутника (точніше, виконується зворотна нерівність трикутника: при ), проте утворюють метричні простори.
Повнота простору Lp
Введена вище норма разом з лінійною структурою породжує метрику
а отже і поняття збіжності.
Визначення 3. Нехай є послідовність функцій . Тоді ця послідовність збігається до функції , якщо
- при
Теорема 2. Простір є повним, тобто будь-яка фундаментальна послідовність збігається до елементу цього ж простору. Таким чином, — банахів простір.
Простір L2
У випадку введена вище норма породжується скалярним добутком. Таким чином, разом з поняттям довжини тут має сенс і поняття кута, а отже і суміжні поняття, такі, як ортогональність, проекція і ін.
Визначення 4. Введемо на просторі скалярний добуток таким чином:
у випадку, якщо дані функції комплекснозначні, або
якщо вони дійсні. Тоді, очевидно:
тобто норма породжується скалярним добутком. Використовуючи це разом з результатом про повноту будь-якого , одержуємо:
Теорема 3. Простір — гільбертів.
Простір L∞
Розглянемо простір вимірних функцій, обмежених майже усюди. Ототожнивши між собою функції, що розрізняються лише на множині міри нуль, і поклавши за визначенням
одержуємо банахів простір.
Метрика, що породжується цією нормою, називається рівномірною. Так само називається і збіжність, породжена такою метрикою:
- у , якщо при .
Властивості просторів Lp
- Із збіжності функцій майже всюди не випливає збіжність в просторі . Нехай при і при , . Тоді майже всюди. Але . Зворотне твердження також невірне.
- Якщо при , то існує підпослідовність , така що майже всюди.
- функції на числовій прямій можуть бути наближені гладкими функціями. Нехай — підмножина , що складається з нескінченно гладких функцій. Тоді всюди щільна в .
- — сепарабельний простір.
- Якщо — скінченна міра, наприклад, ймовірність, і , то . Зокрема , тобто випадкова величина зі скінченним другим моментом має скінченний перший момент.
Простори спряжені Lp
Нехай є простором спряженим до (так званий копростір). За визначенням, елемент є лінійним функціоналом на .
Теорема 4. Якщо , то ізоморфний (пишемо ), де . Будь-який лінійний функціонал на має вигляд:
де .
Через симетрію рівняння сам простір є дуальним (з точністю до ізоморфізму) до , а отже:
Цей результат справедливий і для випадку , тобто . Проте і, зокрема .
Простори lp, 1 ≤ p ≤ ∞
Нехай , де — зліченна міра на , тобто . Тоді якщо , то й простір є множиною послідовностей , таких що
Відповідно, норма на цьому просторі задається
Одержаний нормований простір позначається .
Якщо , то ми розглядаємо простір обмежених послідовностей з нормою
Одержаний нормований простір позначається . Він є прикладом несепарабельного простору.
Як і в загальному випадку, поклавши , ми одержуємо гільбертів простір , норма якого породжена скалярним добутком
якщо послідовності комплекснозначні, і
якщо вони дійсні.
Простір, дуальний , де ізоморфний , .
Див. також
Література
- Колмогоров А. Н., Фомин С. В. Элементы теории функций и функционального анализа. — 4-е изд. — Москва : Наука, 1976. — 544 с. — ISBN 5-9221-0266-4.(рос.)
- Треногин В. А. Функциональный анализ. — М.: Наука, 1980. — 495 с.