- •Функціональний аналіз
- •Вступ. Короткі історичні відомості
- •Метричні простори
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Послідовності в метричних просторах. Збіжність
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Контрольні запитання.
- •Відображення метричних просторів
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Повнота метричних просторів
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Теорема банаха та її застосування
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Компакти
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Лема гейне-бореля
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Лінійні, нормовані та евклідові простори
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Лінійні оператори і лінійні функціонали
- •Контрольні запитання.
- •Вправи.
- •Розв’язання.
- •Задачі.
- •Лінійні додатні оператори
- •Контрольні запитання.
- •Контрольна робота Зразок контрольної роботи.
- •Розв’язання.
- •Програмні питання до екзамену
- •Література
Контрольні запитання.
Дати означення відображення множини
у простір
.Дати означення неперервності відображень та гомеоморфізму.
Сформулювати критерій неперервності.
Сформулювати теорему про зв’язність образу при неперервному відображенні.
Дати означення рівномірної неперервності відображення.
Вправи.
Навести приклади відображень з простору R1 в R1; з R2 в R1; з С[a,b] в R1; з С[a,b] в С[a,b] .
Дано оператор Фредгольма
,
причому всі функції, які тут фігурують
неперервні на замкнених множинах.
Довести неперервність даного відображення.Чи буде неперервним відображення А простору C[0,1] в себе, що діє за формулою
,
де
– задана
неперервна функція.Дана функція
.
Довести на мові “
”
неперервність функції в точціх=5.
Розв’язання.
1. Прикладами таких
відображень можуть бути відображення:
,
,
,
,
де
–
фіксована
функція, а
– довільна.
2. Доведемо
неперервність відображення за Гейне,
тобто на мові послідовностей. Нехай
маємо послідовність неперервних функцій
,
які прямують доx(s)
в тому розумінні, що
,
при
.
Тоді
![]()
=
,
при
,
.
Неперервність відображення доведена.
3. Дане відображення буде неперервним. В цьому можна переконатись точно так само, як це було зроблено в попередньому прикладі.
4. В точці х=5
функція визначена:
.
Задамо
.
Складемо різницю
,
оцінимо її за модулем. При
для значеньх,
які задовольняють нерівності
,
буде також виконуватись нерівність:
.
Якщо тепер покласти
,
то при значеннях х, для яких
,
буде виконуватись нерівність
.
Неперервність функції при х=5 доведена.
Задачі.
Навести приклади відображень: R1 в R1; з Rn в R1; з Rn в Rn; з С[a,b] в R1; з С[a,b] в С[a,b] ; з R1 в Rn.
Довести за означенням на мові “
”
неперервність функції
в
точці
x0.Довести що функції у=х і у=sinx рівномірно неперервні на всій числовій осі.
Довести, що функція
неперервна на інтервалі
,
але не є рівномірно неперервною на
цьому проміжку.Навести приклад неперервного відображення, яке не є гомеоморфізмом.
Довести неперервність числової функції
в будь-якому
метричному просторі.Довести неперервність векторної функції
числового аргументуt,
якщо координатні функції
неперервні.Довести неперервність відображення:
–фіксована точка
сегменту
.
![]()
де
– довільний вектор,
–фіксований
вектор.
–
;
Тут матриця
коефіцієнтів
і стовпець вільних членів (bs),
(i=1,2,...,n)
задані,
змінний довільний векторx.
Повнота метричних просторів
В математичному аналізі фундаментальну роль відіграє критерій Коші збіжності числової послідовності (для того щоб послідовність була збіжна необхідно і достатньо щоб вона була фундаментальна). Цей критерій характеризує повноту метричного простору R , або числової прямої (на числовій осі немає дірок). Але цей критерій перестає бути справедливим в довільному просторі.
Приклад.
Дійсно нехай маємо проміжок (0,1). Відстань
задамо так:
.
Розглянемо послідовність:
.
Очевидно, що при
,
границею нашої послідовності буде нуль,
але нуль не належить нашому простору.
Розглянемо інший
приклад: множину раціональних чисел і
послідовність
,
при
границею цієї послідовності буде числое,
яке є ірраціональним.
Означення.
Метричний простір
називаєтьсяповним,
якщо будь-яка фундаментальна послідовність
в цьому просторі має границю.
Приклад.
Дослідимо на повноту простір
,
,
.
Розглянемо довільну фундаментальну
послідовність складену із елементів
такого простору. Такою послідовністю
тут може бути така послідовність:
скінчена кількість першихn
членів послідовності буде довільними
елементами, а починаючи з (n+1)-го,
якийсь один із елементів повторюватиметься
(інших випадків не може бути). Границею
такої послідовності буде очевидно
елемент, що повторюватиметься, він
належатиме простору N,
отже такий простір повний за означенням.
В математичному аналізі важливу роль відіграє теорема Кантора про систему вкладених і стискуючих сегментів, довжини яких прямують до нуля, яка стверджує, що така система має одну спільну точку. Цей факт виражає факт повноти числової прямої. Аналогічну роль відіграє теорема про вкладені одна в одну кулі.
Теорема 1. Будь-яка система вкладених одна в одну замкнених куль радіуси, яких прямують до нуля, мають в повному метричному просторі не порожній перетин.
Доведення. Дано:
Послідовність вкладених куль B1(x1,r1)B2(x2,r2)…Bn(xn,rn)…,
Кулі
– замкнені,
,Простір повний.
Довести, що кулі
мають не порожній перетин. Розглянемо
послідовність центрів куль х1,х2,…,хn.
Ця послідовність буде фундаментальною.
Справді, при n
і m>n,
(xn,xm)<rn
0, що
означає
фундаментальність. В силу повноти
простору ця послідовність має границю
.
Покажемо щох
належить всім кулям. Дійсно, х
є граничною точкою для кожної кулі, бо
в будь-якому її околі міститься нескінченна
кількість точок кожної з куль. В силу
замкненості куль, х
належатиме кожній кулі, а значить
належить перетину.
Теорема 2. Замкнений підпростір повного простору повний.
Доведення.
Дано (Х,)
– повний простір і (Y,)(Х,)
– замкнений. Довести (Y,)
– повний. Розглянемо довільну
фундаментальну послідовність уn(Y,
)(Х,
).
Простір (Х,)
– повний простір, отже ця послідовність
має в ньому границю:
.
Алеу
– гранична точка множини
(Y,),
а
(Y,)
– замкнений, значить містить всі свої
граничні точки,
.
Теорему доведено.
Повнота деяких важливих метричних просторів.
Теорема 1. Простір Rn – повний.
Доведення.
Розглянемо довільну фундаментальну
послідовність у цьому просторі
.
Отже,
![]()
N,
що як тільки m,k
>
N,
то
![]()
![]()
,…,
,
а це є умови фундаментальності
послідовностей відповідних координат
в просторі
R1,
але простір R1
– повний, тому будуть існувати границі:
,…,
.
Складемо елемент
простору Rn
,
який і буде границею нашої фундаментальної
послідовності (оскільки в цьому просторі
по координатна збіжність рівносильна
збіжності за відстанню).
Теорему доведено.
Теорема 2. Простір С[a,b] – повний.
Доведення.
Нехай {
}
– довільна фундаментальна послідовність.
Для
,![]()
.
Обґрунтуємо існування границі даної
послідовності. Зафіксуємо
,
одержимо числову послідовність
,
яка буде фундаментальною, і тому в цьому
просторі вона матиме границюx(t0).
Оскільки t0
ми вибрали
довільно, то буде існувати границя при
.
Позначимо її черезx(t).
Перейшовши в
нерівності
до границі, коли
,
дістанемо
.
Остання нерівність означає, щоxm(t)
прямує до
граничної функції рівномірно. Тоді за
відомою теоремою з математичного аналізу
неперервна.
Теорему доведено.
Теорема 3.
Простір
– повний.
Доведення.
Розглянемо в цьому просторі довільну
фундаментальну послідовність
.
Причому ряд
– збіжний. Запишемо умову фундаментальності:![]()
![]()
![]()
,
....................................
,
....................................
Останні нерівності означають, що числові послідовності координат фундаментальні. Але простір R1 – повний, тому існують границі:
,
..........................
,
..........................
Складемо такий
вектор
.
Він і буде границею вихідної фундаментальної
послідовності.Для
цього достатньо показати, що
1) послідовність
за метрикою даного простору;
2)
,
тобто ряд
– збіжний.
Доведемо коротко перший факт.
Оскільки послідовність
фундаментальна, то справедливою буде
нерівність:
,
для
і такого
,
що
.
Тоді для
будемо мати:
.
Здійснимо
граничний перехід при
,
і будемо мати:
.
Оскільки М – довільне, матимемо:
,
а це і означає, що вибрана послідовність
прямує до граничного вектора:
.
Доведемо другий
факт, а саме що
,
тобто ряд
–
збіжний.
Використаємо нерівність
.
Поклавши
,
і, підставивши їх в нерівність, отримаємо:
.
Ряди, членами яких є
та
є збіжними, звідси слідує, що ряд членами,
якого є
також буде збіжним, а це означає, що
граничний елемент
l2.
Отже, l2–
повний.
Теорему доведено.
Означення. Метричний простір R* називається поповненням простору R, якщо виконується три умови:
Простір R*
R,R всюди щільний в просторі R*,
R* – повний.
Теорема. Усякий неповний метричний простір R можна поповнити, і причому єдиним чином.
