Funktionenräume
Normierter Raum der beschränkten Funktionen
- (f+g)(x):=f(x)+g(x) und (c⋅f)(x)=c⋅f(x)
Die
Norm ist die
Supremumsnorm:
∣∣f∣∣∞:=supx∈Ω∣f(x)∣.
Es ist
B({1,…,n})=Rn und
B(N) der Raum der
beschränkten Folgen.
Weitere Funktionenräume
Normierter Raum der
Riemann-integrierbaren Funktionen (
R -integrierbaren
Funktionen)
(R[a,b],∣∣⋅∣∣∞) R[a,b]={f:[a,b]→R∣f Riemann-integrierbar},
∣∣f∣∣∞:=supx∈I∣f(x)∣.
(C1[a,b],∣∣⋅∣∣∞),
C1[a,b]:={f∈C[a,b]∣f stetig differenzierbar auf
]a,b[}
Gleichmäßige Konvergenz
Konvergenz bezüglich
∣∣⋅∣∣∞ heißt
gleichmäßige Konvergenz von
Funktionen in
B(Ω),Cb(X) oder
R[a,b].
∣∣fn−f∣∣∞→0⇔∀ε>0∃nε∈N∀n≥nε:∣∣fn−f∣∣∞=supx∣fn(x)−f(x)∣≤ε
⇔∀ε>0∃nε∈N∀n≥nε∀x:∣fn(x)−f(x)∣≤ε
Im Gegensatz dazu ist die
punktweise Konvergenz einer
Folge wie folgt definiert:
∀x∀ε>0∃nε∈N∀n≥nε:∣fn(x)−f(x)∣≤ε
Aus
gleichmäßiger Konvergenz folgt
punktweise Konvergenz.
Satz 16K8 (Funktionenräume als Banachräume)
(B(Ω),∣∣⋅∣∣∞),
(Cb(X),∣∣⋅∣∣∞) und
(R[a,b],∣∣⋅∣∣∞) sind
Banachräume. Daraus folgt, dass auch
(Rn,∣∣⋅∣∣∞) ein
Banachraum ist, denn
B({1,…,n})=Rn.
Beweis
Vollständigkeit von (Cb(X),∣∣⋅∣∣∞)
Sei
(fn)⊂Cb(X) eine
Cauchyfolge. Dann ist zu zeigen, dass ein
f∈Cb(X) mit
limn→∞∣∣fn−f∣∣∞=0 existiert.
1. Existenz des Limes (fn) ist eine
Cauchyfolge, d.h.
∀ε>0∃nε∈N∀n,m≥nε:∣∣fn−fm∣∣∞≤ε ∣∣fn−fm∣∣=supx∈X∣fn(x)−fm(x)∣≤ε⇔∀x∈X:∣fn(x)−fm(x)∣≤ε. Bei festem
x∈X gilt:
(fn(x)) ist eine
Cauchyfolge in
R. Da
R vollständig ist, folgt daher die Existenz von
limn→∞fn(x), welchen wir mit
f(x) bezeichnen.
2. Beschränkheit von f
∀x∈X∀m≥n≥nε:∣fn(x)−fm(x)∣≤ε und für
m→∞ gilt
∀x∈X∀n≥nε:∣fn(x)−f(x)∣≤ε ⇒∣∣fn−f∣∣≤ε für
n≥nε. Insbesondere gilt:
∣∣f∣∣∞=∣∣fnε+f−fnε∣∣∞≤∣∣fnε∣∣∞+∣∣f−fnε∣∣∞≤∣∣fnε∣∣∞+ε<∞ d.h.
f ist
beschränkt.
3. Stetigkeit von f Sei
x0∈X beliebig und
fnε stetig, d.h.
∃δε>0∀x∈X:d(x,x0)≤δε⇒∣fnε(x)−fnε(x0)∣≤ε ⇒∣f(x)−f(x0)∣≤∣f(x)−fnε(x)∣+∣fnε(x)−fnε(x0)∣+∣fnε(x0)−f(x0)∣≤ε+ε+ε=3ε D.h.
f ist in
x0 stetig und es folgt, dass auch
f auf
X stetig ist.
Damit ist
f∈Cb(X) und
limn→∞∣∣fn−f∣∣=0⇒(Cb(X),∣∣⋅∣∣∞) ist ein
vollständiger normierter Raum.
Vollständigkeit von (B(Ω),∣∣⋅∣∣∞)
Die Vollständigkeit von
(B(Ω),∣∣⋅∣∣∞) kann analog wie in 1. und 2. bewiesen werden.
Vollständigkeit von (R[a,b],∣∣⋅∣∣∞)
Für die Vollständigkeit von
(R[a,b],∣∣⋅∣∣∞) genügt es, zu zeigen, dass
(R[a,b],∣∣⋅∣∣∞) in
B[a,b] abgeschlossen ist (vgl.
Satz 5608G). Sei
(fn)⊂R[a,b];
fn→f∈B[a,b] (
∣∣fn−f∣∣∞→0). Zu zeigen:
f∈R[a,b]. Sei
ε>0. Für
η:=4(b−a)ε wählen wir
n0∈N:∣∣fn−f∣∣∞=supx∈[a,b]∣fn0(x)−f(x)∣≤η ⇔∀x∈[a,b]:−η−fn0(x)≤f(x)≤η+fn0(x) ⇒S(f;Z)≤S(fn0+η;Z)≤S(fn0;Z)+S(η;Z)=S(fn0;Z)+η(b−a)=S(fn0;Z)+4ε
S(f;Z)≥S(fn0−η;Z)≥S(fn0;Z)+S(−η;Z)=S(fn0;Z)−η(b−a)=S(fn0;Z)−4ε Also:
S(f;Z)−S(f;Z)≤(fn0;Z)+4ε−(S(fn0;Z)−4ε)=S(fn0;Z)−S(fn0;Z)+2ε fn0∈R[a,b]⇒∃Zε:S(fn0;Z)−S(fn0;Z)≤2ε⇒S(f;Zε)−S(f;Zε)≤2ε+2ε=ε , d.h.
f∈R[a,b] ist in
B[a,b] abgeschlossen. Daraus folgt, dass
R[a,b] vollständig ist.
□
Ich glaube, daß es, im strengsten Verstand, für den Menschen nur eine einzige Wissenschaft gibt, und diese ist reine Mathematik. Hierzu bedürfen wir nichts weiter als unseren Geist.
Georg Christoph Lichtenberg
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