二重規範

関数解析において双対ノルムは、ノルム付きベクトル空間上で定義された連続 線形関数のサイズの尺度です

意味

をノルムを持つノルム付きベクトル空間としその連続双対空間とする。に属する連続線型関数双対ノルムは、 [1]で定義される以下の同値な式のいずれかによって定義される非負の実数である。ここで、 と はそれぞれ上限 と下限 を表す。定数写像はベクトル空間の原点であり、常にノルムを持つ。とする と、上の唯一の線型関数は定数写像であり、さらに、最後の2行の集合は両方とも空となり、その結果、それらの上限はの正しい値ではなく に等しくなる。

重要なのは、線型関数は一般には閉単位球上でノルムを達成することが保証されていないということ、つまり、 となるようなノルムのベクトルは存在しない可能性があるということである(もしそのようなベクトルが存在し、 であればは必然的に単位ノルムを持つ)。 RC ジェームズは1964 年にジェームズの定理を証明した。この定理によれば、バナッハ空間反射的であるためには、すべての有界線型関数が閉単位球上でノルムを達成する必要がある。[2] 特に、すべての非反射的バナッハ空間には、閉単位球上でノルムを達成しない何らかの有界線型関数が存在することになる。しかし、ビショップ・フェルプスの定理は、バナッハ空間の単位球面でノルムを達成する有界線型関数の集合が、連続双対空間ノルム稠密な部分集合であることを保証する。[3] [4]

写像は上のノルムを定義する(以下の定理1と2を参照)。双対ノルムは、ノルム付きベクトル空間間の各(有界)線型写像に対して定義される作用素ノルムの特別な場合である。 (または基底体は完備なので、バナッハ空間である。によって誘導される上の位相は、上の弱*位相よりも強いことがわかる。

ノルム線型空間の二重双対

重双対(または第二双対)は、ノルムベクトル空間の双対である。自然な写像が存在する。実際、 の各 に対して、定義する。

写像は線型単射距離保存である[5]特に、が完備(すなわちバナッハ空間)であれば、はの閉部分空間への等長写像となる[6]

一般に、写像は射影的ではありません。例えば、 が実数直線上の有界関数からなるバナッハ空間で、上限ノルムを持つ場合、写像は射影的ではありません(空間を参照)。 が射影的である場合、 は反射的バナッハ空間と呼ばれます。 が射影的である場合、反射的バナッハ空間 と呼ばれます。

行列の双対ノルム

そのによって定義されるフロベニウスノルムは自己双対である。すなわち、その双対ノルムは

そのスペクトルノルム は、のときの誘導ノルムの特殊なケース行列の最大特異値特異値を表す 任意の行列に対してによって定義される核ノルムをその双対ノルムとして持ちます [引用が必要]

行列のSchattenノルムSchatten ノルムと双対である場合

有限次元空間

を のノルムとすると関連する双対ノルムは次のように定義される。

(これはノルムであることが示せます。) 双対ノルムは、の演算子ノルムをのノルム、 の絶対値を持つ行列として解釈すると解釈できます

双対ノルムの定義から、すべてに対して成り立つ不等式が得られます。 [ 7 ] [8]双対ノルムの双対は元のノルムです。すべてに対して成り立ちます(これは無限次元ベクトル空間では成立するとは限りません。)

ユークリッドノルムの双対はユークリッドノルムである。

(これはコーシー・シュワルツの不等式から導かれる。非ゼロの場合、が最大となる値はである。)

-ノルムの双対は-ノルムですまた、-ノルムの双対は-ノルムです

より一般的には、ヘルダーの不等式は、 -ノルムの双対が-ノルムであることを示しており、ここで、は次を満たす

別の例として、 の- またはスペクトルノルムを考えてみましょう。関連する双対ノルムは となり、これは特異値の和となります。ここで、このノルムは核規範[9]

L pとℓpスペース

pの場合、ベクトルの-ノルム( -ノルムとも呼ばれる)

を満たす場合、ノルムノルムは互いに双対であり、ノルムノルムについても同様である。ただし、は何らかの測度空間である。特に、ユークリッドノルムは自己双対である。 なぜなら、 の場合、双対ノルムは正定値であるからである。

ノルム、すべてのベクトルに対して、正準内積によって誘導される。この内積は、分極恒等式を用いてノルムで表現できるこれに基づいて、 ユークリッド内積はで定義されますが二乗可積分関数からなる測度空間に関連付けられた空間 について、この内積は となります。 と の連続双対空間のノルムは分極恒等式を満たすためヒルベルト空間でもあります

プロパティ

ノルムベクトル空間が与えられ [10]をから へのすべての有界線型写像(または演算子の集合とすると標準ノルムを与えることができます。

定理1 ノルム空間とする。各連続線型作用素にスカラーを代入すると、ノルム空間が定義され、ノルム空間が定義される。さらに、がバナッハ空間であるならば、バナッハ空間も[11]である。

がスカラー場(つまりまたはとき、 は双対空間である。

定理2 をノルム空間とし、定義により がスカラーである任意 の に対して、

  1. バナッハ空間を作る規範である。 [14]
  2. が閉単位球体であるとき、任意のに対して、したがって、はノルムを持つ有界線形関数である。
  3. は弱*コンパクトです。

いつものように、は のノルムによって誘導される標準計量を表し、点から部分集合までの距離を で表すがノルム空間上の有界線形関数である場合、任意のベクトル[18]に対して、 は核を表す。

参照

注記

  1. ^ ルディン 1991, p. 87
  2. ^ ディーステル 1984年、6ページ。
  3. ^ ビショップ, エレット;フェルプス, RR (1961). 「すべてのバナッハ空間が部分反射的であることの証明」アメリカ数学会報. 67 : 97–98 . doi : 10.1090/s0002-9904-1961-10514-4 . MR  0123174.
  4. ^ ロモノソフ、ビクター(2000). 「複素空間におけるビショップ・フェルプス定理の反例」.イスラエル数学ジャーナル. 115 : 25–28 . doi :10.1007/bf02810578. MR  1749671. S2CID  53646715.
  5. ^ Rudin 1991、セクション4.5、p.95
  6. ^ ルディン 1991, p. 95
  7. ^ ボイド & ヴァンデンバーグ 2004、p. 637
  8. ^ この不等式は、次の意味で厳密です。任意の に対して、不等式が等式とともに成立する が存在します。(同様に、任意の に対して、等式を与える が存在します。)
  9. ^ ボイド & ヴァンデンバーグ 2004、p. 637
  10. ^ それぞれはベクトル空間であり、関数の加算とスカラー乗算の通常の定義に従います。これは のベクトル空間構造にのみ依存し、 には依存しません
  11. ^ ルディン 1991, 92ページ
  12. ^ ルディン 1991, 93ページ
  13. ^ ルディン 1991, 93ページ
  14. ^ アリプランティスとボーダー 2006、p. 230
  15. ^ Rudin 1991, 定理3.3 系、p. 59
  16. ^ Rudin 1991, 定理3.15バナッハ–アラオグル定理アルゴリズム、p. 68
  17. ^ ルディン 1991, 94ページ
  18. ^ 橋本・中村・大治 1986年、p. 281.

参考文献

  • Lieven Vandenbergeによる近位マッピングに関する注釈
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