Endlichdimensionale normierte Räume

Ein normierter Raum ist endlichdimensional, wenn er eine endliche Basis besitzt.
Sei EE ein Vektorraum und ∣∣⋅∣∣0||\cdot||_0, ∣∣⋅∣∣ ||\cdot|| zwei Normen auf EE. ∣∣⋅∣∣0||\cdot||_0 und ∣∣⋅∣∣||\cdot|| heissen genau dann äquivalent auf EE, wenn
∃c0,c>0 ∀x∈E:∣∣x∣∣0≤c0∣∣x∣∣\exists c_0,c>0 \, \forall x\in E: ||x||_0\leq c_0||x|| und ∣∣x∣∣≤c∣∣x∣∣0 ||x||\leq c||x||_0

Satz 16KB (Äquivalenz der Normen auf endlichdimensionalen Vektorräumen)

Auf einem endlichdimensionalen Vektorraum EE über K\mathbb{K} (K=R\mathbb{K}=\R oder K=C\mathbb{K}=\C) sind sämtliche Normen äquivalent.

Beweis

Sei dim⁡E=n\dim E=n und {x1,…,xn}\{x_1,\ldots,x_n\} eine Basis von EE. Für die x∈Ex\in E existieren α1,…,αn∈R\alpha_1,\ldots,\alpha_n\in\R, so dass x=∑i=1nαixix = \sum\limits_{i=1}^n \alpha_ix_i. Sei ∣∣⋅∣∣||\cdot|| eine beliebige Norm auf EE. Des weiteren definieren wir eine Norm ∣∣⋅∣∣0||\cdot||_0 auf EE als die Summennorm bzgl. der Koordinatendarstellung ∣∣x∣∣0:=∑i=1n∣αi∣=∣∣α∣∣1||x||_0:=\sum\limits_{i=1}^n|\alpha_i|=||\alpha||_1 mit α=(α1,…,αn)∈Rn\alpha= (\alpha_1, \ldots, \alpha_n)\in\R^n. Es genügt nun, zu zeigen, dass ∣∣⋅∣∣0||\cdot||_0 und ∣∣⋅∣∣||\cdot|| äquivalent sind. ∣∣x∣∣=∣∣∑i=1nαi⋅xi∣∣||x||=\left|\left|\sum\limits_{i=1}^n \alpha_i\cdot x_i\right|\right| ≤∑i=1n∣αi∣⋅∣∣xi∣∣ \leq \sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|\cdot ||x_i|| ≤max⁡1<i≤n∣∣xi∣∣∑i=1n∣αi∣ \leq \max_{1<i\leq n} ||x_i|| \sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|=c∣∣x∣∣0 = c||x||_0 mit c:=max⁡1<i≤n∣∣xi∣∣c:=\max_{1<i\leq n} ||x_i||. Jetzt ist "` ∣∣⋅∣∣0≤c0∣∣⋅∣∣||\cdot||_0\leq c_0||\cdot|| "'. Dazu betrachten wir folgende Funktion: f:(Rn,∣∣⋅∣∣∞)→Rf:(\R^n,||\cdot||_\infty)\rightarrow\R mit f(α1,…,αn):=∣∣∑i=1nαixi∣∣f(\alpha_1, \dots,\alpha_n):=||\sum\limits_{i=1}^n \alpha_i x_i||. ff ist stetig. Denn ∣f(α1,…,αn)−f(β1,…,βn)∣|f(\alpha_1,\dots,\alpha_n)-f(\beta_1,\dots,\beta_n)|=∣∣∑1n(αi−βi)xi∣∣ =||\sum\limits_1^n (\alpha_i-\beta_i)x_i||≤∑1n∣αi−βi∣⋅∣∣xi∣∣ \leq \sum\limits_1^n |\alpha_i-\beta_i| \cdot ||x_i||≤max⁡1≤i≤n∣∣xi∣∣⋅∑1n∣αi−βi∣ \leq \max_{1\leq i \leq n} ||x_i|| \cdot\sum\limits_1^n |\alpha_i-\beta_i|≤cn⋅max⁡1≤i≤n∣αi−βi∣ \leq cn\cdot{\max_{1\leq i\leq n} |\alpha_i-\beta_i|} =cn⋅∣∣(α1,…,αn)−(β1,…,βn)∣∣∞ {=cn\cdot ||(\alpha1,\dots,\alpha_n)-(\beta_1,\dots,\beta_n)||_\infty}. Daraus folgt, dass ff stetig ist. S={α=(α1,…,αn)∈Rn ∣ ∑i=1n∣αi∣=1}⊂RnS=\{\alpha=(\alpha_1,\dots,\alpha_n)\in\R^n\, |\, \sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|=1\} \subset\R^n ist abgeschlossen und beschränkt in (Rn,∣∣⋅∣∣∞)(\R^n,||\cdot||_\infty). Denn für g(α1,…,αn):=∑i=1n∣αi∣g(\alpha_1,\dots,\alpha_n):=\sum\limits_{i=1}^n|\alpha_i|; g:(Rn,∣∣⋅∣∣∞)→R g: (\R^n,||\cdot||_\infty)\rightarrow\R gilt, dass gg stetig ist. Damit ist S=g−1({1})S=g^{-1}(\{1\}) als Urbild einer abgeschlossenen Menge nach Satz 16CG abgeschlossen. SS ist beschränkt: ∣∣α∣∣∞=∣∣(α1,…,αn)∣∣∞≤∑i=1n∣αi∣=1||\alpha||_\infty=||(\alpha_1,\dots,\alpha_n)||_\infty\leq\sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|=1 für α=(α1,…,αn)∈S\alpha=(\alpha_1,\dots,\alpha_n)\in S. Somit ist SS in (Rn,∣∣⋅∣∣∞)(\R^n,||\cdot||_\infty) kompakt nach Satz 165L. Weil ff stetig ist, folgt, dass ff auf SS das Minimum annimmt (Satz 16K0), d.h. ∃(α10,…,αn0)∈S ∀(α1,…,αn)∈S:\exists (\alpha_1^0,\dots,\alpha_n^0)\in S \, \forall (\alpha_1,\dots, \alpha_n)\in S:0<1c0=f((α10,…,αn0) 0<\dfrac{1}{c_0}=f((\alpha_1^0,\dots,\alpha_n^0)≤f(α1,…,αn)=∣∣∑1nαixi∣∣ \leq f(\alpha_1,\dots,\alpha_n)=||\sum\limits_1^n \alpha_ix_i||. Sei 0≠x∈E0\neq x\in E beliebig. Dann existiert 0≠(α1,…,αn)∈Rn0\neq(\alpha_1,\dots, \alpha_n)\in\R^n: x=∑i=1nαixix=\sum\limits_{i=1}^n \alpha_ix_i. Für (α1∑i=1n∣αi∣,α2∑i=1n∣αi∣,…,αn∑i=1n∣αi∣)∈S\left(\dfrac{\alpha_1}{\sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|}, \dfrac{\alpha_2}{\sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|},\dots, \dfrac{\alpha_n}{\sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|}\right)\in S gilt 1c0≤∣∣∑k=1nαk∑i=1∣αi∣xk∣∣\dfrac{1}{c_0} \leq ||\sum\limits_{k=1}^n \dfrac{\alpha_k}{\sum\limits_{i=1} |\alpha_i|} x_k||=1∑i=1n∣αi∣∣∣∑1nαnxk∣∣ =\dfrac{1}{\sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|}||\sum\limits_1^n\alpha_n x_k|| ⇒∣∣x∣∣0=∑i=1n∣αi∣ \Rightarrow ||x||_0=\sum\limits_{i=1}^n |\alpha_i|≤c0∣∣∑1nαkxk∣∣=c0∣∣x∣∣ \leq c_0 ||\sum\limits_1^n \alpha_k x_k||=c_0||x||. Für x=0x=0 ist die Ungleichung ebenfalls erfüllt. □\qed

Satz 16KB ist die Verallgemeinerung von Satz 1663 für p-Normen im Rn\Rn.

Satz 16KC (endlichdimensionale normierte Räume als Banachräume)

Jeder endlichdimensionale normierte Raum (E,∣∣⋅∣∣)(E,||\cdot||) über R\R (bzw. C\C) ist vollständig also ein Banachraum.

Beweis

x=∑i=1nαiyi(αi∈R)x=\sum\limits_{i=1}^n \alpha_iy_i\quad (\alpha_i\in\R); y1,…,yny_1,\dots,y_n Basis von Rn\Rn. ∣∣x∣∣0:=max⁡1≤i≤n∣αi∣=∣∣α∣∣∞||x||_0:=\max_{1\leq i\leq n}|\alpha_i|=||\alpha||_\infty, α=(α1,…,αn)∈Rn \alpha= (\alpha_1,\dots,\alpha_n)\in\R^n ist eine Norm auf EE. Nach Satz 16KB existieren c,C>0c, C>0:
c∣∣x∣∣0≤∣∣x∣∣≤C∣∣x∣∣0 c||x||_0\leq ||x||\leq C||x||_0.(1)
Sei xk=∑i=1nαi(k)yix_k=\sum\limits_{i=1}^n \alpha_i^{(k)} y_i, αi(k)=(α1(k),…,αn(k))∈Rn \alpha_i^{(k)}= (\alpha_1^{(k)},\dots,\alpha_n^{(k)})\in\R^n. Es gilt c∣∣α(k)−α(l)∣∣∞c|| \alpha^{(k)}-\alpha^{(l)}||_\infty≤∣∣xk−xl∣∣≤C∣∣α(k)−α(l)∣∣∞ \leq ||x_k-x_l||\leq C ||\alpha^{(k)}-\alpha^{(l)}||_\infty. Sei (xk)⊂E(x_k)\subset E eine Cauchyfolge. Dann folgt, dass (α(k))⊂(Rn,∣∣⋅∣∣∞)(\alpha^{(k)})\subset(\R^n,||\cdot||_\infty) eine Cauchyfolge ist. Da nun (Rn,∣∣⋅∣∣∞)(\R^n,||\cdot||_\infty) vollständig ist, gibt es ein α=(α1,…,αn)∈Rn:∣∣α(k)−α∣∣∞→0\alpha =(\alpha_1,\dots,\alpha_n)\in\R^n:||\alpha^{(k)} -\alpha||_\infty\rightarrow 0⇒∣∣xk−x∣∣→0 \Rightarrow ||x_k-x||\rightarrow 0, x=∑i=1nαiyi∈E x=\sum\limits_{i=1}^n \alpha_iy_i\in E. Also konvergiert (xk)(x_k) in EE gegen xx und es folgt, dass EE vollständig ist. □\qed

Satz 16KD (Bolzano-Weierstraß-Eigenschaft endlichdimensionaler normierter Räume)

Sei KK eine Menge eines endlichdimensionalen normierten Raumes EE. KK ist genau dann kompakt, wenn KK beschränkt und abgeschlossen ist.

Beweis

" ⇒\Rightarrow": klar, Satz 5909E für metrische Räume. "⇐\Leftarrow": {yi}i=1…n\{y_i\}_{i=1\dots n} sei eine Basis in EE. Definiere f:(Rn,∣∣⋅∣∣∞)→Ef:(\R^n, ||\cdot||_\infty) \rightarrow E; f(α1,…,αn):=∑i=1nαiyi, f(\alpha_1,\dots,\alpha_n):=\sum\limits_{i=1}^n \alpha_i y_i, . Es gilt ff ist bijektiv von Rn\R^n auf EE. f,f−1f,f^{-1} sind stetige Funktionen wegen der Ungleichungen (1). Sei K⊂EK\subset E beschränkt und abgeschlossen. f−1(K)={(α1,…,αn)∈Rn:∑i=1nαiyi∈K}f^{-1}(K)= \{(\alpha_1,\dots,\alpha_n)\in\R^n:\sum\limits_{i=1}^n \alpha_iy_i \in K\} ist beschränkt, da KK beschränkt (wegen Ungleichung (1)) und abgeschlossen (Urbilder abgeschlossener Mengen sind nach Satz 16CG abgeschlossen), da ff stetig ist. Nach Satz 165L folgt: f−1(K)⊂(Rn,∣∣⋅∣∣∞)f^{-1}(K)\subset (\R^n,||\cdot||_\infty) kompakt. Da ff stetig ist, folgt K=f(f−1(K))⊂EK=f(f^{-1}(K))\subset E kompakt.

Es gilt sogar: Sind in einem Banachraum EE die beschränkten und abgeschlossenen Mengen kompakt, so ist EE endlichdimensional.
 
 

Ein guter mathematischer Scherz ist immer besser als ein ganzes Dutzend mittelmäßiger gelehrter Abhandlungen.

John Edensor Littlewood

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