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authorUlli Kehrle <ulli.kehrle@rwth-aachen.de>2017-12-22 13:50:08 +0100
committerUlli Kehrle <ulli.kehrle@rwth-aachen.de>2017-12-22 13:50:08 +0100
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-rw-r--r--ch06-schwache-topologien.tex284
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diff --git a/ch05-hahn-banach.tex b/ch05-hahn-banach.tex
index 018207f..88b7edb 100644
--- a/ch05-hahn-banach.tex
+++ b/ch05-hahn-banach.tex
@@ -454,7 +454,7 @@ Insbesondere ist $(L^1(Ω))'$ isometrisch isomorph zu $L^∝(Ω)$.
\end{proof}
\begin{korollar-nn}
- $\ell^p$ und $\ell^p)''$ sind isometrisch isomorph.
+ $\ell^p$ und $(\ell^p)''$ sind isometrisch isomorph.
Diese Isometrie ist kanonisch (vermöge $J_0$) (vgl, Def 5.4.1, Übung).
Also sind $\ell^p$, $ < p < ∞$ reflexiv, es gilt
\[
@@ -553,6 +553,7 @@ Wähle dafür $x = ±1$ an den Zwischenpunkten des Riemann"=Stieltjes"=Integrals
+
%%% Local Variables:
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "funkana-ebook"
diff --git a/ch06-schwache-topologien.tex b/ch06-schwache-topologien.tex
index 73109c7..77492d0 100644
--- a/ch06-schwache-topologien.tex
+++ b/ch06-schwache-topologien.tex
@@ -44,9 +44,293 @@ Zu $x' ∈ X'$ fest und $ε > 0$ sei
Übung.
\end{proof}
\begin{bemerkung-nn}
+ Sei $\T_2 ⊂ \T_1$, also $\T_1$ feiner als $\T_2$. Dann hat $\T_1$
+ \begin{itemize}
+ \item
+ mehr offene Mengen,
+ \item
+ mehr abgeschlossene Mengen, aber
+ \item
+ weniger kompakte Mengen,
+ \item
+ mehr stetige Abbildungen nach $\K$ (oder in einen anderen topologischen Raum), aber
+ \item
+ weniger konvergente Folgen.
+ \end{itemize}
+\end{bemerkung-nn}
+\begin{bemerkung-nn}
$(X,\T_w)$ ist ein topologischer linearer Raum, also folgt aus dem Invarianzprinzip, dass die Topologie bereits vollständig durch die offenen Umgebungen der Null bestimmt ist.
\end{bemerkung-nn}
+
+\begin{bemerkung}
+ Sei $P := \{ p_{x'}: X → ℝ: x' ∈ X', p_{x'}(x) := | \lAngle x', x \rAngle |\}$.
+ Dann ist $P$ eine Familie von Halbnormen auf $X$, die die Bedingung (I) aus dem Satz 3.3.15 erfüllt, % TODO,
+ das heißt, wenn $p_{x'}(x) m = 0 $ für alle $x' ∈ X'$, dann ist bereits $x = 0$ dank Hahn-Banach.
+ Damit ist $(X, \T_w)$ sogar ein \emph{lokalkonvexer} Hausdorff"=Raum (insbesondere sind die $U(x',ε)$ und endliche Schnitte davon eine konvexe Umgebungsbasis der Null).
+\end{bemerkung}
+
+\begin{bemerkung}
+ Es gilt $\T_w = \T_s \iff \dim X < ∞$, das heißt in der Regel ist $\T_w \subsetneq \T_s$, also es gibt echt weniger schwach offene Mengen als stark offene (Beispiel in der Übung).
+ Deswegen gibt es auch \emph{mehr} schwach konvergente Folgen.
+\end{bemerkung}
+
+\begin{satz}
+ Sei $(x_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Folge in $X$.
+ Dann konvergiert $(x_n)_{n ∈ ℕ}$ in der schwachen Topologie gegen $x_0 ∈ X$ genau dann, wenn $\lim\limits_{n → ∞} \lAngle x', x \rAngle = \lAngle x', x_0 \rAngle$ für alle $x' ∈ X'$ gilt.
+\end{satz}
+\begin{proof}
+ Übung.
+\end{proof}
+\begin{bemerkung-nn}
+ Wir schreiben für die schwache Konvergenz $x_n \xrightharpoonup[n → ∞]{} x_0$.
+ Im Beispiel zur Definition 5.4.5 haben wir gesehen, dass $e_i \xrightharpoonup[n→∞]{} 0$ in $\ell^2$.
+\end{bemerkung-nn}
+Nach Satz 1.6 sind alle $x' ∈ X'$ als Abbildungen
+\[
+ x': (X, \T_w) → \K
+\]
+folgenstetig. Nach Definition ist aber auch $x': (X, \T_s) → \K$ stetig.
+Tatsächlich ist $\T_w$ die gröbste Topologie auf $X$, das heißt die mit den wenigsten offenen Mengen), bezüglich der alle $x' ∈ X'$ stetig sind.
+Beachte
+\[
+ U(x', ε) = (x')^{-1}(B_ε(0)),
+\]
+und $B_ε(0)$ ist eine offene Menge in $\K$, also wird die Topologie gerade durch die Urbilder einer Umgebungsbasis unter den $x'$ erzeugt, das heißt nach Konstruktion ist sie gerade so gemacht, dass alle $x'$ stetig werden, aber es werden nicht mehr offene Mengen hinzugenommen.
+$\T_w$ ist also die Initialtopologie bezüglich aller $x'$.
+
+\subsection*{Schwach$*$-Topologie auf $X'$}
+Zu $X'$ (also einem Banachraum) existiert auch $X'' = (X')'$ und ist wieder ein Banachraum.
+Damit existiert auf $X'$ eine schwache Topologie $(X',\T_{w,X'})$ mit Umgebungsbasis
+\[
+ U(x'',ε) ⊂ X'
+\]
+zu $x'' ∈ X''$ fest und $ε > 0$ und endlichen Schnitten davon.
+$X'$ lässt sich aber auch noch anders topologisieren.
+Sei $x ∈ X$ fest und $ε > 0$ gegeben.
+Dann definiere
+\[
+ U'(x, ε) \coloneq \{ x' ∈ X': |\lAngle x', x \rAngle| < ε\} ⊂ X'.
+\]
+\begin{definition}
+ Eine Menge $V' ⊂ X'$ heißt offen bezüglich der \emph{scwhach$*$-Topologie}, falls zu jedem $x_0' ∈ V'$ endlich viele $x_1,…,x_k ∈ X$, $ε_1,…,ε_n > 0$ existieren, so dass
+ \[
+ x_0' + \bigcap_{i=1}^n U'(x_i, ε_i) ⊂ V'.
+ \]
+ Wir schreiben für diese Topologie $(X',\T_{w*,X'})$.
+\end{definition}
+
+\begin{satz}
+ $X'$ ist bezüglich der schwach$*$"=Topologie ein topologischer linearer Raum, der Hausdorffsch ist.
+ Die $U'(x, ε)$ und endliche Schnitte davon sind Umgebungsbasis der Null in $X'$ für $\T_{w*,X'}$.
+\end{satz}
+\begin{proof}
+ ähnlich wie bei der schwachen Topologie.
+\end{proof}
+
+\begin{warnung-nn}
+ Eine „schwach$*$-Topologie“ auf $X$ geht offenbar \emph{nicht}.
+\end{warnung-nn}
+
+\begin{bemerkung}
+ Die schwach$*$ ist eine weitere Abschwächung der schwachen Topologie.
+ Betrachte dazu den kanonischen Isomorphismus
+ \[
+ J_0: X → X'', \quad ∀x ∈ X': \lAngle J_0 x, x' \rAngle = \lAngle x', x \rAngle.
+ \]
+ Definitionsgemäß ist $J_0$ genau dann surjektiv, wenn $X$ reflexiv ist.
+ Dann ist
+ \[
+ U'(x,ε) = \{ x' ∈ X' : |\lAngle J_0 x, x' \rAngle| < ε\} =
+ U(J_0 x, ε).
+ \]
+ Damit $U'(x,ε) ∈ \T_{w,X'}$, also
+ \[
+ \T_{w^*,X'} ⊂ \T_{w, X'} ⊂ \T_{s, X'}
+ \]
+\end{bemerkung}
+\begin{korollar-nn}
+ Falls $X$ reflexiv ist, so stimmen $\T_{w*,x'}$ und $\T_{w,X'}$ überein.
+\end{korollar-nn}
+\begin{proof}
+ klar.
+\end{proof}
+
+Für den Konvergenzbegriff gilt analog zu Satz 1.6
+\begin{satz}
+ Sei $(x'_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Folge in $X'$.
+ Dann konvergiert $(x_n')_{n ∈ ℕ}$ in $(X',\T_{w^*,X'})$ gegen $x_0' ∈ X'$ genau dann, wenn
+ $\lim_{n → ∞} \lAngle x_n', x \rAngle = \lAngle x_0', x \rAngle$ für alle $x ∈ X$.
+ Wir schreiben dafür $x_n' \xrightharpoonup[n→∞]{*} x_0$.
+\end{satz}
+
+\begin{proof}
+ Übung.
+\end{proof}
+
+\begin{bemerkung}
+ \begin{enumerate}
+ \item
+ Grenzwerte von schwach (schwach$*$) konvergenten Folgen sind eindeutig bestimmt.
+ \item
+ Normkonvergenz implizierte schwache Konvergenz impliziert schwach$*$-Konvergenz.
+ \end{enumerate}
+\end{bemerkung}
+\begin{proof}
+ \begin{enumerate}
+ \item
+ Für die schwache Topologie:
+ Falls $x'[x_0] = x'[\tilde x_0]$ für alle $x' ∈ X$, so impliziert Hahn-Banach bereits $x_0 = \tilde x_0$.
+ \item
+ Folgt direkt aus den entsprechenden Inklusionen der Topologien.
+ \end{enumerate}
+\end{proof}
+
+\begin{satz}
+ \begin{enumerate}
+ \item
+ Aus $x_k' \xrightharpoonup[n → ∞]{*} x'$ in $X'$ folgt
+ \[
+ \norm{x'}_{X'} \le \liminf_{k → ∞} \norm{x'_k}_{X'}.
+ \]
+ \item
+ Aus $x_k \xrightharpoonup[n → ∞]{} x$ in $X$ folgt
+ \[
+ \norm{x}_{X} ≤ \liminf_{k → ∞} \norm{x_k}_{X}.
+ \]
+ \end{enumerate}
+\end{satz}
+\begin{proof}
+ \begin{enumerate}
+ \item
+ Für alle $ ∈ X $ gilt:
+ \[
+ |\lAngle x', x \rAngle| \xleftarrow[n → ∞]{} | \lAngle x_k' x \rAngle |
+ \le \norm{x}_{X} \norm{x'_k}_{X'},
+ \]
+ also
+ \[
+ | \lAngle x', x \rAngle | \le \underbrace{\left( \liminf_{k → ∞} \norm{x'_k}_{X'} \right)}_{\eqcolon M} \norm{x}_X,
+ \]
+ das heißt $\norm{x'}_{X'} ≤ M$, was die Behauptung impliziert.
+ \item
+ Gelte $x_k \xrightharpoonup[k→∞]{} x$
+ Wie gerade folgt für alle $x' ∈ X'$
+ \[
+ | \lAngle x', x \rAngle | ≤
+ \norm{x'} \left( \liminf_{k → ∞} \norm{x_k}_X \right).
+ \]
+ nach Kapitel, Kor 2.1 (Existenz von nichttrivialen Funktionalen) existiert zu $x ∈ X$ fest ein $x' ∈X'$ mit
+ \[
+ \lAngle x', x \rAngle = \norm{x}, \quad \norm{x'}_{X'} = 1,
+ \]
+ woraus
+ \[
+ \norm{x}_{X} \le \liminf_{k → ∞} \norm{x_k}_{X}
+ \]
+ folgt, was die Behauptung war.
+ \end{enumerate}
+\end{proof}
+
+\section{Schwach- und schwach$*$-kompakte Einheitskugeln}
+\begin{satz}
+ Sei $(X,\norm-)$ separabel.
+ Dann ist die (stark) abgeschlossene Einheitskugel $\cl{B_1}(0) = \{ x' ∈ X': \norm{x'} ≤ 1\} ⊂ X'$ schwach$*$-folgenkompakt.
+\end{satz}
+\begin{proof}
+ Sei $\{x_n\}_{n ∈ ℕ}$ eine dichte Teilmenge von $X$.
+ Sei $(x'_{k ∈ ℕ})$ eine Folge in $X'$ mit $\norm{x'_k}_{X'} ≤ 1$ für alle $k ∈ ℕ$.
+ Wir konstruieren ein $x' ∈ \cl{B_1(0)}$ mit $x'_k \xrightharpoonup[k→∞]{*}$ (für eine Teilfolge).
+ Für $n ∈ ℕ$ ist $(\lAngle x_k', x_n \rAngle)_{k ∈ ℕ}$ eine beschräkte Folge in $\K$, denn $|\lAngle x'_k, x_n \rAngle | \le \norm{x_n} \cdot 1 \; (*)$.
+
+ Durch das Diagonalverfahren finden wir eine Teilfolge $(x_{k_m})_{m ∈ ℕ}$, so dass für alle $n ∈ ℕ$ gilt
+ \[
+ \lim_{m → ∞} \lAngle x'_{k_m},x_n \rAngle \;\;\text{existiert}:
+ \]
+ Dazu gibt es wegen (*) zu $x_1$ eine Teilfolge $(x_{k,1}')_{k ∈ ℕ} ⊂ (x'_k)_{k ∈ ℕ}$ mit
+ \[
+ (\lAngle x'_{k,1}, x_1 \rAngle)_{k ∈ ℕ} \;\;\text{konvergiert in } \K.
+ \]
+ Analog können wir zu $x_2$
+ eine Teilfolge $(x_{k,2}')_{k ∈ ℕ} ⊂ (x'_{k,1})_{k ∈ ℕ}$ finden mit
+ \[
+ (\lAngle x'_{k,2}, x_2 \rAngle)_{k ∈ ℕ} \;\;\text{konvergiert in } \K
+ \]
+ und weiterhin
+ \[
+ (\lAngle x'_{k,2}, x_1 \rAngle)_{k ∈ ℕ} \;\;\text{konvergiert in } \K.
+ \]
+ Induktiv: Zu $x_m$, $m ∈ ℕ$ existiert eine Teilfolge $(x'_{k,m})_{k ∈ ℕ} ⊂ (x'_{k,m-1})_{k ∈ ℕ}$, so dass
+ \[
+ ∀j ≤ m : (\lAngle x'_{k,m}, x_j \rAngle)_{k ∈ ℕ} \;\;\text{konvergiert in } \K.
+ \]
+ Für die Diagonalfolge $(x'_{m,m})_{m ∈ ℕ} ⊂ (x'_k)_{k ∈ ℕ}$ gilt also
+ \[
+ ∀n ∈ ℕ : (\lAngle x'_{m,m}, x_n \rAngle)_{m ∈ ℕ} \;\;\text{konvergiert in } \K.
+ \]
+ Setze nun $x'_{k_m} \coloneq x"_{m,m}$.
+ Sei nun O.B.d.A $x'_{k_m} = x'_k$.
+
+
+ Nun konstruieren wir ein $x'$ mit der gewünschten Eigenschaft.
+ Setze $Y := \lspan \{ x_n: n ∈ ℕ\} ⊂ X$.
+ Dann liegt $Y$ immer noch dicht in $X$.
+ Dann gilt für $y ∈ Y$ beliebig auch
+ \[
+ \lim_{k → ∞} \lAngle x'_k, y \rAngle \;\;\text{existiert in } \K.
+ \]
+ Wir definieren $x' : Y → \K$ linear mit
+ \begin{equation}
+ \label{eq:23}
+ \lAngle x', y \rAngle \coloneq \lim_{k -^∞} \lAngle x'_k, y \rAngle.
+ \end{equation}
+ Wir behaupten $x' ∈ Y'$. Dazu ist
+ \[
+ | \lAngle x', y \rAngle | = \lim_{k → ∞} |\lAngle x'_k, y \rAngle | ≤ \norm{y} \limsup_{k → ∞} \norm{x_k'}_{X'} ≤ \norm{y}.
+ \]
+ Damit ist $x'$ auf $Y$ beschränkt, also stetig.
+ Außerdem gilt $\norm{x'}_{Y'} ≤ 1$.
+ $x'$ lässt sich als dicht definierte stetige lineare Abbildung eindeutig fortsetzen (Kapitel 5, Satz 1.2) auf $\cl Y = X$.
+ Also $x' ∈ X'$ und $\norm{x'}_{X'} = \norm{x'}_{Y'} ≤ 1$.
+ Also $x' ∈ \cl{B_1(0)} ⊂ X'$.
+
+ Bleibt noch zu zeigen: $x'_k \xrightharpoonup[k→∞]{*} x'$.
+ Sei dazu $x ∈ X$ beliebig und $y ∈ Y$ mit $\norm{x-y}_{X} < ε$ (geht weil $\cl Y = X$).
+ Dann
+ \[
+ | \lAngle x' - x'_k, x \rAngle |
+ ≤ | \lAngle x' - x'_k, x-y \lAngle| + |\lAngle x'-x'_k, y \rAngle|
+ ≤ 2 \norm{x-y} + ε < 3 ε.
+ \]
+ Also ist schwache Konvergenz gezeigt und die Behauptung folgt.
+\end{proof}
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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