diff --git a/chapter03.tex b/chapter03.tex index cc11553..a40dad3 100644 --- a/chapter03.tex +++ b/chapter03.tex @@ -994,4 +994,128 @@ \chapter{赋范空间和连续线性映射} \] (iii) +\end{proof} + + +% Exercise 19 +\begin{exercise} + 设 $A = (a_{ij})_{i,j\geq 1}$ 是元素在 $\mathbb{K}$ 中的无穷矩阵, + 定义对任意有穷序列 $x = (x_j)_{j\geq 1}\subset \mathbb{K}$, + 即 $x_j$ 仅有有限多个非零, + \[ A(x) = \biggl(\sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j\biggr)_{i\geq 1}. \] + \begin{enumerate}[(a)] + \item 证明 $A$ 可以拓展成 $c_0$ 上的有界线性映射当且仅当 + \[ \|A\|_\infty = \sup_{i\geq 1} \sum_{j\geq 1} |a_{ij}| < \infty. \] + 在此情形下, 我们有 + \[ \|A\|_{\mathcal{B}(c_0)} = \|A\|_{\infty}. \] + 并且, 当 $\|A\|_{\infty} < \infty$ 时, $A$ 也定义了在 $\ell_{\infty}$ 上的线性映射. + \item 证明 $A$ 可以拓展成 $\ell_1$ 上的有界线性映射当且仅当 + \[ \|A\|_1 = \sup_{j\geq 1} \sum_{i\geq 1} |a_{ij}| < \infty. \] + 在此情形下, 我们有 + \[ \|A\|_{\mathcal{B}(\ell_1)} = \|A\|_1. \] + \item 假设 $\|A\|_\infty$ 和 $\|A\|_1$ 都有限. 证明 $A$ 可以拓展成 $\ell_2$ + 上的有界线性映射且 + \[ \|A\|_{\mathcal{B}(\ell_2)} \leq \|A\|_{\infty}^{\frac12} \|A\|_1^{\frac12}. \] + \item 在上面 (c) 的条件下, $A$ 是否能对任意 $10$, 存在 $i_0$ 使得 $\sum_{j\geq 1} |a_{i_0j}| > 2C$, + 故而存在某个 $N$ 使得 $\sum_{j=1}^N |a_{i_0j}| > C$. + 选取 $x = (x_j)_{j\geq 1}$ 满足 $x_j = \overline{a_{i_0j}}/|a_{i_0j}|$, 当 $1\leq j\leq N$; + $x_j = 0$, 当 $j>N$. 则 $x\in c_0$, $\|x\|_{c_0}=1$ 且 $A(x)$ 的第 $i_0$ 个分量为 + $\sum_{j\geq 1} a_{i_0j} x_j = \sum_{j=1}^N |a_{i_0j}|>C$. + 故 $\|A(x)\|_{\ell_\infty}>C$, 结合 $C$ 的任意性知 $A\notin \mathcal{B}(c_0,\ell_\infty)$. + + 最后求范数, 对任意 $\varepsilon>0$, 存在 $i_0$, 使得 $\sum_{j\geq 1} |a_{i_0j}| > \|A\|_\infty - \varepsilon/2$, + 故存在某个 $N$ 使得 $\sum_{j=1}^N |a_{i_0j}| > \|A\|_\infty - \varepsilon$. + 接下来的步骤与上面类似, 省略, 最终得 $\|A\|_{\mathcal{B}(c_0,\ell_\infty)} > \|A\|_\infty - \varepsilon$. + 由 $\varepsilon$ 的任意性知 $\|A\|_{\mathcal{B}(c_0,\ell_\infty)} = \|A\|_\infty$. + \item % (b) + 若 $\|A\|_1<\infty$, 则 + \begin{align*} + \|A(x)\|_{\ell_1} + & = \sum_{i\geq 1} \biggl|\sum_{j\geq 1} a_{ij}x_j\biggr| + \leq \sum_{i\geq 1} \sum_{j\geq 1} |a_{ij}| |x_j| \\ + & = \sum_{j\geq 1} |x_j| \sum_{i\geq 1} |a_{ij}| + \leq \|A\|_1 \|x\|_{\ell_1}, + \end{align*} + 故 $A$ 为 $\ell_1$ 上的有界线性映射且 $\|A\|_{\mathcal{B}(\ell_1)} \leq \|A\|_1$. + + 若 $\|A\|_1=\infty$, 则对任意的 $C>0$, 存在 $j_0$, 使得 $\sum_{i\geq 1} |a_{ij_0}|>C$. + 取 $x = (0,\ldots,0,1,0,\ldots)$, 其中只有第 $j_0$ 个位置为 $1$, 则 $\|x\|_{\ell_1}=1$ 且 + \[ \|A(x)\|_{\ell_1} = \sum_{i\geq 1} |a_{ij_0}| > C. \] + 结合 $C$ 的任意性知 $A\notin \mathcal{B}(\ell_1)$. + + 最后求范数, 对任意 $\varepsilon>0$, 存在 $j_0$ 使得 $\sum_{i\geq 1} |a_{ij_0}| > \|A\|_1 - \varepsilon$. + 取 $x = (0,\ldots,0,1,0,\ldots)$, 其中只有第 $j_0$ 个位置为 $1$, 则 $\|x\|_{\ell_1}=1$ 且 + \[ \|A(x)\|_{\ell_1} = \sum_{i\geq 1} |a_{ij_0}| > \|A\|_{1} - \varepsilon. \] + 因此 $\|A\|_{\mathcal{B}(\ell_1)} = \|A\|_1$. + \item % (c) + 由定义 + \begin{align*} + \|A(x)\|_{\ell_2}^2 + & = \sum_{i\geq 1} \biggl(\sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j\biggr)^2 \\ + & = \sum_{i\geq 1} \sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j \sum_{k\geq 1} a_{ik} x_k \\ + & =: \sum_{i\geq 1} \sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j y_i + \qquad (\text{in which } y_i = \sum_k a_{ik} x_k) \\ + & = \sum_{j\geq 1} x_j \sum_{i\geq 1} |a_{ij}|^{1/2} |y_i| \cdot |a_{ij}|^{1/2} \qquad (\text{Cauchy-Schwarz}) \\ + & \leq \sum_{j\geq 1} x_j \biggl(\sum_{i\geq 1} |a_{ij}| y_i^2\biggr)^{1/2} + \biggl(\sum_{i\geq 1} |a_{ij}|\biggr)^{1/2} \qquad (\text{Cauchy-Schwarz}) \\ + & \leq \biggl(\sum_{j\geq 1} x_j^2 \sum_{i\geq 1} |a_{ij}|\biggr)^{1/2} + \biggl(\sum_{j\geq 1} \sum_{i\geq 1} |a_{ij}| y_i^2\biggr)^{1/2} \qquad (\text{by definition of }\|A\|_1)\\ + & \leq \|x\|_{\ell_2} \|A\|_1^{1/2} \biggl(\sum_{i\geq 1} y_i^2 \sum_{j\geq 1} |a_{ij}|\biggr)^{1/2} + \qquad (\text{by definition of }\|A\|_\infty) \\ + & \leq \|x\|_{\ell_2} \|A\|_1^{1/2} \|A\|_\infty^{1/2} + \biggl(\sum_{i\geq 1} \biggl(\sum_{k\geq 1} a_{ik}x_k\biggr)^2\biggr)^{1/2} \\ + & = \|x\|_{\ell_2} \|A\|_1^{1/2} \|A\|_\infty^{1/2} \|A(x)\|_{\ell_2}. + \end{align*} + 故 + \[ \|A(x)\|_{\ell_2} \leq \|x\|_{\ell_2} \|A\|_1^{1/2} \|A\|_\infty^{1/2}. \] + 这说明 $A$ 可以拓展为 $\ell_2$ 上的有界线性映射且 + \[ \|A\|_{\mathcal{B}(\ell_2)} \leq \|A\|_1^{1/2} \|A\|_\infty^{1/2}. \] + \item % (d) + $A$ 可以拓展成 $\ell_p$ 上的有界线性映射, 证明方法类似于 (c). + 记 $q$ 为 $p$ 的共轭数, 则 + \begin{align*} + \|A(x)\|_{\ell_p}^p + & = \sum_{i\geq 1} \biggl|\sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j\biggr|^p \\ + & = \sum_{i\geq 1} \biggl|\sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j\biggr|\cdot + \biggl|\sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j\biggr|^{p-1} \\ + & \leq \sum_{i\geq 1} \sum_{j\geq 1} |a_{ij}|^{\frac{1}{p}} \cdot |a_{ij}|^{\frac{1}{q}} + |x_j| |y_i| \qquad (\text{in which } y_i = \biggl|\sum_{j} a_{ij}x_j\biggr|^{p-1}) \\ + & = \sum_{j\geq 1} |x_j| \sum_{i\geq 1} |a_{ij}|^{\frac{1}{p}} \cdot + |a_{ij}|^{\frac{1}{q}} |y_i| \qquad (\text{Cauchy-Schwarz}) \\ + & \leq \sum_{j\geq 1} |x_j| \biggl(\sum_{i\geq 1} |a_{ij}|\biggr)^{\frac{1}{p}} + \biggl(\sum_{i\geq 1} |a_{ij}| |y_i|^q\biggr)^{\frac{1}{q}} \qquad (\text{Cauchy-Schwarz}) \\ + & \leq \biggl(\sum_{j\geq 1} |x_j|^p \sum_{i\geq 1} |a_{ij}|\biggr)^{\frac{1}{p}} + \biggl(\sum_{j\geq 1} \sum_{i\geq 1} |a_{ij}| |y_i|^q\biggr)^{\frac{1}{q}} \\ + & \leq \|A\|_1^{\frac{1}{p}} \|x\|_{\ell_p} + \biggl(\sum_{i\geq 1} |y_i|^q \sum_{j\geq 1} |a_{ij}|\biggr)^{\frac{1}{q}} \\ + & \leq \|A\|_1^{\frac{1}{p}} \|x\|_{\ell_p} \|A\|_\infty^{\frac{1}{q}} + \biggl(\sum_{i\geq 1} \biggl|\sum_{j\geq 1} a_{ij} x_j\biggr|^p\biggr)^{\frac{p-1}{p}} \\ + & = \|A\|_1^{\frac{1}{p}} \|x\|_{\ell_p} \|A\|_\infty^{\frac{1}{q}} + \|A(x)\|_{\ell_p}^{p-1}, + \end{align*} + 因此 $\|A\|_{\mathcal{B}(\ell_p)} \leq \|A\|_1^{\frac{1}{p}} \|A\|_\infty^{\frac{1}{q}}$. \qedhere + \end{enumerate} \end{proof} \ No newline at end of file