1 ノルムと完備性
以下では、係数体KをRまたはCとする。
定義 1.1.XをK上のベクトル空間とする。写像∥⋅∥:X→[0,∞)が次の条件を満たすとき、∥⋅∥をX上のノルム (norm) といい、(X,∥⋅∥)をノルム空間 (normed space) という。
- ∥x∥=0であることとx=0であることは同値である。
- 任意のα∈Kとx∈Xに対して∥αx∥=∣α∣∥x∥である。
- 任意のx,y∈Xに対して∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥である。
命題 1.2. ノルム空間Xに対して
d(x,y):=∥x−y∥(x,y∈X)と定めると、dはX上の距離である。また、任意のx,y∈Xに対して
∥x∥−∥y∥≤∥x−y∥が成り立つため、ノルムはノルムが定める距離について連続である。
証明. 非負性と同一性は定義 1.1 条件 (a)から従い、対称性は∥x−y∥=∥−(y−x)∥=∥y−x∥から従う。三角不等式は
d(x,z)=∥(x−y)+(y−z)∥≤d(x,y)+d(y,z)である。
さらに、x=(x−y)+yに三角不等式を適用すると∥x∥−∥y∥≤∥x−y∥を得る。xとyを交換すると∥y∥−∥x∥≤∥x−y∥を得るため、逆三角不等式が従う。▨
定義 1.3. ノルムが定める距離について完備であるノルム空間を Banach 空間 (Banach space) という。すなわち、Xの任意の
Cauchy 列がXの元へノルム収束するとき、Xは Banach 空間である。
部分空間には全空間のノルムを制限する。
命題 1.4.Xをノルム空間、MをXの線形部分空間とする。
- Xが Banach 空間であり、MがXで閉じているならば、Mは Banach 空間である。
- Mが Banach 空間であるならば、MはXで閉じている。
証明.(1)を示す。Mの Cauchy 列(xn)はXでも Cauchy 列であるため、Xの完備性から、あるx∈Xに収束する。Mは閉じているのでx∈Mであり、(xn)はM内で収束する。
(2)を示す。Mの点列(xn)がXの元xに収束したとする。収束列は Cauchy 列であるため、Mの完備性から、あるy∈Mに収束する。距離空間の極限は一意なのでx=y∈Mである。したがってMは閉じている。▨
2 有限次元におけるノルム同値
補題 2.1.Knの座標がすべて有界である点列は、座標ごとに収束する部分列をもつ。
証明.K=Rの場合を示す。すべての点を含む閉直方体Q0をとる。各座標区間を二等分するとQ0は2n個の閉直方体に分かれるため、そのうち少なくとも一つは点列の項を無限個含む。その直方体をQ1とする。同じ操作を繰り返し、Qk+1⊂Qk、各辺の長さがQ0の各辺の2−(k+1)以下であり、Qkが点列の項を無限個含むようにする。k番目の項より後にある項を一つQkから選ぶと、部分列(xmk)を得る。
各座標について、Qkの対応する閉区間は入れ子であり、その長さは0に近づく。実数の完備性から、各座標区間の共通部分は一点からなる。Qkの直径は0に近づくので、(xmk)は、その座標をもつ点へ座標ごとに収束する。複素数体の場合は、各複素座標を実部と虚部に分け、Cn≅R2nに前述の入れ子の閉直方体を構成する。▨
命題 2.2.VをK上の有限次元ベクトル空間とする。V上の任意の二つのノルム∥⋅∥aと∥⋅∥bに対して、ある定数c,C>0が存在し、任意のx∈Vに対して
c∥x∥a≤∥x∥b≤C∥x∥aが成り立つ。
証明.V={0}ならば、任意のc,C>0に対して主張する不等式が成り立つ。以下ではV={0}とし、n=dimV≥1とする。Vの基底e1,…,enを固定し、x=∑j=1nξjejに対して
∣x∣1:=j=1∑n∣ξj∣と定める。任意のノルム∥⋅∥について、三角不等式から
∥x∥≤j=1∑n∣ξj∣∥ej∥≤(1≤j≤nmax∥ej∥)∣x∣1を得る。
次に、あるc>0が存在して∥x∥≥c∣x∣1となることを示す。成り立たないと仮定すると、各m≥1に対して∣xm∣1=1かつ∥xm∥<1/mとなるxmが存在する。各座標の絶対値は1以下なので、補題 2.1により、座標ごとにあるxへ収束する部分列(xmk)が存在する。有限和の極限をとると∣x∣1=1である。一方、すでに示した上からの評価をxmk−xに適用すると∥xmk−x∥→0である。逆三角不等式により∥x∥=limk∥xmk∥=0となるのでx=0である。∣x∣1=1と矛盾する。
したがって、任意のノルムは∣⋅∣1と同値である。∥⋅∥aと∥⋅∥bのそれぞれを∣⋅∣1と比較し、不等式を合成すると、主張する定数c,Cを得る。▨
系 2.3. 有限次元ノルム空間は Banach 空間である。
証明. 基底を固定する。与えられたノルムの Cauchy 列は、命題 2.2によって座標の1-ノルムについても Cauchy 列である。各座標はKの Cauchy 列なので収束する。座標極限から定まるx∈Vへ座標の1-ノルムで収束し、ふたたびノルム同値を用いると、もとのノルムでもxへ収束する。▨
有限次元ではすべてのノルムが同値であるが、無限次元ではノルムの選択によって収束と完備性が変わる。
例 2.4 (多項式空間の不完備性).P[0,1]を[0,1]上の多項式全体とし、一様ノルムを入れる。多項式
pn(x):=k=0∑nk!xkは[0,1]上でexに一様収束する。実際、n≥0に対して
0≤ex−pn(x)≤k=n+1∑∞k!1≤(n+1)!1j=0∑∞(n+2)j1=(n+1)(n+1)!n+2であり、右辺は0に近づく。したがって(pn)はP[0,1]の Cauchy 列である。しかしexは多項式ではないので、(pn)はP[0,1]内で収束しない。よってP[0,1]は完備でない。
例 2.5 (c00の不完備性).c00を有限個の成分だけが零でない数列全体とし、上限ノルムを入れる。数列x(N)=(1,1/2,…,1/N,0,0,…)は Cauchy 列であり、上限ノルムについて(1,1/2,1/3,…)に収束する。極限はc00に属さないため、c00は完備でない。
3 数列空間と連続関数空間
例 3.1 (標準的な数列空間). 数列x=(xj)j≥1に対して、次の空間を考える。
- ℓ∞はsupj∣xj∣<∞を満たす数列の空間であり、∥x∥∞=supj∣xj∣とする。
- c0はxj→0を満たす数列の空間であり、ℓ∞のノルムを制限する。
ℓ∞は Banach 空間である。実際、ℓ∞の Cauchy 列(x(m))に対し、各座標の極限xj=limmxj(m)をとる。Cauchy 性の不等式を座標ごとに極限へ移すと、十分大きいmに対してsupj∣xj(m)−xj∣≤εとなる。したがってxは有界であり、x(m)→xである。
c0はℓ∞の閉部分空間である。実際、x(m)∈c0がxへ上限ノルムで収束したとき、ε>0に対して∥x−x(m)∥∞<ε/2となるmを固定し、十分大きいjで∣xj(m)∣<ε/2とすれば∣xj∣<εとなる。よってx∈c0である。命題 1.4によりc0も Banach 空間である。
定理 3.2. 実数値または複素数値の連続関数の空間C[0,1]は、一様ノルム
∥f∥∞:=x∈[0,1]sup∣f(x)∣について Banach 空間である。
証明.(fn)をC[0,1]の Cauchy 列とする。各x∈[0,1]に対して∣fn(x)−fm(x)∣≤∥fn−fm∥∞なので、(fn(x))はKの Cauchy 列である。f(x):=limnfn(x)と定める。
ε>0をとる。あるNが存在し、n,m≥Nなら∥fn−fm∥∞<ε/2である。n≥Nを固定してm→∞とすると、任意のx∈[0,1]に対して∣fn(x)−f(x)∣≤ε/2<εとなる。したがって∥fn−f∥∞<εであり、fn→fは一様収束である。
最後にfの連続性を示す。x0∈[0,1]とε>0を固定する。∥f−fN∥∞<ε/3となるNをとる。fNの連続性から、∣x−x0∣<δなら∣fN(x)−fN(x0)∣<ε/3となるδ>0が存在する。このとき
∣f(x)−f(x0)∣≤∣f(x)−fN(x)∣+∣fN(x)−fN(x0)∣+∣fN(x0)−f(x0)∣<ε.よってf∈C[0,1]であり、C[0,1]は完備である。▨
定理 3.3.Kをコンパクト空間とする。K上の実数値または複素数値連続関数の空間C(K)は、一様ノルムについて
Banach 空間である。
証明. 連続関数によるコンパクト集合の像はコンパクトであるため、各f∈C(K)は有界であり、一様ノルムは有限である。C(K)の Cauchy 列(fn)に対し、各点の極限f(x)=limnfn(x)を定める。ε>0に対して、あるNが存在し、n,m≥Nなら∥fn−fm∥∞<ε/2となる。n≥Nを固定して各x∈Kでm→∞とすると∣fn(x)−f(x)∣≤ε/2となるため、∥fn−f∥∞<εである。よってfn→fは一様収束である。
fの連続性を直接確認する。x0∈Kとε>0に対し、∥f−fN∥∞<ε/3となるNをとる。fNの連続性から、x0のある近傍Uが存在し、x∈Uなら∣fN(x)−fN(x0)∣<ε/3となる。三角不等式により、x∈Uなら∣f(x)−f(x0)∣<εである。よってf∈C(K)であり、C(K)は完備である。▨
一般のLp空間の定義、Hölder と Minkowski の不等式、完備性および稠密性は、§E9.12 定義 2.3、§E9.12 定理 4.2、§E9.12 定理 5.1、§E9.13 定理 1.1および§E9.13 定理 2.2が扱う。本単元は、後の記事でLpの双対性を扱う。
4 演習
問題 4.1 (閉部分空間と完備性の同値). Banach 空間Xの線形部分空間Mについて、MがXで閉じているという条件と、制限ノルムについてMが完備であるという条件とが同値であることを、命題 1.4を参照せずに証明せよ。
問題 4.2 (ノルム同値の証明における正規化). 有限次元ノルム同値の証明で、∣xm∣1=1という正規化がどこで用いられたかを特定せよ。また、正規化を∣xm∣1≤1に弱めると矛盾が得られない理由を説明せよ。
問題 4.3 (c00の不完備性の計算).c00の列x(N)について、M>Nのとき∥x(M)−x(N)∥∞=1/(N+1)であることを計算し、不完備性の証明を完成させよ。
問題 4.4 (L1ノルムに替えた連続関数空間).C[0,1]の一様ノルムを∥f∥1=∫01∣f(x)∣dxに替えると完備性が失われる例を構成せよ。連続関数で段差関数を近似し、L1極限が連続でないことを示すことができる。