里斯表示定理

更新时间:2023-01-08 17:12

这个定理建立了希尔伯特空间与它的对偶空间的一个重要联系:如果底实数,两者是等距同构;如果域是复数,两者是等距反同构。在泛函分析中有多个有名的定理冠以里斯表示定理(Riesz representation theorem),它们是为了纪念匈牙利数学家弗里杰什·里斯

定义

给定赋范空间H中向量η,则H的对偶空间H*中连续线性泛函f可唯一表示为

该映射 是一个反线性等距同构

希尔伯特空间

这个定理建立了希尔伯特空间与它的连续对偶空间的一个重要联系:如果底域是实数,两者是等距同构;如果域是复数,两者是等距反同构。如下所述,(反)同构是特别自然的。

设是一个希尔伯特空间,令表示它的对偶空间,由从到域或的所有连续线性泛函。如果 是中一个元素,则函数定义为

是的一个元素,这里 表示希尔伯特空间的内积。里斯表示定理断言中任何元素都能惟一地写成这种形式。

定理:映射

是一个等距(反)同构,这就是说:

双射

的范数与的范数相等:。

可加:。

如果底域是,则 对所有实数。

如果底域是,则对所有复数,这里表示的复共轭

的逆映射可以描述为: 给定中一个元素,核的正交补是的一维子空间。取那个子空间中一个非零元素,令 。则 Φ(x) = φ。

历史上,通常认为这个定理同时由里斯和弗雷歇在1907年发现(见参考文献)。格雷(Gray)在评论从他认为是原型的里斯(1909)一文到里斯表示定理的发展时说:“给定运算 ,可以构造有界变差函数 ,使得无论连续函数是什么,都有 ”

量子力学的数学处理中,这个定理可以视为流行的狄拉克符号记法的根据。当定理成立时,每个右矢 有一个相应的左矢,对应是清楚的。但是存在拓扑向量空间,比如核空间,里斯表示定理不成立,在这样的情形狄拉克符号变得不合适。

Cc(X) 上线性泛函

下面的定理表示出 Cc(X) 上的正线性泛函,紧支集连续复值函数空间。下面所说的博雷尔集表示由开集生成的σ代数。

局部紧豪斯多夫空间X上一个非负可数可加博雷尔测度 μ 是正则的(regular)当且仅当

开 }.

紧 }

定理:设X是一个局部紧豪斯多夫空间。对Cc(X)上任何正线性泛函ψ,X上存在唯一的正则概率测度μ使得

对所有f∈ Cc(X)。

领略测度论的一个途径是从拉东测度开始,其可定义为上的一个正线性泛函。这种方式由布尔巴基采取;这里显然假设X首先是一个拓扑空间,而不仅是一个集合。若X为局部紧空间,则可重新建立一个积分理论。

局部紧豪斯多夫空间

下面定理也称为里斯-马尔可夫定理,给出了C0(X)的对偶空间的一个具体实现,C0(X)由X上在无穷远趋于零的连续函数构成。定理陈述中的博雷尔集同样指由开集生成的 σ代数。结论与上一节类似,但不能包含在前一个结果之中。参见下面的技术性注释。

如果μ是一个复值可数可加博雷尔测度,μ 是正则的当且仅当非负可数可加测度 |μ| 正则(上一节所定义的)。

定理:设X是一个局部紧豪斯多夫空间。对 C0(X)上任何有界线性泛函ψ,存在X上唯一正则概率测度μ使得对所有f∈C0(X),均有

ψ 的范数作为线性泛函是 μ 的全变差(total variation),即

最后,ψ是的当且仅当测度μ是非负的。

注:Cc(X)上任何有界线性泛函惟一延拓为C0(X)上有界线性泛函,因为后一个空间是前者的闭包。但是Cc(X) 上一个无界正线性泛函不能延拓为C0(X) 上一个有界线性泛函。因此前两个结论应用的情形稍微不同。

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