Bourbaki

§ 2. Các không gian bornological

Trong đoạn này, E ký hiệu một không gian lồi địa phương, và B\mathscr{B} ký hiệu bornology chính tắc của nó (III, p. 3, định nghĩa 5).

Bổ đề 1

— Cho G là một không gian nửa chuẩn, p là nửa chuẩn của nó, và u là một ánh xạ tuyến tính từ G vào E. Các điều kiện sau là tương đương :

(i) u liên tục ; (ii) ảnh của quả cầu đơn vị của G qua u là bị chặn trong E ; (iii) với mọi dãy (xn)(x_n) các điểm của G hội tụ về 0, dãy (u(xn))(u(x_n)) bị chặn trong E.

Ngay lập tức thấy rằng (i) kéo theo (ii) (III, p. 4, hệ quả 1) và (ii) kéo theo (iii). Cho V là một lân cận của 0 trong E ; nếu u−1(V)u^{-1}(V) không phải là một lân cận của 0 trong G, thì tồn tại một dãy (yn)(y_n) các điểm của G−u−1(V)G - u^{-1}(V) sao cho p(yn)≤1n2p(y_n) \leq \frac{1}{n^2}. Do đó dãy xn=nynx_n = n y_n hội tụ về 0 trong G và u(xn)∉nVu(x_n) \notin nV, điều này kéo theo dãy (u(xn))(u(x_n)) không bị chặn. Vậy (iii) kéo theo (i).

Mệnh đề 1. — Các điều kiện sau là tương đương : (i) Mọi nửa chuẩn trên E bị chặn trên các tập con bị chặn của E đều liên tục. (i') Mọi tập con lồi cân bằng của E hấp thụ các tập con bị chặn của E (I, p. 7, định nghĩa 4) đều là một lân cận của 0 trong E. (ii) E là giới hạn quy nạp của các không gian nửa chuẩn EAE_A, trong đó A chạy qua tập có hướng tăng của các tập con đóng, lồi, cân bằng và bị chặn của E. (ii') Tồn tại một họ (Ei)i∈I(E_i)_{i \in I} các không gian nửa chuẩn, và với mọi i∈Ii \in I, một ánh xạ tuyến tính ui:Ei→Eu_i : E_i \to E sao cho tôpô của E là tôpô lồi địa phương mịn nhất mà đối với nó các uiu_i liên tục. (iii) Với một không gian lồi địa phương F tùy ý, một ánh xạ tuyến tính u:E→Fu : E \to F là liên tục khi và chỉ khi với mọi dãy (xn)(x_n) các điểm trong E hội tụ về 0, dãy (u(xn))(u(x_n)) bị chặn trong F.

(iii') Với một không gian nửa chuẩn F tùy ý, một ánh xạ tuyến tính u : E → F là liên tục khi và chỉ khi u(X) bị chặn trong F với mọi tập bị chặn X trong E.

Ngay lập tức thấy rằng (i) và (i') là tương đương do sự tương ứng giữa các nửa chuẩn và các tập con lồi, cân bằng, hấp thụ (II, p. 20). Nếu p là một nửa chuẩn trên E, liên tục trên mỗi EAE_A, thì p bị chặn trên các tập con bị chặn của E; do đó (i) kéo theo (ii) (II, p. 27, mệnh đề 5). Hiển nhiên là (ii) kéo theo (ii').

Bây giờ cho (Ei,ui)i∈I(E_i, u_i)_{i \in I} như trong (ii') và cho u là một ánh xạ tuyến tính từ E vào một không gian lồi địa phương F, sao cho (u(xn))(u(x_n)) bị chặn trong F với mọi dãy (xn)(x_n) các điểm của E hội tụ về 0. Theo bổ đề 1 của III, p. 11 suy ra rằng ánh xạ tuyến tính u∘ui:Ei→Fu \circ u_i : E_i \to F là liên tục với mọi i∈Ii \in I. Do đó, nếu tôpô của E là tôpô lồi địa phương mịn nhất mà đối với nó các uiu_i liên tục, thì u liên tục (II, p. 27, mệnh đề 5). Điều này chứng minh rằng (ii') kéo theo (iii).

Ngay lập tức thấy rằng (iii) kéo theo (iii') (III, p. 3, hệ quả.) Sau cùng, nếu p là một nửa chuẩn trên E, bị chặn trên các tập con bị chặn của E, thì điều kiện (iii') khẳng định rằng ánh xạ đồng nhất là liên tục từ E vào không gian nửa chuẩn (E, p); nói cách khác, p liên tục. Điều này chứng minh rằng (iii') kéo theo (i).

Định nghĩa 1

Một không gian lồi địa phương được gọi là bornological nếu nó thỏa mãn các điều kiện tương đương của mệnh đề 1.

Ví dụ

— 1) Mọi không gian nửa chuẩn đều bornological. 2) Đặc biệt, mọi không gian lồi địa phương hữu hạn chiều đều bornological. 3) Do tính bắc cầu của các tôpô lồi địa phương cuối cùng (II, p. 28, hệ quả 2), ta suy ra ngay từ điều kiện (ii') rằng nếu (Ei)i∈I(E_i)_{i \in I} là một họ các không gian lồi địa phương bornological và nếu E được trang bị tôpô lồi địa phương mịn nhất mà đối với nó các ánh xạ tuyến tính ui:Ei→Eu_i : E_i \to E (với i∈Ii \in I) là liên tục, thì E là bornological. Đặc biệt, một giới hạn quy nạp, một tổng trực tiếp, một không gian thương của các không gian bornological đều là các không gian bornological.

Mặt khác, một không gian con đóng của một không gian bornological không nhất thiết là bornological (IV, p. 63, bài tập 8).

Hệ quả

Mọi không gian bornological Hausdorff và nửa đầy đủ đều là một giới hạn quy nạp của các không gian Banach.

Thật vậy, các không gian EAE_A, trong đó A đóng và bị chặn, là các không gian Banach (III, p. 8, hệ quả).

Mệnh đề 2

Một không gian lồi địa phương khả mêtric là bornological.

Giả sử E khả mêtric, và p là một nửa chuẩn trên E bị chặn trên các tập con bị chặn của E, nhưng không liên tục. Cho A là tập hợp tất cả các x∈Ex \in E sao cho p(x)<1p(x) < 1. Cho (Vn)n≥1(V_n)_{n \geq 1} là một dãy giảm lập thành một hệ cơ bản các lân cận của 0 trong E. Vì p không liên tục, A không phải là một lân cận của 0; do đó với mọi n>0n > 0, ta có A⊉n−1VnA \not\supseteq n^{-1} V_n và tồn tại một điểm xnx_n trong VnV_n, sao cho n−1xn∉An^{-1} x_n \notin A, nghĩa là p(xn)≥np(x_n) \geq n. Dãy (xn)(x_n) hội tụ về 0, nên bị chặn (III, p. 3, hệ quả); điều này mâu thuẫn với giả thiết về p.

Hệ quả

— Mọi không gian Fréchet (II, p. 24) đều là giới hạn quy nạp của các không gian Banach.

Bài tập

Xem bài tập cho § 2.

Machine translation of the English, by gpt-5.4, against glossary version 34. Not checked by a person.