开映射定理

更新时间:2022-09-24 10:09

泛函分析中,开映射定理是一个基本的结果,它说明如果巴拿赫空间之间的连续线性算子是满射的,那么它就是一个开映射。更加精确地:该定理的证明用到了贝尔纲定理,X和Y的完备性都是十分重要的。如果仅仅假设X或Y是赋范空间,那么定理的结论就不一定成立。然而,如果X和Y是弗雷歇空间,那么定理的结论仍然成立。

定义

设与为巴拿赫空间,为连续满射,则A为开映射

结果

开映射定理有一些重要的结果:

1.如果 是巴拿赫空间X和Y之间的双射连续线性算子,那么逆算子 也是连续的。(Rudin 1973, 推论2.12) ;

2.如果 是巴拿赫空间X和Y之间的线性算子,且如果对于X内的每一个序列( ),只要xn → 0且 就有 ,那么A就是连续的(闭图像定理)。(Rudin 1973, 定理2.15)。

证明

我们需要证明,如果 是巴拿赫空间之间的连续线性满射,那么 就是一个开映射。为此,只需证明 把 内的单位球映射到 的原点的一个邻域。

设 分别为 和 内的单位球。那么 是单位球的倍数 的序列的并集, ,且由于 是满射,

根据贝尔纲定理,巴拿赫空间 不能是可数个无处稠密集的并集,故存在 ,使得 的闭包具有非空的内部。因此,存在一个开球 ,其中心为 ,半径 ,包含在 的闭包内。如果 ,那么 和 位于 内,因此是 的极限点,根据加法的连续性,它们的差 是 的极限点。根据A的线性,这意味着任何 都位于 的闭包内,其中 。于是可以推出,对于任何 和任何 ,都存在某个 ,满足:

且 (1)

固定 。根据(!),存在某个 ,满足 且 ||y−A x 1||<δ / 2。定义序列 如下。假设:

根据(1),我们可以选择 ,使得:

因此 满足(2)。

设 从(2)的第一个不等式可知,是一个柯西序列,且由于是完备的,收敛于某个。根据(2),序列趋于,因此根据A的连续性,有。而且:

这表明每一个都属于,或等价地,内的单位球的像包含了Y内的开球。因此,是内0的邻域,定理得证。

推广

或的局部凸性不是十分重要的,但完备性则是:当和是F空间时,定理仍然成立。更进一步,这个定理可以用以下的方法与贝尔纲定理结合(Rudin, 定理2.11):

设为F空间,为拓扑线性空间。如果是一个连续线性算子,那么要么是内的贫集,要么。在后一个情况中,是开映射,也是空间。 更进一步,在这个情况中,如果是的核,那么有一个标准分解,形如下式:

其中是对闭子空间的商空间(也是空间)。商映射是开放的,且映射是拓扑线性空间的同构(Dieudonné, 12.16.8)。

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