赋范空间 赋范空间的完备性

赋范空间 赋范空间的完备性

柯西序列

根据收敛序列的定义,若 lim ⁡ n → ∞ x n = x 0 \lim_{n \to \infty}x_n=x_0 limn→∞xn=x0,则只要项数充分大, { x n } \{x_n\} {xn} 的任意两项之间的距离就可以任意小,可以描述为:
∥ x m − x n ∥ → 0 ( m , n → ∞ ) \|x_m-x_n\| \to 0 \quad (m,n \to \infty) ∥xm−xn∥→0(m,n→∞)

具备上面特征的序列称为柯西序列,也就是说收敛序列必定是柯西序列。

当 { x n } \{x_n\} {xn} 是实数列或者复数列的时候柯西序列一定收敛,但是当 { x n } \{x_n\} {xn} 是有理序列的时候,柯西序列不一定收敛,比如 ( 1 , 1.4 , 1.414 , ⋯   ) (1,1.4,1.414,\cdots) (1,1.4,1.414,⋯)

可以通过柯西序列是否收敛来定义一般赋范空间的完备性。

定义

柯西序列的定义

设 { x n } \{x_n\} {xn} 是 ( X , ∥ ⋅ ∥ ) (X, \|\cdot\|) (X,∥⋅∥) 中的序列,若 ∀ ϵ > 0 , ∃ N ∈ N \forall \epsilon > 0, \exist N \in \mathbb{N} ∀ϵ>0,∃N∈N,使得只要 m , n > N m,n>N m,n>N,就有
∥ x m − x n ∥ < ϵ \|x_m-x_n\|< \epsilon ∥xm−xn∥<ϵ

就称 { x n } \{x_n\} {xn} 是 ( X , ∥ ⋅ ∥ ) (X, \|\cdot\|) (X,∥⋅∥) 中的柯西序列或基本序列。

收敛必是柯西序列,柯西序列不一定收敛

范数的等价性在柯西序列上的体现

对等价范数而言, { x n } \{x_n\} {xn}如果在其中一个范数上是柯西序列,那么在他的所有其他等价范数上也是柯西序列

柯西序列的性质

  1. 柯西序列一定是有界序列
  2. 如果柯西序列的一个子序列收敛,那么柯西序列就是收敛的

Banach(巴拿赫)空间

如果赋范空间 X X X 中任意一个柯西序列都收敛,则称 X X X 是完备的,完备的赋范空间又叫Banach空间。

例如 ( Q , ∣ ⋅ ∣ ) (\mathbb{Q},|\cdot|) (Q,∣⋅∣)是不完备的。

下面的例子也是不完备的例子

R \mathbb{R} R 和 C \mathbb{C} C 都是完备的

范数的等价性在完备性上的体现

设 ∥ ⋅ ∥ α \|\cdot\|{\alpha} ∥⋅∥α 和 ∥ ⋅ ∥ β \|\cdot\|{\beta} ∥⋅∥β 是线性空间 X X X 上的等价范数, 则 ( X , ∥ ⋅ ∥ α ) (X, \|\cdot\|{\alpha}) (X,∥⋅∥α) 完备当且仅当 ( X , ∥ ⋅ ∥ β ) (X, \|\cdot\|{\beta}) (X,∥⋅∥β) 完备。

常见赋范空间的完备性

R n 、 C n \mathbb{R}^n、\mathbb{C}^n Rn、Cn 都是完备的

( l 2 , ∥ ⋅ ∥ 2 ) (l^2, \|\cdot\|_2) (l2,∥⋅∥2) 是巴拿赫空间

( C a , b , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) (Ca,b,\|\cdot\|_{\infty}) (Ca,b,∥⋅∥∞) 是巴拿赫空间

重要结论

有限维空间的完备性

有限维赋范空间都是完备的,任何赋范空间的有限维子空间都是巴拿赫空间

子空间的完备性

巴拿赫空间的子空间不一定是巴拿赫空间

例如 ( C a , b , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) (Ca,b,\|\cdot\|{\infty}) (Ca,b,∥⋅∥∞)是巴拿赫空间,但其子空间 ( P a , b , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) (Pa,b,\|\cdot\|{\infty}) (Pa,b,∥⋅∥∞) 不完备。

赋范空间完备的充要条件

赋范空间 X X X 完备的充要条件是: X X X 中每一个绝对收敛的级数收敛

有限维赋范空间中每一个绝对收敛的级数都收敛

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