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ハーン-バナッハの拡張定理 📂バナッハ空間

ハーン-バナッハの拡張定理

定理1

(X,)(X, \left\| \cdot \right\|)ノルム空間としよう。YXY \subset Xとする。そして、YY線形汎関数yYy^{\ast} \in Y^{\ast}が与えられたとする。すると、以下の式を満たすXXの線形汎関数xXx^{\ast} \in X^{\ast}が存在する。

x(y)=y(y),yY \begin{equation} x^{\ast}(y)=y^{\ast}(y),\quad \forall y \in Y \end{equation}

xX=yY \begin{equation} \| x^{\ast}\|_{X^{\ast}} = \| y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \end{equation}

説明

簡単に言うと、部分空間の双対を全空間の双対に拡張できるということだ。つまり、部分空間のすべての線形汎関数には、同じ関数値、ノルムを持つ全空間の線形汎関数が対になるものがある。また、ノルム空間XXC\mathbb{ C}-ベクトル空間として扱おう。

補助定理:セミノルムに関するハーン-バナッハ定理

XXC\mathbb{C}-ベクトル空間であって、YXY \subset Xとする。p:XRp : X \to \mathbb{ R}XXセミノルムとしよう。そして、以下の条件を満たすYYの線形汎関数と仮定しよう。

y(y)p(y),yY | y^{\ast}(y) | \le p(y),\quad \forall y\in Y

すると、以下の条件を満たすXXの線形汎関数x:XCx^{\ast} : X \to \mathbb{C}が存在する。

x(y)=y(y),yY x^{\ast}(y)=y^{\ast}(y),\quad \forall y \in Y

x(x)p(x),xX | x^{\ast}(x) | \le p(x),\quad \forall x \in X

証明

XXYYのノルムを\left\| \cdot \right\|XX^{\ast}YY^{\ast}のノルムをX\left\| \cdot \right\|_{X^{\ast}}Y\left\| \cdot \right\|_{Y^{\ast}}として表そう。p:XRp : X \to \mathbb{R}が以下のように定義された関数だとしよう。

p(x)=yYxX,xX p(x)=\|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|x \|_{X},\quad x\in X

するとpp準線形であることが示される。定義により0p0 \le pなのでppはセミノルムである。また、以下の式が成り立つ。

y(y)y(y)= y1yy(y)= yy(yy)yyY= p(y) \begin{align*} y^{\ast}(y) \le & | y^{\ast}(y) | \\ =&\ \left| \|y\| \frac{1}{\| y\|} y^{\ast}(y) \right| \\ =&\ \|y\| \left| y^{\ast}\left( \frac{y}{\|y\|} \right) \right| \\ \le & \|y\| \left\|y^{\ast}\right\|_{Y^{\ast}} \\ =&\ p(y) \end{align*}

三行目でy\|y\|は定数なので絶対値の外に出ることができ、yy^{\ast}が線形なので1y\frac{1}{\|y\|}が関数の中に入った。また、四行目はyy=1\left\| \frac{y}{\|y\|} \right\| =1であり双対のノルムの定義によりyY=supy1yYy(y)\| y^{\ast}\|_{Y^{\ast}}=\sup \limits_{\substack{ \|y\| \le 1 \\ y\in Y}} |y^{\ast}(y)|なので成り立つ。したがって、補助定理を使う条件が満たされたので、以下の条件を満たすXXの線形汎関数x:XCx^{\ast} : X \to \mathbb{ C}が存在する。

x(y)=y(y),yY x^{\ast}(y)=y^{\ast}(y), \quad \forall y \in Y

x(x)p(x),xX \begin{equation} | x^{\ast}(x) | \le p(x),\quad \forall x \in X \end{equation}

最初の条件は(1)(1)と同値である。(3)(3)により、

x(x)p(x)=yYx |x^{\ast}(x)| \le p(x) =\|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|x\|

双対のノルムの定義により、

xX=supx1xXyYx=yY \|x^{\ast}\|_{X^{\ast}} = \sup \limits_{\substack{ \|x\| \le 1 \\ x\in X}}\|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|x\| = \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}}

したがって、(2)(2)の条件を満たす。

結論

1

XXがノルム空間で、x0Xx_{0} \in Xであるとする。すると、以下の条件を満たすxXx^{\ast} \in X^{\ast}が存在する。

xX=1,x(x0)=x0 \|x^{\ast}\|_{X^{\ast}} = 1,\quad x^{\ast}(x_{0}) = \| x_{0}\|

証明

Y={λλx0R}Y=\left\{ \lambda | \lambda x_{0} \in \mathbb{ R}\right\}としよう。すると、YYXXの部分空間になる。今、YYの線形汎関数y:YRy^{\ast} : Y \to \mathbb{R}を以下のように定義しよう。

y(y)=y(λx0):=λx0,y=λx0Y y^{\ast}(y)=y^{\ast} (\lambda x_{0}):=\lambda \|x_{0}\|,\quad y=\lambda x_{0}\in Y

yy^{\ast}が実際に線形になることは簡単に確認できるので省略する。yy^{\ast}の定義により、

y(y)=λx0=λx0=y | y^{\ast}(y) |=\lambda\|x_{0} \|=\|\lambda x_{0}\|=\| y\|

双対のノルムの定義によりyY=supy1yYy(y)\| y^{\ast}\|_{Y^{\ast}}=\sup \limits_{\substack{ \|y\| \le 1 \\ y\in Y}} |y^{\ast}(y)|なので、

yY=1 \begin{equation} \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} = 1 \end{equation} また、

y(x0)=x0(5) y^{\ast}(x_{0})=\|x_{0}\| \tag{5}

ハーン-バナッハ拡張定理により、与えられたyy^{\ast}に対してxX=1=yY\|x^{\ast}\|_{X^{\ast}} = 1 = \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}}であり、x(y)=y(y),yYx^{\ast}(y)=y^{\ast}(y),\forall y \in Yを満たすXXの線形汎関数xx^{\ast}が存在する。この時(4)(4)(5)(5)により、

xX=yY=1 \|x^{\ast}\|_{X^{\ast}} = \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} = 1

x(x0)=y(x0)=x0 x^{\ast}(x_{0})=y^{\ast}(x_{0})=\| x_{0}\|

2

XXC\mathbb{C}-ベクトル空間であり、YSY \subset Sが共にXXの部分空間であるとする。もしsSs \in Sd(s,Y)=δ>0d (s, Y) = \delta > 0であれば、以下を満たすxXx^{\ast} \in X^{\ast}が存在する。

xX1 \left\| x^{\ast} \right\|_{X^{\ast}} \le 1

y(s)= y(s)=δ,s(SY)x(y)= y(y)=0,yY \begin{align*} y^{\ast} (s) =&\ y^{\ast} (s) = \delta, \quad s \in (S \setminus Y) \\ x^{\ast} (y) =&\ y^{\ast} (y) = 0, \quad y \in Y \end{align*}


d(s,Y)d \left( s, Y \right)は点ssと集合YYとの最も近い距離、つまりd(s,Y):=infyYsyd (s,Y) := \inf \limits_{y \in Y} \left\| s-y \right\|を表す。

証明2

S:=Y+Cs={y+λs:yY,λC} S := Y + \mathbb{C} s = \left\{ y + \lambda s : y \in Y , \lambda \in \mathbb{C} \right\}

とすると、SXS \subset Xである。関数y:SCy^{\ast} : S \to \mathbb{C}

y(y+λs):=λδ y^{\ast} \left( y + \lambda s \right) := \lambda \delta

のように定義すると、yy^{\ast}は当然線形性を持つ。今、yy^{\ast}が関数であるか確認しよう。y1+λ1s=y2+λ2sy_{1} + \lambda_{1} s = y_{2} + \lambda_{2} sとし、λ1λ2\lambda_{1} \ne \lambda_{2}と仮定すると、y1y2=(λ2λ2)sy_{1} - y_{2} = \left( \lambda_{2} - \lambda_{2} \right) sなのでs=1λ2λ1(y1y2)\displaystyle s = {{ 1 } \over { \lambda_{2} - \lambda_{1} }} \left( y_{1} - y_{2} \right)であり、YYはベクトル空間なので加法に閉じていなければならないため、sYs \in Yでなければならない。しかし、これはd(s,Y)>0d (s, Y) > 0と矛盾するのでλ1=λ2\lambda_{1} = \lambda_{2}でなければならない、

y(y1+λ1s)=λ1δ=λ2δ=y(y2+λ1s) y^{\ast} \left( y_{1} + \lambda_{1} s \right) = \lambda_{1} \delta = \lambda_{2} \delta = y^{\ast} \left( y_{2} + \lambda_{1} s \right)

したがって、yy^{\ast}は関数としてうまく定義される。すべてのy+λsSy + \lambda s \in Sに対して、

y(y+λs)= λδ= λd(s,Y)= λinfyYsy= sλyy+λs \begin{align*} \left| y^{\ast} (y + \lambda s) \right| =&\ \left| \lambda \delta \right| \\ =&\ \left| \lambda \right| d (s,Y) \\ =&\ \left| \lambda \right| \inf_{y \in Y} \left\| s-y \right\| \\ =&\ \left\| s- \lambda y \right\| \\ \le& \left\| y + \lambda s \right\| \end{align*} よって、yy^{\ast}は有界で、特にy1\left\| y^{\ast} \right\| \le 1 である。y:SCy^{\ast} : S \to \mathbb{C}が有界線形関数であり、ハーン-バナッハ定理により、すべてのsSs \in Sに対して、x(s)=y(s)x^{\ast}(s) = y^{\ast}(s)を満たすxXx^{\ast} \in X^{\ast}が存在する。一方、yy^{\ast}の定義からλ=0\lambda = 0を代入すると、y(y+0s)=0y^{\ast} (y + 0 s) = 0 なので、すべてのyYy \in Yに対して、

y(y)=x(y)=0 y^{\ast} (y ) = x^{\ast}(y) = 0

また、yy^{\ast}は線形なので、

y(s)=y(y)+1y(s)=y(y+1s)=1δ y^{\ast} (s) = y^{\ast} (y) + 1 y^{\ast} (s)= y^{\ast} (y + 1s) = 1 \delta

つまり、s(SY)s \in (S \setminus Y)に対して、

y(s)=x(s)=δ y^{\ast} (s) = x^{\ast}(s) = \delta

付録

付録1

x1,x2Xx_{1},x_{2} \in Xで、λC\lambda \in \mathbb{C}とする。すると、

p(x1+x2)= yYx1+x2yY(x1+x2)= yYx1+yYx2= p(x1)+p(x2) \begin{align*} p(x_{1} + x_{2}) =&\ \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|x_{1} + x_{2} \| \\ \le & \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \big(\| x_{1}\| +\|x_{2}\| \big) \\ =&\ \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|x_{1}\| + \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|x_{2}\| \\ =&\ p(x_{1})+p(x_{2}) \end{align*}

p(λx1)= yYλx1= λyYx1= λp(x1) \begin{align*} p(\lambda x_{1}) =&\ \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|\lambda x_{1} \| \\ =&\ |\lambda | \|y^{\ast}\|_{Y^{\ast}} \|x_{1}\| \\ =&\ | \lambda| p(x_{1}) \end{align*}

よって、ppは準線形である。

付録2

XXがベクトル空間であるので、XXの要素に定数をかけたものはやはりXXの要素である。したがって、YYXXの部分集合である。部分集合YYが部分空間になるためには、加法とスカラー倍に関して閉じていることを示す必要があるy1=λ1x0Yy_{1}=\lambda_{1}x_{0} \in Yy2=λ2x0Y y_{2}=\lambda_2x_{0} \in Yλ1,λ2,kR\lambda_{1}, \lambda_2, k \in \mathbb{R}であり、λ1+λ2=λ3R\lambda_{1}+\lambda_2=\lambda_{3}\in \mathbb{R}kλ1=λ4Rk\lambda_{1}=\lambda_{4}\in \mathbb{ R}とする。すると、

y1+y2=λ1x0+λ2x0=λ3x0Y y_{1}+y_{2}=\lambda_{1} x_{0} + \lambda_2 x_{0}=\lambda_{3}x_{0}\in Y

ky1=k(λ1x0)=(kλ1)x0=λ4x0Y ky_{1}=k(\lambda_{1}x_{0})=(k \lambda_{1})x_{0}=\lambda_{4} x_{0} \in Y

したがって、YYXXの部分空間である。


  1. Robert A. Adams and John J. F. Foutnier, Sobolev Space (2nd Edition, 2003), p6 ↩︎

  2. http://mathonline.wikidot.com/corollaries-to-the-hahn-banach-theorem ↩︎