Теорема Хана – Банаха

редактировать

Теорема о расширении ограниченных линейных функционалов

Теорема Хана – Банаха является центральный инструмент функционального анализа (область математики ). Он позволяет расширить линейных ограниченных функционалов, определенных в подпространстве некоторого векторного пространства, на все пространство, а также показывает, что существует «достаточно» непрерывных линейные функционалы, определенные на каждом нормированном векторном пространстве, чтобы сделать изучение двойного пространства "интересным". Другая версия теоремы Хана – Банаха известна как теорема Хана – Банаха об отделении или теорема об отделении гиперплоскостей и имеет множество применений в выпуклой геометрии.

Содержание

1 История
2 Теорема Хана – Банаха
- 2.1 Доказательство
- 2.2 В локально выпуклых пространствах
- 2.3 Связь с аксиомой выбора
3 «Геометрическая Хана – Банаха» (разделение Гана – Банаха теоремы)
- 3.1 Опорные гиперплоскости
- 3.2 Сбалансированные или дисковые окрестности
4 Приложения
- 4.1 Уравнения в частных производных
- 4.2 Характеризация рефлексивных банаховых пространств
- 4.3 Пример из теории Фредгольма
5 Обобщения
- 5.1 Для полунорм
- 5.2 Геометрическое разделение
- 5.3 Максимальное линейное расширение
- 5.4 Векторное значение Хана – Банаха
- 5.5 Для нелинейных функций
6 Converse
7 См. Также
8 Ссылки
9 Библиография

История

Теорема названа в честь математиков Ганса Хана и Стефана Банаха, которые независимо доказали ее в конце 1 920-е гг. Частный случай теоремы для пространства $C [a, b] {\ displaystyle {C} {\ left [a, b \ right]}}$ ${\ displaystyle {C} {\ left [ a, b \ right]}}$ непрерывных функций на интервале был доказан. ранее (в 1912 г.) Эдуардом Хелли и более общей теоремой о расширении М. Теорема Рисса о расширении, из которой может быть получена теорема Хана – Банаха, была доказана в 1923 году Марселем Риссом.

Первая теорема Хана – Банаха была доказана Эдуардом Хелли в 1921 году. который показал, что некоторые линейные функционалы, определенные на подпространстве определенного типа нормированного пространства ( $CN {\ displaystyle \ mathbb {C} ^ {\ mathbb {N}}}$ ${\ displaystyle \ mathbb {C} ^ { \ mathbb {N}}}$ ), имеют расширение та же норма. Хелли сделал это с помощью техники первого доказательства существования одномерного расширения (где линейный функционал имеет область, расширенную на одно измерение), а затем с помощью индукции. В 1927 году Хан определил общие банаховы пространства и использовал технику Хелли для доказательства сохраняющей норму версии теоремы Хана – Банаха для банаховых пространств (где ограниченный линейный функционал на подпространстве имеет ограниченное линейное расширение той же нормы на все пространство). В 1929 году Банах, который не знал о результате Хана, обобщил его, заменив версию, сохраняющую норму, на версию с преобладающим расширением, которая использует сублинейные функции. В то время как в доказательстве Хелли использовалась математическая индукция, Хан и Банах оба использовали трансфинитную индукцию.

Теорема Хана – Банаха возникла в результате попыток решить бесконечные системы линейных уравнений. Это необходимо для решения таких проблем, как проблема моментов, при которой с учетом всех потенциальных моментов функции необходимо определить, существует ли функция, имеющая эти моменты, и, если да, найти ее в терминах этих моментов.. Другой такой проблемой является проблема ряда косинусов Фурье, в соответствии с которой, учитывая все потенциальные коэффициенты косинуса Фурье, необходимо определить, существует ли функция, имеющая эти коэффициенты, и, опять же, найти ее, если это так.

Рис и Хелли решили проблему для определенных классов пространств (таких как L ([0, 1]) и C ([a, b])), где они обнаружили, что существование решения было эквивалентно существованию и непрерывности некоторых линейных функционалов. По сути, им нужно было решить следующую задачу:

(Векторная задача ) Для данной коллекции

(fi) i ∈ I {\ displaystyle \ left (f_ {i} \ right) _ {i \ в I}}

{\ displaystyle \ left (f_ {i} \ right) _ {i \ in I}}

линейных ограниченных функционалов в нормированном пространстве X и наборе скаляров

(ci) i ∈ I {\ displaystyle \ left (c_ {i} \ right) _ {i \ в I}}

{\ displaystyle \ left (c_ {i} \ right) _ {i \ in I}}

, определите, существует ли x ∈ X такой, что f i (x) = c i для всех i ∈ I.

Чтобы решить эту проблему, если X рефлексивно, тогда достаточно решить следующую двойную задачу:

(Функциональная задача ) Для данной коллекции

(xi) i ∈ I {\ displaystyle \ left (x_ {i} \ right) _ {i \ in I}}

{\ displaystyle \ left (x_ {i} \ right) _ {i \ in I}}

векторов в нормированном пространстве X и набор скаляров

(ci) i ∈ I {\ displaystyle \ left ( c_ {i} \ right) _ {i \ in I}}

{\ displaystyle \ left (c_ {i} \ right) _ {i \ in I}}

, определите, существует ли ограниченный линейный функционал f на X такой, что f (x i) = c i для всех i ∈ I.

Далее Рисс определил L ([0, 1]) (1 < p < ∞) in 1910 and the l spaces in 1913. While investigating these spaces he proved a special case of the Hahn–Banach theorem. Helly also proved a special case of the Hahn–Banach theorem in 1912. In 1910, Riesz solved the functional problem for some specific spaces and in 1912, Helly solved it for a more general class of spaces. It wasn't until 1932 that Banach, in one of the first important applications of the Hahn–Banach theorem, solved the general functional problem. The following theorem states the general functional problem and characterizes its solution.

Теорема (Функциональная проблема) - Пусть X быть реальным или сложным нормированное пространство, I непустое множество, (c i)i ∈ I семейство скаляров и (x i)i ∈ I семейство векторов в X.

Существует непрерывный линейный функционал f на X такой, что f (x i) = c i для всех i ∈ I тогда и только тогда, когда существует K>0 такое, что для любой выбор скаляров (s i)i ∈ I, где все, кроме конечного числа s i равны 0, мы обязательно имеем
$| ∑ i ∈ I s i c i | ≤ K ‖ ∑ i ∈ I s i x i ‖. {\ displaystyle \ left | \ sum _ {я \ in I} s_ {i} c_ {i} \ right | \ leq K \ left \ | \ sum _ {i \ in I} s_ {i} x_ {i} \ right \ |.}$ ${\ displaystyle \ left | \ sum _ {i \ in I} s_ {i} c_ {i} \ right | \ leq K \ left \ | \ sum _ {i \ i n I} s_ {i} x_ {i} \ right \ |.}$
Из приведенной выше теоремы можно вывести теорему Хана – Банаха. Если X рефлексивно, то эта теорема решает векторную проблему.
Теорема Хана – Банаха
Теорема (Хана-Банаха) - Установите 𝕂 равным или ℂ и пусть X будет 𝕂-векторным пространством. Если f: M → 𝕂 --линейный функционал на 𝕂-линейном подпространстве M, а p: X → ℝ - неотрицательная сублинейная функция такая, что
| f (m) | ≤ p (m) для всех m ∈ M.
, то существует 𝕂-линейная F: X → 𝕂 такая, что
F (m) = f (m) для всех m ∈ M,
| F (x) | ≤ p (x) для всех x ∈ X.
Расширение F, как правило, не определяется однозначно с помощью f, и доказательство не дает явного метода того, как найти F.

Можно ослабить слегка условие субаддитивности для p, требуя только, чтобы для всех x, y ∈ X и всех скаляров a и b, удовлетворяющих | a | + | b | ≤ 1,
p (ax + by) ≤ | a | p (x) + | b | p (y).
Кроме того, можно ослабить условия положительной однородности и субаддитивности для p, потребовав только того, чтобы p было выпуклым.

Проект Mizar полностью формализован и автоматически проверил доказательство теоремы Хана – Банаха в файле HAHNBAN.
Доказательство
В сложном случае предположения ℂ-линейности требуют, чтобы M = N + Ni для некоторого вещественного векторного пространства N. Более того, для любого вектора x ∈ N f (ix) = if (x). Таким образом, действительная часть линейного функционала уже определяет поведение линейного функционала в целом, и доказательства реального случая будет достаточно.

Сначала отметим первоначальный результат Хелли: если M имеет коразмерность 1, тогда Хан-Банах легко.

Лемма (Теорема об одномерном доминирующем расширении). Пусть X - вещественное векторное пространство, p: X → ℝ - сублинейная функция, f: M → ℝ - линейный функционал на собственном векторное подпространство M ⊆ X такое, что f ≤ p на M (т. Е. F (m) ≤ p (m) для всех m ∈ M), а x ∈ X вектор, не принадлежащий M. Существует линейный расширение F: M ⊕ ℝx → ℝ отображения f на M ⊕ ℝx = span {M, x} такое, что F ≤ p на M ⊕ ℝx.
Доказательство -
Для доказательства этой леммы пусть m, n ∈ M. В силу свойств линейности наших функций
-p (−x - n) - f (n) ≤ p ( m + x) - f (m).
В частности, пусть
a = $sup n ∈ M {\ displaystyle \ sup _ {n \ in M}}$ ${\ displaystyle \ sup _ {n \ in M}}$ [- p (−x - n) - f (n)] и b = $inf m ∈ M {\ displaystyle \ inf _ {m \ in M}}$ ${\ displaystyle \ inf _ {m \ in M}}$ [p (m + x) - f (m)]
Тогда мы заключаем «решающее неравенство», что для любого a≤b. Итак, пусть c ∈ [a, b] и положим F (m + rx) = f (m) + rc; тогда
F (m + rx) ≤p (m) + rc≤p (m + rx)
Обратное неравенство аналогично.

Теперь примените лемму Цорна : возможные расширения f частично упорядочены расширением друг друга, поэтому существует максимальное расширение F. По результату коразмерности 1, если F не определено на всех X, то его можно продолжить. Таким образом, F, как утверждается, следует определять везде.
В локально выпуклых пространствах
В приведенной выше форме расширяемый функционал уже должен быть ограничен сублинейной функцией. В некоторых приложениях это может быть близко к , напрашивается вопрос. Однако в локально выпуклых пространствах любой непрерывный функционал уже ограничен нормой , которая является сублинейной. Таким образом, мы имеем

непрерывное расширение на локально выпуклых пространствах - Пусть X локально выпуклое топологическое векторное пространство над (либо, либо ℂ), M - векторное подпространство X и fa непрерывный линейный функционал на M. Там f имеет непрерывное линейное продолжение на все X. Если топология на X возникает из нормы, то норма f сохраняется этим расширением.

В терминах теории категорий поле 𝕂 является инъективным объектом в категории локально выпуклых векторных пространств.
Связь с аксиомой выбора
В приведенном выше доказательстве используется лемма Цорна, которая эквивалентна аксиоме выбора . Теперь известно (см. Ниже), что лемма об ультрафильтре (или, что эквивалентно, теорема о булевом простом идеале ), которая немного слабее, чем выбранная аксиома, на самом деле достаточно сильна.

Теорема Хана – Банаха эквивалентна следующему:
(∗): на каждой булевой алгебре B существует «вероятностный заряд», то есть непостоянный конечно аддитивный отображение из B в [0, 1].
(Теорема о булевом простом идеале эквивалентна утверждению, что всегда есть непостоянные вероятностные заряды, которые принимают только значения 0 и 1.)

In Теория множеств Цермело – Френкеля, можно показать, что теоремы Хана – Банаха достаточно для вывода о существовании измеримого по Лебегу множества. Более того, из теоремы Хана – Банаха следует парадокс Банаха – Тарского.

. Для разделимых банаховых пространств Д.К. Браун и С.Г. Симпсон доказали, что теорема Хана – Банаха следует из WKL 0, слабая подсистема арифметики второго порядка, которая принимает форму леммы Кёнига, ограниченной двоичными деревьями в качестве аксиомы. Фактически, они доказывают, что при слабом наборе предположений они эквивалентны, например обратная математика.
«Геометрическая теория Хана-Банаха» (теоремы Хана-Банаха о разделении)
Ключевым элементом теоремы Хана-Банаха является, по сути, результат о разделении двух выпуклых множеств: {−p (−x - n) - f (n): n∈M} и {p (m + x) - f (m): m∈M}. Этот вид аргументов широко используется в выпуклой геометрии, теории оптимизации и экономике. Леммы с этой целью, полученные из исходной теоремы Хана-Банаха, известны как теоремы Хана-Банаха об отделимости .

Теорема - Пусть X - вещественное локально выпуклое топологическое векторное пространство и пусть A и B не- пустые выпуклые подмножества. Если Int A ≠ ∅ и B ∩ Int A = ∅, то существует непрерывный линейный функционал f на X такой, что sup f (A) ≤ inf f (B) и f (a) < int f(B) for all a ∈ Int A (such is f is necessarily non-zero).

Часто предполагается, что выпуклые множества иметь дополнительную структуру; т.е. что они открытые или компактные. В этом случае вывод можно существенно усилить:

Теорема - Пусть X - вещественное топологическое векторное пространство, и выберем A, B выпуклые непустые непересекающиеся подмножества X.
Если A открыто, то A и B разделены (замкнутой) гиперплоскостью. Явно это означает, что существует непрерывное линейное отображение f: X → 𝕂 и s ∈ ℝ такое, что f (a) < s ≤ f(b) for all a ∈ A, b ∈ B. If both A and B are open then the right-hand side may be taken strict as well.
Если X локально выпукло, A компактно и B замкнуто, то A и B строго разделены: существует непрерывное линейное отображение f: X → 𝕂 и s, t ∈ ℝ такое, что f (a) < t < s < f(b) for all a ∈ A, b ∈ B.
Если X комплексный, то те же утверждения верны, но для вещественной части из ф.

Одно важное следствие известно как геометрическая теорема Хана – Банаха или теорема Мазура .

Теорема (Мазур). Пусть M - векторное подпространство топологической векторное пространство X. Предположим, что K - непустое выпуклое открытое подмножество X с K ∩ M = ∅. Тогда существует замкнутая гиперплоскость (векторное подпространство коразмерности 1) N⊆X, которая содержит M, но остается не пересекающейся с K.

Чтобы увидеть, что теорема Мазура следует из теорем Хана-Банаха об отделимости, заметим что M является выпуклым и применяем первую пулю. Теорема Мазура поясняет, что векторные подпространства (даже незамкнутые) можно характеризовать линейными функционалами.

Следствие (разделение подпространства и открытого выпуклого множества) - Пусть X - локально выпуклое векторное пространство, M - векторное подпространство и U - непустое открытое выпуклое подмножество, не пересекающееся с M. Тогда существует непрерывный линейный функционал f на X такой, что f (m) = 0 для всех m ∈ M и Re f>0 на U
Опорные гиперплоскости
Поскольку точки тривиально выпуклые, геометрические Хан-Банах предполагает, что функционалы могут обнаруживать границу набора. В частности, пусть X - вещественное топологическое векторное пространство и A ⊆ X выпукло с Int A ≠ ∅. Если $a 0 ∈ A ∖ Int ⁡ A {\ displaystyle a_ {0} \ in A \ setminus \ operatorname {Int} A}$ ${\ displaystyle a_ {0} \ in A \ setminus \ operatorname {Int} A}$ , то существует функционал, который исчезает в 0, но поддерживается внутри A.

Назовите нормированное пространство X гладким, если в каждой точке x в его единичном шаре существует уникальная замкнутая гиперплоскость единичного шара. в х. Кете показал в 1983 г., что нормированное пространство гладко в точке x тогда и только тогда, когда норма дифференцируема по Гато в этой точке.
Сбалансированные или дисковые окрестности
Пусть U - выпуклая сбалансированная окрестность 0 в локально выпуклом топологическом векторном пространстве X, и пусть x ∈ X не является элементом U. Тогда существует непрерывный линейный функционал f на X такое, что
sup | f (U) | ≤ | f (x) |.
Приложения
Теорема Хана-Банаха является первым признаком важной философии функционального анализа : чтобы понять пространство, нужно понять его непрерывные функционалы.

Например, линейные подпространства характеризуются функционалами: если X является нормированным векторным пространством с линейным подпространством M (не обязательно замкнутым), и если z является элементом X, не входящим в замыкание M, то существует непрерывное линейное отображение f: X → 𝕂 с f (x) = 0 для всех x в M, f (z) = 1 и || f || = dist (z, M). (Чтобы убедиться в этом, заметьте, что dist (·, M) - сублинейная функция.) Более того, если z - элемент X, то существует непрерывное линейное отображение f: X → 𝕂 такое, что f (z) = || z || и || f || ≤ 1. Это означает, что естественная инъекция J из нормированного пространства X в его двойной двойственный V ′ ′ изометрична.

Этот последний результат также предполагает, что теорема Хана-Банаха часто может использоваться для определения «более хорошей» топологии, с которой можно работать. Например, многие результаты функционального анализа предполагают, что пространство является хаусдорфовым или локально выпуклым. Однако предположим, что X - топологическое векторное пространство, не обязательно Хаусдорфово или локально выпуклое, но с непустым, собственным, выпуклым, открытым множеством M. Тогда из геометрического Хана-Банаха следует, что существует гиперплоскость, отделяющая M от любой другой момент. В частности, на X должен существовать ненулевой функционал, т. Е. непрерывное двойственное пространство X * нетривиально. Если рассматривать X со слабой топологией , индуцированной X *, то X становится локально выпуклым; по второму пункту геометрической теории Хана-Банаха, слабой топологии на этом новом пространстве. Таким образом, X с этой слабой топологией становится Хаусдорфом. Иногда это позволяет применять некоторые результаты из локально выпуклых топологических векторных пространств к нехаусдорфовым и нелокально выпуклым пространствам.
Уравнения с частными производными
Теорема Хана – Банаха часто бывает полезна, когда кто-то хочет применить метод априорных оценок. Предположим, что мы хотим решить линейное дифференциальное уравнение Pu = f для u, где f задано в некотором банаховом пространстве X. Если у нас есть контроль над размером u в терминах $‖ F ‖ X {\ displaystyle \ | F \ | _ {X}}$ ${\ displaystyle \ | F \ | _ {X}}$ и мы можем рассматривать u как ограниченный линейный функционал на некотором подходящем пространстве тестовых функций g, тогда мы можем рассматривать f как линейный функционал посредством присоединения: $(f, г) знак равно (и, п * г) {\ Displaystyle (е, г) = (и, P ^ {*} г)}$ ${\ displaystyle (f, g) = (u, P ^ {*} g)}$ . Сначала этот функционал определяется только на образе P, но, используя теорему Хана – Банаха, мы можем попытаться распространить его на всю область X. Результирующий функционал часто определяется как слабое решение уравнение.
Характеризация рефлексивных банаховых пространств
Теорема - Реальное банахово пространство рефлексивно тогда и только тогда, когда каждая пара непустых непересекающихся замкнутых выпуклых подмножеств, одно из которых является ограниченным, может быть строго разделенными гиперплоскостью.
Пример из теории Фредгольма
Чтобы проиллюстрировать реальное применение теоремы Хана – Банаха, мы докажем результат, который почти полностью следует из теоремы Хана – Банаха.

Предложение. Предположим, что X - хаусдорфова локально выпуклая TVS над полем, а Y - векторное подпространство в X, которое TVS-изоморфно 𝕂 для некоторого множества I. Тогда Y - замкнутое и дополняемое векторное подпространство X.
Доказательство -
Так как 𝕂 является полной TVS, поэтому Yи поскольку любое полное подмножество Хаусдорфовой TVS замкнуто, Y- замкнутое подмножество X. Пусть f = (f i)i∈I : Y → 𝕂 - изоморфизм TVS, так что каждый f i : Y → 𝕂 является непрерывный сюръективный линейный функционал.По теореме Хана – Банаха мы можем продолжить каждое f i до непрерывного линейного функционала F i : X → 𝕂 на X. Пусть F: = ( F i)i∈I : X → 𝕂, так что F - непрерывная линейная сюръекция такая, что ее ограничение на Y равно F | Y = (F i|Y)i∈I = (f i)i∈I = f. Отсюда следует, что если мы определим P: = f ∘ F: X → Y, то ограничение на Y этого непрерывного линейного отображения P | Y : Y → Y - тождественное отображение 𝟙 Y на Y, для P | Y = f ∘ F | Y = f ∘ f = 𝟙 Г. Так, в частности, P является непрерывной линейной проекцией на Y (то есть P ∘ P = P). Таким образом, Y дополняется в X и X = Y ⊕ ker P в категории TVS. ∎

Можно использовать приведенный выше результат, чтобы показать, что каждое замкнутое векторное подпространство в дополняется и либо конечномерно, либо TVS-изоморфно.
Обобщения
Общий шаблон
Сейчас существует множество других версий теоремы Хана – Банаха. Общий шаблон для различных версий теоремы Хана – Банаха, представленный в этой статье, выглядит следующим образом:
X - векторное пространство, p - сублинейная функция на X (возможно, полунорма ), M - векторное подпространство в X (возможно, замкнутое), а f - линейный функционал на M, удовлетворяющий | f | ≤ p на M (и, возможно, некоторые другие условия). Тогда можно сделать вывод, что существует линейное продолжение F функции f на X такое, что | F | ≤ p на X (возможно, с дополнительными свойствами).
Для полунорм
Хан – Банах для полунорм - Если M - векторное подпространство в X, p - полунорма на M, а r - полунорма на X такая, что p ≤ q | M, то существует полунорма P на X такая, что P | M = p и P ≤ q.

Доказательство проводится следующим образом:

Лемма - Пусть M будет векторным подпространством вещественного или комплексного векторного пространства X, пусть D будет поглощающим диском в X, и пусть f - линейный функционал на M такой, что | f | ≤ 1 на M ∩ D. Тогда существует линейный функционал F на X, продолжающий f такой, что | F | ≤ 1 на D.

пусть S - выпуклая оболочка {m ∈ M: p (x) ≤ 1} ∪ {x ∈ X: q (x) ≤ 1}. Обратите внимание, что S - это поглощающий диск в X, и вызывайте его функционал Минковского q. Тогда p = P на M и P ≤ q на X.
Геометрическое разделение
Теорема Хана – Банаха о сэндвиче - Пусть S - любое подмножество реального векторного пространства X, пусть p - сублинейное функция на X, и пусть f: S → ℝ - любое отображение. Если существуют такие положительные числа a и b, что для всех x, y ∈ S
$0 ≥ inf s ∈ S [p (s - ax - by) - f (s) - af (x) - bf (y)] {\ displaystyle 0 \ geq \ inf _ {s \ in S} [p (s-ax-by) -f (s) -af (x) -bf (y)]}$ ${\ displaystyle 0 \ geq \ inf _ {s \ in S} [p (s-ax-by) -f (s) -af (x) -bf (y)]}$
тогда существует линейный функционал F на X такой, что F ≤ p на X и f ≤ F на S.
Максимальное линейное расширение
Теорема (Andenaes, 1970) - Пусть M - векторное подпространство реального векторного пространства X, p - сублинейная функция на X, f - линейный функционал на M такой, что f ≤ p на M, и пусть S - любое подмножество X. Тогда существует линейный функционал F на X, расширяющий f, удовлетворяющий F ≤ p на X и является (поточечно) максимальным в следующем смысле: если G - линейный функционал на X, продолжающий f и удовлетворяющий G ≤ p на X, то из G ≥ F следует, что G = F на S.
Векторнозначный Hahn –Банах
Теорема - Пусть X и Y - векторные пространства над одним и тем же полем, M - векторное подпространство в X, а f: M → Y - линейное отображение. Тогда существует линейное отображение F: X → Y, продолжающее f.
Для нелинейных функций
Следующая теорема Мазура – Орлича (1953) эквивалентна теореме Хана – Банаха.

Теорема Мазура – Орлича - Пусть T - любое множество, r: T → ℝ - любое вещественнозначное отображение, X - вещественное или комплексное векторное пространство, v: T → X - любое отображение, а p - сублинейная функция на X. Тогда следующие утверждения эквивалентны:
существует вещественнозначный линейный функционал F на X такой, что F ≤ p на X и r ≤ F ∘ v на T;
для любого положительное целое число n, любая последовательность s 1,..., s n неотрицательных действительных чисел и любая последовательность t 1,..., t n элементов T, $∑ i = 1 nsir (ti) ≤ p (∑ i = 1 nsiv (ti)) {\ displaystyle \ sum _ {i = 1} ^ {n } s_ {i} r (t_ {i}) \ leq p \ left (\ sum _ {i = 1} ^ {n} s_ {i} v (t_ {i}) \ right)}$ ${\ displaystyle \ sum _ {i = 1} ^ {n} s_ {i} r (t_ {i}) \ leq p \ left (\ sum _ {i = 1} ^ {n} s_ {i} v (t_ {i}) \ right)}$ .
Следующие Теорема характеризует, когда любая скалярная функция на X (не обязательно линейная) имеет непрерывное линейное продолжение на все X.

Теорема (принцип расширения) - Пусть fa скалярная функция на подмножестве S из a топологическое векторное пространство X. Тогда существует непрерывный линейный функционал F на X, продолжающий f тогда и только тогда, когда существует непрерывная полунорма p на X такая, что
$| ∑ я = 1 н а я ф (s я) | ≤ п (∑ я = 1 наиси) {\ displaystyle \ left | \ sum _ {i = 1} ^ {n} a_ {i} f (s_ {i}) \ right | \ leq p \ left (\ sum _ {i = 1} ^ {n} a_ {i} s_ {i} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left | \ sum _ {i = 1} ^ {n} a_ {i} f (s_ {i}) \ right | \ leq p \ left (\ sum _ {i = 1} ^ {n} a_ {i} s_ {i} \ right)}$
для всех натуральных чисел n и всех конечных последовательностей (a i). i = 1 скаляров и элементов (s i). i = 1 of S.
Converse
Пусть X - топологическое векторное пространство. Векторное подпространство M в X имеет свойство расширения, если любое непрерывное линейное функционал на M может быть расширен до непрерывного линейного функционала на X, и мы говорим, что X обладает свойством расширения Хана – Банаха (HBEP ), если каждое векторное подпространство X имеет расширение

Теорема Хана – Банаха гарантирует, что каждое хаусдорфово локально выпуклое пространство имеет HBEP. Для полных метризуемых топологических векторных пространств существует обратное, благодаря Калтону: каждое полное метризуемое TVS с свойство расширения Хана – Банаха является локально выпуклым. С другой стороны, векторное пространство X несчетной размерности, наделенное тончайшей векторной топологией, t тогда это топологические векторные пространства со свойством расширения Хана-Банаха, которое не является ни локально выпуклым, ни метризуемым.

Векторное подпространство M TVS X имеет свойство разделения if для каждого элемента X такой, что x ∉ M, существует непрерывный линейный функционал f на X такой, что f (x) ≠ 0 и f (m) = 0 для всех m ∈ M. Ясно, что непрерывное двойственное пространство ТВП X разделяет точки на X тогда и только тогда, когда {0} имеет свойство разделения. В 1992 году Какол доказал, что в любом бесконечномерном векторном пространстве X существуют TVS-топологии на X, которые не имеют HBEP, несмотря на наличие достаточного количества непрерывных линейных функционалов, чтобы непрерывное двойственное пространство разделяло точки на X. Однако, если X является TVS то каждое векторное подпространство X обладает свойством расширения тогда и только тогда, когда каждое векторное подпространство X обладает свойством разделения.
См. также
лемму Фаркаша
Принцип существования Фичеры
M. Теорема Рисса о расширении
Теорема о разделяющей оси
Векторнозначные теоремы Хана – Банаха
Ссылки
Библиография
ISBN 0-12-622760-8.
, Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
Адаш, Норберт; Эрнст, Бруно; Кейм, Дитер (1978). Топологические векторные пространства: теория без условий выпуклости. Конспект лекций по математике. {3834. Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-08662-8. OCLC 297140003.
Банах, Стефан (1932). Теория линейных операций [Теория линейных операций] (PDF). Monografie Matematyczne (на французском языке). 1 . Варшава: Subwencji Funduszu Kultury Narodowej. Zbl 0005.20901. Архивировано из оригинального (PDF) 11 января 2014 г. Проверено 11 июля 2020 г.
Бербериан, Стерлинг К. (1974). Лекции по функциональному анализу и теории операторов. Тексты для выпускников по математике. 15 . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-387-90081-0. OCLC 878109401.
Bourbaki, Nicolas (1987) [1981]. Топологические векторные пространства: главы 1–5 [Sur specific espaces vectoriels topologiques]. Annales de l'Institut Fourier. Éléments de mathématique. 2. Перевод Eggleston, H.G.; Мадан, С. Берлин Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-42338-6. OCLC 17499190.
Конвей, Джон (1990). Курс функционального анализа. Тексты для выпускников по математике. 96(2-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-97245-9. OCLC 21195908.
Эдвардс, Роберт Э. (1995). Функциональный анализ: теория и приложения. Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-68143-6. OCLC 30593138.
Гротендик, Александр (1973). Топологические векторные пространства. Перевод Чалджуба, Орландо. Нью-Йорк: издательство Gordon and Breach Science. ISBN 978-0-677-30020-7. OCLC 886098.
Ярчоу, Ханс (1981). Локально выпуклые пространства. Штутгарт: B.G. Teubner. ISBN 978-3-519-02224-4. OCLC 8210342.
Кёте, Готфрид (1969). Топологические векторные пространства I. Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften. 159 . Перевод Гарлинга, Д.Дж.Х. Нью-Йорк: Springer Science Business Media. ISBN 978-3-642-64988-2. MR 0248498. OCLC 840293704.
; (2011). Топологические векторные пространства. Чистая и прикладная математика (Второе изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1584888666. OCLC 144216834.
Рид, Майкл и Саймон, Барри, Методы современной математической физики, Vol. 1, Функциональный анализ, Раздел III.3. Academic Press, San Diego, 1980. ISBN 0-12-585050-6.
Наричи, Лоуренс; Бекенштейн, Эдвард (1997). «Теорема Хана – Банаха: жизнь и времена». Топология и ее приложения. 77 (2): 193–211. doi : 10.1016 / s0166-8641 (96) 00142-3.
Рид, Майкл; Саймон, Барри (1980). Функциональный анализ (перераб. И доп. Ред.). Бостон, Массачусетс: Academic Press. ISBN 978-0-12-585050-6.
Робертсон, Алекс П.; Робертсон, Венди Дж. (1980). Топологические векторные пространства.. 53 . Кембридж, Англия: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-29882-7. OCLC 589250.
Рудин, Вальтер (1991). Функциональный анализ. Международная серия по чистой и прикладной математике. 8 (Второе изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 978-0-07-054236-5. OCLC 21163277.
Шефер, Гельмут Х. ; (1999). Топологические векторные пространства. GTM. 8(Второе изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York Выходные данные Springer. ISBN 978-1-4612-7155-0. OCLC 840278135.
Шмитт, Лотар М. (1992). «Эквивариантная версия теоремы Хана – Банаха». Хьюстон Дж. Математика. 18 : 429–447.
Шехтер, Эрик (1996). Справочник по анализу и его основам. Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 978-0-12-622760-4. OCLC 175294365.
Swartz, Charles (1992). Введение в функциональный анализ. Нью-Йорк: М. Деккер. ISBN 978-0-8247-8643-4. OCLC 24909067.
Тао, Теренс, Теорема Хана – Банаха, теорема Менгера и теорема Хелли
Трев, Франсуа (2006) [1967 ]. Топологические векторные пространства, распределения и ядра. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-45352-1. OCLC 853623322.
Вилански, Альберт (2013). Современные методы в топологических векторных пространствах. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-49353-4. OCLC 849801114.
Виттсток, Герд, оператор Эйн Вертигер Хан-Банах Сац, Дж. of Functional Analysis 40 (1981), 127–150
Цейдлер, Эберхард, Прикладной функциональный анализ: основные принципы и их приложения, Springer, 1995.