希爾伯特空間表示定理
這個定理建立了希爾伯特空間與它的連續對偶空間的一個重要聯繫:如果底域是實數,兩者是等距同構;如果域是複數,兩者是等距反同構。如下所述,(反)同構是特別自然的。
設 是一個希爾伯特空間,令 表示它的對偶空間,由從 到域 或 的所有連續線性泛函。如果 是 中一個元素,則函式 定義為
是 的一個元素,這裡 表示希爾伯特空間的內積。里斯表示定理斷言 中任何元素都能惟一地寫成這種形式。
定理:映射
是一個等距(反)同構,這就是說:
是雙射。
的範數與 的範數相等: 。
可加: 。
如果底域是 ,則 對所有實數 。
如果底域是 ,則 對所有複數 ,這裡 表示 的復共軛。
的逆映射可以描述為: 給定 中一個元素 ,核 的正交補是H的一維子空間。取那個子空間中一個非零元素,令 。則 。
歷史上,通常認為這個定理同時由里斯和弗雷歇在1907年發現(見參考文獻)。格雷(Gray)在評論從他認為是原型的里斯(1909)一文到里斯表示定理的發展時說:“給定運算 ,可以構造有界變差函式 ,使得無論連續函式 是什麼,都有
在量子力學的數學處理中,這個定理可以視為流行的狄拉克符號記法的根據。當定理成立時,每個右括弧 有一個相應的左括弧 ,對應是清楚的。但是存在拓撲向量空間,比如核空間(Kernel space),里斯表示定理不成立,在這樣的情形狄拉克符號變得不合適 。
Cc(X) 上線性泛函的表示定理
下面的定理表示出 上的正線性泛函,緊支集連續復值函式空間。下面所說的波萊爾集表示由開集生成的σ-代數。
局部緊豪斯多夫空間 上一個非負可數可加波萊爾測度是 正規的若且唯若
對所有緊集 ;
對每個波萊爾集,
關係
成立只要是開集和是波萊爾集且 。
定理:設是一個局部緊豪斯多夫空間。對 上任何正線性泛函ψ,在上存在惟一的波萊爾正則測度 使得
對所有 。
進入測度論的一個途徑是從拉東測度開始,定義為 上一個正線性泛函。這種方式由布爾巴基採取;這裡顯然假設首先是一個拓撲空間,而不僅是一個集合。對局部緊空間,重新得到了一個積分理論。
C0(X) 的對偶空間的表示定理
下面定理也稱為里斯-馬爾可夫定理,給出了 的對偶空間的一個具體實現, 上在無窮遠趨於零的連續函式。定理陳述中的波萊爾集契約樣指由開集生成的 σ-代數。結論與上一節類似,但不能包含在前一個結果之中。參見下面的技術性注釋。
如果 是一個復值可數可加波萊爾測度, 是正則的若且唯若非負可數可加測度 | | 正則(上一節所定義的)。
定理:設是一個局部緊豪斯多夫空間。對 上任何連續線性泛函ψ,存在 上惟一正則可數可加波萊爾測度 使得
對所有 。ψ 的範數作為線性泛函是 的全變差(total variation),即
最後,ψ 是正的若且唯若測度 是非負的。
注: 上任何有界線性泛函惟一延拓為 上有界線性泛函,因為後一個空間是前者的閉包。但是 上一個無界正線性泛函不能延拓為 上一個有界線性泛函。因此前兩個結論套用的情形稍微不同。