Baire纲定理,一致有界定理

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Baire纲定理是实变函数与泛函分析的重要内容,基于Baire纲定理,可以推出线性算子的一致有界定理,开映像与逆算子定理,和闭算子与闭图像定理。

定义: Baire纲定理表明,若在距离空间中一个集合不能在任何开集中稠密,则该集合称为疏集,若集合可以表示为可数多个疏集的并集,则该集合为第一纲集,否则为第二纲集。

注: 疏集没有内点。完备的距离空间属于第二纲集。

定理: 完备的距离空间是第二纲集。

证明: 假设完备的距离空间不是第二纲集,则可以表示为可数多个稀集的并集。存在开球在其中不稠密的点,进而存在闭球同样在其中不稠密的点,以此类推,得到一组闭球套。由于完备性,此套中必然存在收敛子列,矛盾。

(Banach-Steinhaus 一致有界原理)

设线性算子族在Banach空间到赋范空间中的作用是有界的,如果对于任一元素,其作用值有界,则该算子族整体是有界的。

注: 点点有界的线性算子必定一致有界。

证明: 要证明集合中的线性算子一致有界,首先证明集合在单位球内是一致有界。然后使用Baire纲定理,存在一个闭球,使得算子在该球上一致有界。

(1). 令函数,由于连续,算子的值域为闭集,因此算子的值域是闭集。算子在单位球内一致有界。

(2). 考虑闭球,由于是第二纲集,存在点使得在开集内稠密,进而该点在闭球内稠密,将其平移到单位球内,算子在单位球内一致有界。

(3). 对任意元素,其作用值在单位球内有界,即算子整体一致有界。

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