開映射定理

開映射定理

在泛函分析中,開映射定理是一個基本的結果,它說明如果巴拿赫空間之間的連續線性運算元是滿射的,那么它就是一個開映射。更加精確地:該定理的證明用到了貝爾綱定理,X和Y的完備性都是十分重要的。如果僅僅假設X或Y是賦范空間,那么定理的結論就不一定成立。然而,如果X和Y是弗雷歇空間,那么定理的結論仍然成立。

結果

開映射定理有一些重要的結果 :

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1.如果 是巴拿赫空間 X和 Y之間的雙射連續線性運算元,那么逆運算元 也是連續的。(Rudin 1973, 推論2.12) ;

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2.如果 是巴拿赫空間 X和 Y之間的線性運算元,且如果對於 X內的每一個序列( ),只要 x n → 0且 就有 ,那么 A就是連續的(閉圖像定理)。(Rudin 1973, 定理2.15)。

證明

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我們需要證明,如果 是巴拿赫空間之間的連續線性滿射,那么 就是一個開映射。為此,只需證明 把 內的單位球映射到 的原點的一個鄰域。

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設 分別為 和 內的單位球。那么 是單位球的倍數 的序列的交集, ,且由於 是滿射,

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根據貝爾綱定理,巴拿赫空間 不能是可數個無處稠密集的並集,故存在 ,使得 的閉包具有非空的內部。因此,存在一個開球 ,其中心為 ,半徑 ,包含在 的閉包內。如果 ,那么 和 位於 內,因此是 的極限點,根據加法的連續性,它們的差 是 的極限點。根據 A的線性,這意味著任何 都位於 的閉包內,其中 。於是可以推出,對於任何 和任何 ,都存在某個 ,滿足:

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且 (1)

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固定 。根據(!),存在某個 ,滿足 且 || y− A  x ||< δ / 2。定義序列 如下。假設:

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根據(1),我們可以選擇 ,使得:

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因此 滿足(2)。

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設 從(2)的第一個不等式可知,是一個柯西序列,且由於是完備的, 收斂於某個 。根據(2),序列 趨於,因此根據 A的連續性,有。而且:

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這表明每一個 都屬於,或等價地,內的單位球的像包含了 Y內的開球。因此, 是內0的鄰域,定理得證。

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或 的局部凸性不是十分重要的,但完備性則是:當和 是F空間時,定理仍然成立。更進一步,這個定理可以用以下的方法與貝爾綱定理結合(Rudin, 定理2.11):

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設為F空間,為拓撲向量空間。如果 是一個連續線性運算元,那么要么是內的貧集,要么。在後一個情況中,是開映射,也是空間。 更進一步,在這個情況中,如果是的核,那么有一個標準分解,形如下式 :

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其中是對閉子空間的商空間(也是空間)。商映射是開放的,且映射是拓撲向量空間的同構(Dieudonné, 12.16.8)。

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