Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Южно-Уральский Государственный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

posobie-fa-2015

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

16.03.2016

Размер:

573.03 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 203 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Тема 2. Сходимость в метрическом пространстве. Сравнение метрик и норм

Определение 2.1. Пусть 1; 2 – метрики, заданные на одном множестве X. Говорят, что

31 не слабее 2 ( 2 не сильнее 1), если из сходимости последовательности к точке x0 в пространстве X; 1 следует ее сходимость к x0 в пространстве X; 2 , т. е.

	1		(xn; x0!) n	0 =) 2		(xn; x0!) n		0;
				!1			!1
3 1 сильнее 2 ( 2 слабее 1), если 1						не слабее 2 и
9 f	xn	g	: 2(xn; x0)		0; но 1(xn; x0)			!̸	0;
9 f		g		!				!̸
				n				n
				!1				!1

31 и 2 эквивалентны, если 1 не слабее 2 и 2 не слабее 1, т. е.

1	(xn; x0!) n	!1	0 () 2(xn; x0!) n	0:
		!1		!1

Эти понятия переносятся и на нормы через метрики, ими порождаемые.

Определение 2.2. Пусть 1; 2 – две нормы, заданные на одном линейном пространстве X. Говорят, что

3 1	не		слабее 2	( 2 не	сильнее			1)		и пишут
1	2, ( 2 1), если
		xn	x0 1	0 =		xn	x	2		0;
			!n	)			0	!n	!1
			!1						!1

31 сильнее 2 ( 2 слабее 1) и пишут 1 2, ( 2 1), если 1 2 и

9 f

x0 2

0; но

!̸

3 1 и 2 эквивалентны, если

xn	x	2	0	()	xn	x0	1	0:
	0	!n	!1	()			!n	!1
			!1					!1

Определение 2.3. Метрические пространства X и Y называются гомеоморфными, если существует отображе-

ние : X ! Y такое, что есть биекция X на Y и

xn	X x0	()	(xn)	Y (x0):
!n	!1	()	!n
	!1			!1

Отображение называется гомеоморфизмом X на Y .

Определение 2.4. Линейные нормированные пространства X и Y называются линейно гомеоморфными, если существует линейное отображение : X ! Y , которое является гомеоморфизмом X на Y . Отображение называется линейным гомеоморфизмом X на Y .

Теорема 2.1. Пусть fekgmk=1 линейно независимая система в нормированном пространстве X. Тогда

m		m
∑		∑
xn = ek		x0 = kek
n;k !n
k=1	!1	k=1
k=1		k=1
		()	n;k		k; k = 1; : : : ; m:
		()	!n
				!1

Следствие 2.1. В конечномерном нормированном пространстве сходимость по норме эквивалентна покоординатной сходимости.

Пример 2.1. Сходится ли последовательность

xn(t) = te nt

в пространствах а) C[0; 1]; б) C1[0; 1]?

Решение. а) Сходимость последовательности fxng к x в пространстве C[0; 1] эквивалентна равномерной сходимости последовательности функций fxn(t)g к функции x(t) на

отрезке		[0; 1] (см. задачу	2.9). Значит,	если xn	x, то
xn(t!) n				!n!1
xn(t!) n		x(t) поточечно на [0; 1]: Найдем поточечный пре-
дел:	!1		lim te nt = 0
		lim xn(t) =	lim te nt = 0	= x(t):
		n!1	n!1

Функция x(t) 0 принадлежит пространству C[0; 1]: Проверим, сходится ли xn к 0 в этом пространстве:

						1		1
max		te	nt	j	=	1	e	n n	0:
max		te			=	n	e	n n	0:
xn 0 C[0;1] = t	[0;1] j					n		!n	!1
2									!1

Таким образом, xn сходится к 0 в пространстве C[0; 1].

б) Сходимость последовательности fxng к x в пространстве C1[0; 1] эквивалентна равномерной сходимости на отрезке [0; 1] последовательности функций fxn(t)g к функции x(t) и последовательности функций fx′n(t)g к функции x′(t) (см.

задачу 10.15). Значит, если xn		x, то xn(t)	x(t) по-
!n!1		!n!1

точечно на [0; 1]: Так как поточечно xn сходится к 0 (см. п. «а») и 0 2 C1[0; 1]; осталось проверить, сходится ли xn к 0 в этом пространстве:

[0;1]

max

+ max

nt)e nt

xn 0 C

= t

[0;1] j

n n + 1 n

n n!n!1

e 2 ̸= 0:

Таким образом, в

[0; 1]

последовательность

пространстве

fxng не имеет предела.

Пример 2.2. Исследовать на сходимость последователь-

ность

t <

;

xn(t) = > nt;

;

j j

< t 6 1;

в	пространствах а) C[ 1; 1]; б) Lp[ 1; 1]; 1 6 p < 1;
в)	e1	1; 1]	.
	L [	1; 1]

Решение. а) Найдем поточечный предел

<1; 1 6 t < 0;

lim xn(t) = x(t) =	:	0;	t = 0;	= sgn t:
n!1		1;	0 < t 6 1;
		1;	0 < t 6 1;

Поскольку x ̸2C[ 1; 1]; последовательность не сходится в этом пространстве.

б) Если последовательность fxng сходится к некоторому элементу y в пространстве Lp[ 1; 1]; то существует подпоследовательность fxnk g, которая сходится к y почти всюду на [ 1; 1] (см. задачу 2.12). Но последовательность fxng сама поточечно сходится к x(t) = sgn t 2 Lp[ 1; 1], а значит, и любая ее подпоследовательность поточечно сходится к x. Отсюда следует, что если fxng сходится по норме в Lp[ 1; 1] к элементу y, то y = x в Lp[ 1; 1] (см. задачу 2.13). Остается проверить, сходится ли fxng к x по норме. Имеем

xn x p = (∫

1 jxn(t) x(t)jpdt)p

∫

= (

sgn tjpdt)

1 jnt

∫

n 2pdt

6 2

(

)

pn!n

Таким образом, в пространстве Lp[

1; 1]

последовательность

fxng сходится.

в) Покажем, что в пространстве L1[

1; 1]

последователь-

ность

не сходится. Допустим, что xn

x0 в L1[ 1; 1].

!n!1

Тогда для x(t) = sgn t имеем

x x

0 1 6

x x

n 1

Отсюда следует, что x x0 1 = 0: Из непрерывности функций x и x0 на множестве [ 1; 0) [ (0; 1] и неравенств

	∫		1
0 6	∫	1 n jx(t)
	∫n		j
0 6		1
0 6		1		x(t)
		1

x0(t)j dt 6 ∫	1
	1 jx(t) x0(t)j dt = 0;
x0(t)j dt 6 ∫	1
	1 jx(t) x0(t)j dt = 0;

справедливых для всех n 2 N, следует, что

x0(t) = {

t < 0;

1; 0 <6t 6 1:

Но тогда функция x0

не является непрерывной на отрезке

[ 1; 1], т. е. x0

̸2L1[ 1; 1]: Итак, последовательность fxng не

сходится в

пространстве L [

1; 1].

Пример 2.3. Исследовать на сходимость последователь-

ность fxng = f nkgk1=1;

k 6 n;

p3 k ;

nk = 8

k + 1

> sin

sin

; k > n;

в пространствах c0; c; ℓp (1 6 p 6 1).

Решение. Проверим, каким из этих пространств принадлежит fxng. Для всякого n 2 N имеем

lim		lim	lim	1		1	= 0:


k!1	nk =	k > n	nk = k!1	(sin p3 k	sin p3	k + 1)

k ! 1

Значит, fxng c0 c l1:

Далее, для k > n имеем

sin

j nkj =

sin

k + 1

1 1

pk + 1

sin

2p3

k + 1p3 k

p3 k + p3 k + 1

)

cos

(

2 sin

2√k(k + 1)(√(k + 1)2 + √k(k + 1) + pk2)

3k4=3

Так как xn 2 ℓp () сходится ряд

1 j nkjp () сходится ряд

k∑

k=n+1 j nkjp

() сходится ряд k=1

(

)

, а сумма k=1

(

)

при p 1 конечна, то x

ℓ :

∑

n 2 p

Итак, последовательность fxng принадлежит пространствам c0; c; ℓp; 1 6 p 6 1: Из сходимости по норме в этих пространствах следует покоординатная сходимость. Найдем покоординатный предел, если он существует.

Для всякого фиксированного k имеем

nlim nk =

lim

nk = nlim

= k:

n > k

n ! 1

Значит, покоординатно

x =

1 =

{ p3 k }k=1

!n!1

f kgk=1

и, если xn сходится по норме, то сходится к этому x. Проверим, каким пространствам принадлежит x: Так как

lim k = lim p3 = 0;

k!1 k!1 k

∑1

то x 2 c0 c ℓ1: Ряд j kjp сходится () p > 3; значит,

k=1

x 2 ℓp; 3 < p < 1 и x ̸2ℓp; 1 6 p 6 3: Следовательно, при 1 6 p 6 3 последовательность fxng не сходится в ℓp:

Впространствах c0; c; ℓ1 последовательность fxng сходится

кx, поскольку справедливы следующие соотношения:

sup

= sup

sin

x = k

N j nk

k>n

p3 k + 1

p3 k

sin

k>n

pk + 1

k>n pk

6 sup

sin

+ sup

n + 1

В пространствах ℓp; 3 < p < 1; сходимость тоже есть,

поскольку справедливы соотношения

x = (

j nk

kjp)p

∑

=n+1

∑

= (k=n+1

)

sin

k + 1

p p

(

∑

)

+ (

∑

) :

sin

k=n+1

Обе последние суммы стремятся к нулю при n ! 1 как остат-

ки сходящихся рядов, так как

sin

k + 1

k!1

3k4=3

;

k∑

∑

а ряды

k4p=3

k=1

kp=3

при p > 3 сходятся.

Пример 2.4. Исследовать на сходимость последователь-

ность

xn(t) =

1; 0 6 t <

> t

1= ;

в пространствах

[0; 1];>1

p <

Решение. Поточечно последовательность функций fxn(t)g

сходится к функции

x(t) = {

0 < t

1;;

t = 0:6

Так как x ̸2Lp[0; 1] при

> 1; то последовательность fxng

не сходится в пространствах Lp[0; 1] при p > .

Пусть 1 6 p < : Тогда x 2 Lp[0; 1]: Покажем, что fxng сходится к x в этих пространствах. Действительно, xn и x удовлетворяют следующим условиям:

1)	jx(t)jp; jxn(t) x(t)jp 2 L1[0; 1];
2)	jxn(t)	x(t)jp 6 jx(t)jp;	t 2 [0; 1];
3)	jxn(t)	p	t 2 [0; 1]:
		x(t)j!n!1 0;

Применяя теорему Лебега о предельном переходе под знаком интеграла, получаем

∫ 1 ∫ 1

xn x p = jxn(t) x(t)jp dt! 0 dt = 0: ,

0 n!1 0

+ Доказать справедливость утверждений 2.1–10.13.

2.1.Пусть X – метрическое пространство, fxng; fyng X;

x; y; x′; x′′ 2 X: Тогда

а)

(

!n!1

′

!n!1

′′)

)

′

′′

= x ;

б)

x =

8 f

k g

xnk

)

в)

fxng сходится

fxng ограничена;

г)

(

!n!1

)

(xn; yn!) n

(x; y):

2.2. Пусть

X –

нормированное

пространство, x; y 2 X;

fxng; fyng X; f ng P; 2 P: Тогда

а)

(

!n!1

)

+ yn

x + y;

(

б)

!n!1

)

nxn

в)

)

2.3.Сходимость последовательности в пространствах s и ℓmp ; 1 6 p 6 1; эквивалентна покоординатной сходимости.

2.4.Пусть X, Y – линейные нормированные пространства,– линейная биекция X на Y . Пространства X и Y линейно гомеоморфны тогда и только тогда, когда существуют такие константы c1; c2 > 0, что для любого x 2 X

c1 x X 6 (x) Y 6 c2 x X :

2.5.Конечномерные нормированные пространства X и Y одинаковой размерности и над одним полем линейно гомеоморфны.

2.6.Любые две нормы на конечномерном линейном пространстве эквивалентны.

2.7.Пусть X – номированное пространство, X0 – его конечномерное линейное подмножество. Тогда X0 замкнуто в X.

2.8. Сходимость последовательности в пространствах m; c0; c равномерна по координатам.

2.9.Сходимость последовательности в пространстве C[a; b]

эквивалентна равномерной сходимости на отрезке

[a; b].

2.10.Сходимость последовательности fxng; xn = f nkg к элементу x = f kg в пространствах ℓp эквивалентна выполнению следующих условий:

1)	8	k	nk		k;
	8		!n
				!1		1
2) 8 " > 0 9 N0(") 8 N > N0(") 8 n						1	j nkjp < "p:
						N
						k=∑+1

2.11.Что означает сходимость последовательности в пространствах Ck[a; b]; k > 1?

2.12.	Доказать, что если xn			x в пространстве L1[a; b];
			!n
			!1
	то существует подпоследовательность fxnk g такая, что
	xnk (t)!k!1		x(t) почти всюду на [a; b]: Верно ли это
	утверждение в Lp[a; b]; p > 1?
2.13.	Доказать, что если xn!n			x в пространстве Lp[a; b]
			!1
	и существует подпоследовательность fxnk g такая, что
	xnk (t)!k	!1	y(t) почти всюду на [a; b]; то x = y в
		!1

Lp[a; b]:

2.14.В каких из пространств ℓp; c0; c; m сходятся следующие последовательности:

а) xn = (1; 2; : : : ; n; 0; 0 : : :);

б)

xn = (1;

;

; : : : ;

; 0; 0; : : :);

в) xn =

;

; : : : ;

; 0; 0; : : :1;

}

<<< < Предыдущая 1 23 / 203 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
16.03.201640.96 Кб9Politologia_Tema_1_2.doc
#
16.03.2016829.44 Кб15polnaya_versia_1.doc
#
16.03.2016175.1 Кб10polozhenie_o_ballno-reytingovoy_sisteme.doc
#
18.09.201979.61 Кб1Ponyatie_i_priznaki_gosudarstva (1).docx
#
25.09.2019215.04 Кб3Ponyatie_MP.doc
#
16.03.2016573.03 Кб65posobie-fa-2015.pdf
#
22.11.2019932.86 Кб1Posobie_AiDFKhD_kursovoy.doc
#
25.11.20192.72 Mб16Posobie_KP_po_DM.doc
#
09.05.2015686.61 Кб221Posobie_po_anglyskomu_yazyku.pdf
#
08.05.2015714.75 Кб20Posobie_Volchenkovoy.doc
#
08.05.2015711.17 Кб16Posobie_Volchenkovoy.doc