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现代分析的基石—函数空间,理解它们是理解所有现代分析的关键

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潜入数学的深渊,你会发现一片无垠的领域,犹如一座无边无际的森林,其中的每一棵树,每一片叶子,都饱含了生机与奥秘。在这座森林中,有一片神秘的区域被我们称为"函数空间"。

什么是函数空间?

当我们处理实数或复数时,一个数x有一个自然的大小概念,即它的模|x|。我们也可以利用这一个大小的概念来定义两个数x和y的距离



由此可以说,哪些成对的数是互相接近的,哪些是远离的。

然而,当处理具有较多自由度的对象时,情况就变得比较复杂。举例来说,考虑决定一个3维矩形箱子的“大小”,这里有好几个量可供选用:长、宽、高、体积、表面积、直径(最长的对角线长度)、扁平率等等。不幸的是,用这些量作出的大小比较并不是等价的。例如,箱子A可能比箱子B长一些,而且体积也比较大,但是箱子B可能宽一些,而且表面积大一些。由于这个原因,人们放弃了箱子应该只用一个量来表示其大小的想法,而接受了另一个思想:有许多这样的大小概念,它们都可能是有用的,在有些应用里,把大体积的箱子和小体积的箱子分开来;在有些应用里,可能想把扁平的箱子和圆一点的箱子分开来。当然,不同的大小概念有一些关系(例如等周不等式)。它们在已知表面积时,对体积的可能值给出了一个上界,所以,情况并不像初看起来那样漫无头绪。

现在回到具有固定的定义域和值域的函数,

(最好心里记住一个定义在区间[-1,1]上而值在实直线R中的函数f:[-1,1]→R,这是一个好的例子)。

这些对象有无穷多自由度,所以毫不奇怪,这里也有无穷多不同的“大小”概念,而它们都对于“一个已给的函数有多大"这个问题(或者对一个密切相关的问题:“两个函数f和g有多么接近?")提供了不同的答案。有时候,一些函数在某种度量下有无穷的大小,而在另一种度量下则只有有限大小(类似地,一对函数可能在某种度量下非常接近,而在另一种度量下距离很远)。这里的情况又可能看起来很混乱,但是它仅是反映了一个事实,即函数可能有许多不同的特性——有的高,有的胖,有的光滑,有的震荡,等等,而按照不同的应用,可能更着重于一种特性,而不是另一种。在分析里,这些特性都体现在种种标准的函数空间及其相关的范数上,而这些范数,既可定量也可定性地描述这些函数。

形式地看,一个函数空间常是一个赋范空间X,其元素是一些函数(具有固定的定义域和值域)。在分析中考虑的标准的函数空间绝大多数(但肯定不是全部)不仅是赋范空间,还是巴拿赫空间。X中的函数f的范数:



就是这个函数空间量度这个函数f有多大的方法。

巴拿赫空间是完备的赋范向量空间,也就是说,它是一个在某种范数下的向量空间,并且这个空间是完备的。完备性是指对于空间中的任何柯西序列(Cauchy sequence),它在该空间中都有极限。

通常(但非一定如此)范数是由简单的公式给出的,而空间X就是由那些使得



有意义并且为有限的函数构成的。这样,仅就函数f属于函数空间X这一事实,就已经传递了关于这个函数的定量的信息了,例如,它可能包含了f正规到何种程度,它衰减多么快,它以什么常数为界,或者它的积分有多大,等等。

函数空间的例子

现在给出一些常用的函数空间的样本。为简单起见,仅限于考虑由[-1,1]到R的函数的空间。



这个空间由所有由[-1,1]到R的连续函数构成,通常记作C[-1,1]。连续函数已经足够正规,足以避免那些很粗糙的函数所产生的许多技术上微妙的地方。紧区间(如[-1,1])上的连续函数是有界的,所以可以加于这个空间的最自然的范数是上确界范数,即|f|的最大值,记作



形式上说,它的定义是



但是对于连续函数,说最大值或者说上确界,是一致的。

上确界范数是与一致收敛性相联系的范数:一个序列f1,f2,…一致收敛于f,当且仅当



空间C⁰[-1,1]有一个有用的性质,即其中的元素不但可以相加,而且可以相乘,这就使C⁰[-1,1]成为巴拿赫代数的最基本的例子。

另一个函数空间的例子是:



这是一个对成员的资格限制比C⁰[-1,1]更严的空间:C¹[-1,1]中的函数f不仅是连续的,而且它的导数在[-1,1]上也是连续的。上确界范数现在不是一个自然的范数,因为一个连续可微函数序列可以在C⁰[-1,1]范数下收敛于一个不可微的函数。现在应该定义



注意C¹范数现在不仅量度函数本身的大小,还量度了其导数的大小(但是仅仅管住导数也不能令人满意,因为那会给常值函数以零范数)。因此这是一个保证了比上确界范数更高的正规性的范数。可以类似地定义二次连续可微的函数的空间



等等,一直到无穷可微函数的空间



但是最后这个空间并不是赋范空间(这些空间还有“分数阶”的版本,例如



即满足α阶赫尔德(Otto Ludwig Holder,德国数学家)条件的函数的空间。

第三个函数空间的例子:勒贝格空间



上面给出的上确界范数



对于所有的x∈[-1,1]管住了|f(x)|的大小。然而,这意味着如果有x的一个很小的集合,使得|f(x)|在其上很大,则



哪怕对于典型的x,|f(x)|会小得很多。有时,取一个不那么受函数在小的集合上的值影响的范数会更加有利。函数f的LP范数是



当1≤p<∞时,它对于(使得上面的积分有限的)可测函数有意义。这些函数构成



可测函数f的范数



是它的本质上确界,这个概念粗略地说,就是在函数的定义域中略去了一个测度为0的集合,然后求此函数在此零测度集合的余集合上的上确界,最后再求这些上确界的下确界。那些使得



保持有限的函数构成一个函数空间,记作



如果此函数是连续的,则在定义域中略去一个0测度集合,不会影响其上确界,所以





可以证明,当p→x时,



可以说,



范数量度的是函数的“高度”,

L^P范数量度的是函数的“高度”和“宽度”的综合。

这些范数中,特别重要的是L²范数,因为L²[-1,1]是一个希尔伯特空间。这个空间有特别丰富的对称性:存在非常丰富的种种酉变换,即定义在



最后一个函数空间的例子:索伯列夫空间



勒贝格范数在一定程度上控制了函数的高度和宽度,但是对于函数的正规性未置一词;一个L函数没有理由是可微的,甚至没有理由是连续的。为了把这些信息也放进来,我们要转到索伯列夫(Sergei Lvovich Sobolev,前苏联数学家)范数



其定义是



索伯列夫空间就是使得这种范数为有限的函数所成的空间。这样,一个函数在索伯列夫空间中当且仅当它和它的直到k阶的导数都在



这里有一点细微之处:我们并不要求f在通常意义下k次可微,而是在较弱的分布的意义下k次可微。例如,函数f(x)=|x|在零点并不可微,但是它确有一个自然的弱导数:



这个函数属于



(因为集合{0}的测度为0,所以不必指定f'(0)之值。所以f属于



这个空间就是利普希茨连续函数所成的空间。我们需要考虑这些广义可微的函数,因为否则



在对偏微分方程和数学物理作分析研究时,索伯列夫范数特别有用。例如



范数可以解释为与此函数相联系的“能量”(的平方根)。

函数空间的性质

函数空间的构造在许多方面有助于研究函数。例如,如果在函数空间中有了一个好的基底,使得此空间的每一个函数都可以写成这个基底的(可能是无穷的)线性组合,而且对于这个线性组合如何收敛于原来的函数有一些定量的估计,这就使我们能有效地用一些系数来表示这个函数,而且可以用更光滑的函数来逼近它。例如,关于



的一个基本的结果是,普兰舍利定理指出,除了其他结果外,还有:存在复常数序列



使得当N→∞时,



这个结果表明,L²[-1,1]中的任意函数都可以在L^2中用三角多项式,即形如



的表达式,逼近到任意精确度,这个复数序列中的an就是f的第n个傅里叶系数,它们可以用下面的公式来表示:



可以认为,这个结果说的就是函数序列



(实际上,它们构成规范正交基底,即每个元素的范数均为1,而且任意两个不同元素的内积都是零)。

关于函数空间的另一个很基本的事实是,有些函数空间可以嵌入其他函数空间,所以这个空间的所有函数自动地也属于另一个空间。进而,时常存在一个不等式,用另一函数空间的范数来给出此函数空间范数的上界。例如,一个高正规性空间如C¹[-1,1]的函数自动地属于一低正规性空间如C⁰[-1,1],而一个高可积性空间如中的函数自动地属于一个低可积性空间。这些包含关系不能反转过来。然而,确实有所谓索伯列夫嵌入定理,使我们能以正规性“交换”可积性。这种结果告诉我们,具有很多正规性但是可积性不足的空间,可以嵌入到具有低正规性但是高可积性的空间里面。下面这种估计



就是这种定理的一个样本。它告诉我们,如果|f(x)|和|f'(x)|的积分都有限,则函数f必定是有界的。

再一个非常有用的概念是对偶性的概念。给定一个空间X,就可以定义其对偶空间X*为X上的所有连续线性泛函的空间,或者更精确地说,就是所有的映射



的空间,不过要求它们是线性的,而且对于X的范数是连续的。例如,当1



这里的q由等式1/p+1/q=1决定,称为p的共轭指数

要研究某函数空间的一个函数,有时可以看对偶空间中的连续线性泛函如何作用于这些函数来进行。类似于此,要研究一个从一个函数空间X到另一个函数空间Y的连续线性算子T:X→Y,有时也可以先考虑伴算子T*:Y*→X*来进行。

关于函数空间,我们还要提一个重要的事实,某个函数空间X可以“插入”另外两个函数空间X0和X1中间。例如空间L^P[-1,1],1



插入的精确定义过于技术化,所以本文不作解释,但是关于它的所谓“插值定理"之所以很有用,是因为有这样一个事实:“极端”的空间X0和X1时常比“夹在中间的”空间更容易研究。例如,可以用它来给出杨(William Henry Young)的不等式以一个初等证明。这个不等式就是说,令1≤p,q,r≤ 满足关系式1/p+1/q=1+1/r,而f,g分别属于





即有



这时,



插值定理在这里是很有用的,因为在p=1,q=1或r=x这些极端的情况下,这个不等式很容易证明。如果不借助于插值定理,这个证明就难多了。

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