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diff --git a/ch05-hahn-banach.tex b/ch05-hahn-banach.tex index ce92a84..018207f 100644 --- a/ch05-hahn-banach.tex +++ b/ch05-hahn-banach.tex @@ -360,8 +360,197 @@ Unser Ziel wird es nun sein, $X$ in $X''$ einzubetten. \item Ist $X$ ist reflexiv, so auch $X'$. \end{enumerate} +\end{satz} + +\section{Darstellungssätze für einige Dualräume} +\subsection*{Dualraum des $L^p(Ω)$, $1≤p < ∞$, $Ω ⊂ ℝ^n$ offen} + +\begin{satz}\label{ch05-darstellungssatz-Lp} + Zu jedem $f ∈ (L^p(Ω))'$ , $1 ≤ p < ∞$ gibt es genau ein $u ∈ L^q(Ω)$, wobei + $\frac 1 p + \frac 1 q = 1$, so dass sich $f$ als + \[ + f[x] = \int_Ω x(t) \cdot u(t) \dd t, \quad (x ∈ L^p(Ω)), + \] + darstellen lässt und es gilt + \[ + \norm{f}_{(L^p(Ω))'} = \norm{u}_{L^q(Ω)}. + \] +\end{satz} +\begin{proof} + Für $p = 2$ kennen wir die Aussage bereits, denn $L^2(Ω)$ ist ein Hilbertraum. + Für $p \ne 2$ benötigt man den Satz von Radon-Nykodyn \cite[Satz 4.30]{dobrowolski2010angewandte} +\end{proof} +Insbesondere ist $(L^1(Ω))'$ isometrisch isomorph zu $L^∝(Ω)$. +\begin{warnung-nn} + Aber $(L^∝(Ω))'$ ist \emph{nicht} isometrisch isomorph zum $L^1(Ω)$! +\end{warnung-nn} +\begin{bemerkung-nn} + Mit Hilfe von \cref{ch05-darstellungssatz-Lp} lässt sich zeigen, dass $L^p(Ω)$, $1 < p < ∞$ reflexiv sind. +\end{bemerkung-nn} +\subsection*{Dualraum des $\ell^p$, $1 <p < ∞$ } +\begin{satz} + Sei $1 < p < ∞$. + Jedes $x' ∈ (\ell^p)'$ kann mit Hilfe von genau einer Folge $α = (α_i)_{i ∈ ℕ} ∈ \ell^q$ (wobei $\frac 1 q + \frac 1 p = 1$) in der Form + \[ + x'[x] = \sum_{i=1}^∞ α_i ξ_i, \quad x = (ξ_i)_{i ∈ ℕ} ∈ \ell^p + \] + dargestellt werden. Umgekehtr definiert jedes $α ∈ \ell^q$ vermöge dieser Darstellung genau ein $x' ∈ (\ell^p)'$ Diese Zuordnung + \[ + Z: (\ell^p)' → \ell^q, \; x' ↦ α + \] + ist ein Normisomorphismus. Also sind $(\ell^p)'$ und $\ell^q$ isometrisch isomorph. \end{satz} +\begin{proof} + Sei $(e_i)_{i ∈ ℕ}$ die Schauderbasis von $\ell^p$. Dann lässt sich jedes $x = (ξ_i)_{i ∈ ℕ} ∈ \ell^p$ als + \[ + x = \sum_{i=1}^∝ ξ_i e_i + \] + mit Konvergenz in $\ell^p$ schreiben. Für $x' ∈ (\ell^p)'$ fest gilt daher + \[ + x'[x] = \sum_{i=1}^∞ ξ_i x'[e_i] + \] + wegen Stetigkeit und Linearität, das heißt mit $α = (α_i)_{i ∈ ℕ} := (x'[e_i])_{i ∈ ℕ}$ gilt daher, dass sich $x'$ in dieser Form darstellen lässt. + Eindeutigkeit von $α$ ist klar: Ist auch + \[ + x'[x] = \sum_{i=1}^∞ β_i ξ_i, + \] + dann ist schon $α_i = x'[e_i] = ε_i$. + + Bleibt noch zu zeigen, dass $α ∈ \ell^q$ ist. + Setze dazu $(ξ_i^n) := + \begin{cases} + |α_i|^{q-1} \cdot \frac{\cl{α_i}}{|α_i|}, & 1 ≤ i ≤ n, α_i \ne 0\\ + 0, & \text{sonst} + \end{cases} + $. Dann ist für $x_n := (ξ_i^{(n})_{n ∈ ℕ} ∈ \ell^p$ + \[ + \norm{x_n}_{\ell^p} = \left( \sum_{i=1}^∞ | ξ_i^{(n)}|^p \right)^{1/p} = \left( \sum_{i=1}^n |α_i|^q \right)^{1/p}. + \] + Außerdem gilt für $x' ∈ (\ell^p)'$ + \[ + \norm{x'}_{(\ell^p)'} \big| \sum_{i=1}^n |α_i|^q \big| = \norm{x'}_{(\ell^p)'} \norm{x_n}_{\ell^p }\le |x'[x_n]| = | \sum_{i=1}^n ξ_i^{(n)} \underbrace{x'[e_i]}_{= α_i}| = \big| \sum_{i=1}^n |α_i|^q \big|, + \] + also wegen $1 - \frac 1 p = \frac 1 q$ + \[ + \left( \sum_{i=1}^n |α_i|^q \right)^{1/q} \le \norm{x'}_{(\ell^p)'} + \] + für alle $n ∈ ℕ$. Damit ist $α ∈ \ell^q$ und $\norm{α}_{\ell^q}$ und $\norm{α}_{\ell^q} \le \norm{x'}_{(\ell^p)'}$. + + Umgekehtrt definiert jedes $α ∈ \ell^q$ durch + \[ + x'[x] := \sum_{i=1}^∞ α_i ξ_i, \quad x = (ξ_i)_{i ∈ ℕ} + \] + ein lineares Funktional $x' : \ell^! → \K$ (wohldefiniert nach Hölder), welches stetig ist: + \[ + |x'[x]| ≤ \sum_{i=1}^∞ |α_i ξ_i| ≤ \norm{α}_{\ell^q} \norm{x}_{\ell^p}, + \] + also ist $x'$ ist beschränkt und somit stetig. + Weiter gilt also für $Z(x') \coloneq α $ + \[ + \norm{Z(x')}_{\ell^q} = \norm{α}_{\ell^q} = \norm{x'}_{(\ell^p)'}, + \] + das heißt, $Z$ ist eine Isometrie. +\end{proof} + +\begin{korollar-nn} + $\ell^p$ 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 + \[ + \lAngle J_0 x, x' \rAngle = \lAngle x', x \rAngle \quad ∀ x' ∈ X'. + \] +\end{korollar-nn} +\begin{warnung-nn} + $\ell^1$ ist nicht reflexiv, ebenso $\ell^∞$ nicht. +\end{warnung-nn} + +\begin{definition} + Eine Funktion $v: [a,b] → ℝ$ heißt \emph{von beschränkter Variation}, falls ein $C > 0$ existiert, so dass für alle endlichen Zerlegungen + \[ + Z: a = t_0 < t_1 < … < t_n = b + \] + von $[a,b]$ gilt: + \[ + V_Z(v) := \sum_{j=1}^n |v(t_j) - v(t_j-1)| ≤ C < ∞ + \] + Wir nennen + \[ + \Var_{a,b}(v) := \sup_{Z \text{ endl Zerl.}} V_Z(v) + \] + die \emph{totale Variation von $v$} auf $[a,b]$. +\end{definition} +\begin{beispiel-nn} + Betrachte $v(x) = \cos(x), x ∈ [0, 2π]$. Dann ist mit der Zerlegung $Z: 0 < π < 2π$ + \[ + V_Z(v) = 2 \cdot 2 = 4 = \Var_{0,2π}(v). + \] +\end{beispiel-nn} + +\begin{bemerkung-nn} + Der Raum $\operatorname{BV}[a,b] := \{ v: [a,b] → ℝ:v $ ist v. b. V. $\}$ ist ein linearer Raum und wird durch + \[ + \norm{v} := |v(a)| + \Var_{a,b}(v) + \] + zum Banachraum. +\end{bemerkung-nn} + +\begin{bemerkung-nn} + Jedes $v ∈ C^1[a,b]$ ist von beschränkter Variation dank des Mittelwertsatzes. +\end{bemerkung-nn} +\begin{warnung-nn} + Für Elemente in $C[a,b]$ ist das nicht notwendigerweise so (Übung). +\end{warnung-nn} + +\begin{bemerkung-nn} + Jedes $f ∈ \operatorname{BV}[a,b]$ lästs sich schreiben als $f = h-g$, wobei $h$ und $g$ jeweils monoton wachsende Funktionen sind. + Daraus folgt, dass $f$ höchstens abzählbar viele Unstetigkeitsstellen besitzt (Übung). +\end{bemerkung-nn} + +Ähnlich wie bei der Existenz des Riemann"=Integrals kann man zeigen: + +\begin{lemma} + 5.5.5, riemann-steltjes integral ex für bv funkitonen +\end{lemma} + +Mit Hilfte des Riemann"=Stieltjes"=Integral können lässt sich der Dualraum des $C[a,b]$ darstellen. + +\begin{satz} + Zu jedem $f ∈ (C[a,b])'$ existiert eine Funktion $v$ von beschränkter Variation mit + \[ + f[x] = ∫_a^b x(t) \;\mathrm{dv}(t), \quad x ∈ C[a,b], + \] + wobei + \[ + \norm{f}_{(C[a,b])'} = \Var_{a,b}(v). + \] +\end{satz} + +Genauer ist +\[ + \norm{f}_{(C[a,b])'} = \sup_{\norm{x}_∞ ≤ 1} | f[x] | = + \sup_{\norm{x}_{∞} ≤ 1} \Big| ∫_a^b x(t) \;\mathrm{dv}(t) \Big| = … = + \Var_{a,b}(v). +\] +Wähle dafür $x = ±1$ an den Zwischenpunkten des Riemann"=Stieltjes"=Integrals. + +\begin{satz} + Sei $\operatorname{NBV}[a,b]$ der Raum der Funktionen von Beschränkter Variation auf [a,b], für die gilt: + \[ + v(a) = 0, \quad \lim_{h → 0+} v(t + h) = v(t), a ≤ t < b, + \] + Also zusätzlich rechtsseitige Stetigkeit gilt. + Führt man auf $\operatorname{NBV}([a,b])$ eine Norm durch $\norm{v} = \Var_{a,b}(v)$ ein, so ist + $(C[a,b])'$ vermittels 5.7/5.8 isometrisch isomorh zu $\operatorname{NBV}[a,b]$, das heißt $(C[a,b])' \cong \operatorname{NBV}[a,b]$. +\end{satz} +\begin{proof} + Zum Beispiel in \cite[Chapter III, Theorem 5.5]{MR564653} +\end{proof} + +\begin{bemerkung-nn} + $C[a,b]$ ist nicht reflexiv. +\end{bemerkung-nn} + %%% Local Variables: |