Bourbaki

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§ 1。拓扑向量空间

1. 拓扑向量空间的定义

定义 1 077V

— 给定拓扑划分环 K\mathbf{K} (GT, III, § 6.7) 和集合 EE 使得 EE 有 * K\mathbf{K} 上的左向量空间 1∘1^\circ *结构; 2∘2^\circ 拓扑与 EE (GT, III, § 1.1) * 的加法群结构和加法中的满足兼容以下公理:* (EVT) 映射 (λ,x)↦λx(\lambda, x) \mapsto \lambda x of K×E\mathbf{K} \times E 在 EE 是连续的, 则 EE 被称为左拓扑向量空间在(或在)K\mathbf{K}上。

引用了 2

引用了 III § 6. 。 Borel 的图表定理, III § 1. 。拓扑中的出生学向量空间

等价于说,EE是一个*拓扑左*K-module\mathbf{K}\text{-module}(GT,III, § 6.6)。 如果拓扑和 EE 的加法群结构兼容,并且如果在加法中,则相对于 K\mathbf{K} 的左向量空间结构和集合 EE 上的给定拓扑被称为“相容的”公理(EVT)是有效的。 这与说相同,EE中E×EE \times E和K×E\mathbf{K} \times E的两个映射(x,y)↦x+y(x, y) \mapsto x + y和(λ,x)↦λx(\lambda, x) \mapsto \lambda x分别是连续的,因此映射x↦−x=(−1)xx \mapsto -x = (-1)x是连续的并且EE的拓扑是兼容的及其加法群结构。

如果EE是K\mathbf{K}上的左拓扑向量空间,我们说EE仅提供其向量空间结构,*底层*拓扑向量空间EE。

例 077W

— 1) 如果EE在*离散*拓扑划分环K\mathbf{K}上是左向量空间,则EE上的*离散*拓扑与EE的向量空间结构兼容(如果K\mathbf{K}则情况并非如此)是非离散的,且 EE 不是单个点 0)。 2) 令AA为拓扑环(GT,III, § 6.3),并令K\mathbf{K}为AA的子环,这也是环的除法,使得拓扑由AA在K\mathbf{K}上诱发与K\mathbf{K}的除法环结构兼容;那么AA的拓扑与K\mathbf{K}上的左向量空间结构兼容。 3) 令K\mathbf{K}为任意拓扑划分环,且II为任意集合。在乘积向量空间 KsI(A,II,§1.5)K_s^I(A, II, § 1.5) 上,乘积拓扑与向量空间结构(GT、III, § 6.4)相容的。或者我们可以说,K\mathbf{K}中II的映射的空间KsIK_s^I通过*逐点*或*简单收敛*拓扑是K\mathbf{K}上的拓扑向量空间(TG,X, p. 4)。 4) 设XX为拓扑空间;在 XX 上定义的有限实值 连续 函数的集合 E=C(X;R)E = \mathscr{C}(X; \mathbf{R}) 上,*紧收敛* 拓扑 (GT, X, § 1.3) 与 E 在 R\mathbf{R} 上的向量空间结构兼容。例如,令u0u_0为E的点,令H为X的紧子集,且ε\varepsilon为任意严格正数。实值函数 u0u_0 有界于 H ;让a=sup⁡t∈H∣u0(t)∣a = \sup_{t \in H} |u_0(t)|;如果 uu 是 E 的任意点那么对于所有 t∈Ht \in H

∣λu(t)−λ0u0(t)∣≤∣λ∣⋅∣u(t)−u0(t)∣+a∣λ−λ0∣. |\lambda u(t) - \lambda_0 u_0(t)| \leq |\lambda| \cdot |u(t) - u_0(t)| + a |\lambda - \lambda_0|.

因此,如果∣λ−λ0∣≤ε|\lambda - \lambda_0| \leq \varepsilon和∣u(t)−u0(t)∣≤ε|u(t) - u_0(t)| \leq \varepsilon对于所有t∈Ht \in H,那么对于t∈Ht \in H, ∣λu(t)−λ0u0(t)∣≤ε(ε+∣λ0∣+a)|\lambda u(t) - \lambda_0 u_0(t)| \leq \varepsilon (\varepsilon + |\lambda_0| + a),表明满足公理(EVT);类似地可以验证紧收敛拓扑与E的加法群结构兼容。

另一方面,如果 X 不是紧致的,则 一致收敛 拓扑(在 X 中)不一定与 E 的向量空间结构兼容;对于例,如果X=RX = \mathbf{R}且u0u_0是R\mathbf{R}中的无界连续函数,则E中R\mathbf{R}的映射λ↦λu0\lambda \mapsto \lambda u_0在E上的一致收敛拓扑中不是连续的。

5) 令 E 为拓扑划分环 K 上的有限维 nn 的向量空间;存在向量 K 空间中的同构 u:Ksn→Eu : K_s^n \to E,而且,如果 vv 是 E 上KsnK_s^n 的第二个同构,那么我们可以写 v=u∘fv = u \circ f,其中 ff 是向量的自同构 K-空间KsnK_s^n。考虑在 KsnK_s^n 上,*乘积* 拓扑与其向量空间结构 (例 3) 相容的;由于KsnK_s^n的每个线性映射本身对于这个拓扑来说都是连续的,因此向量空间KsnK_s^n的每个自同构都是*双连续*。因此,如果我们将KsnK_s^n的乘积拓扑*转移*到E,通过E上的KsnK_s^n中的任何同构,在E上获得的拓扑是*独立于所使用的特定同构;我们称其为 E 上的*规范拓扑* ;当 K 是带有估值的非离散完全除法环时,我们将对其进行不同的描述(I, § 1.3)。 K 上的拓扑向量空间中 E 的每个线性映射对于 E 上的规范拓扑都是*连续的。

与 def 中的方式相同。 1、可以定义K上的*右*拓扑向量空间,拓扑划分环;但 K 上的每个右向量空间都可以被视为与 K (A, II, § 1.1) 相对的除法环 K0K^0 上的左向量空间,并且 K 的拓扑与除法环 K0K^0 的结构兼容。因此我们通常只考虑左拓扑向量空间 ;当我们无条件地谈论“拓扑向量空间”时,可以理解我们指的是左向量空间。

如果 K' 是 K 的子划分环,并且 E 是 K 上的拓扑向量空间,则显然 E 的拓扑仍然与 E 相对于 K' 的向量空间结构兼容,这是通过将标量的域限制为 K' 获得的;我们说,通过此过程获得的 K' 上的拓扑向量空间 *是 K 上的拓扑向量空间 E 的基础。

在阶中,拓扑向量空间 E 为 Hausdorff,对于 E 的所有 x≠0x \neq 0,存在 0 的邻域而不是包含 xx (GT, III, § 1.2) 是充分必要的。

考虑拓扑,在向量空间 E 上的拓扑划分环 K,与 E 的加法群结构兼容。由于恒等式

λx−λ0x0=(λ−λ0)x0+λ0(x−x0)+(λ−λ0)(x−x0) \lambda x - \lambda_0 x_0 = (\lambda - \lambda_0) x_0 + \lambda_0 (x - x_0) + (\lambda - \lambda_0) (x - x_0)

公理(EVT)等价于以下三个公理中的系统。

(EVT1′_1')* 对于所有 x0∈Ex_0 \in E,*映射* λ↦λx0\lambda \mapsto \lambda x_0 在 λ=0\lambda = 0 处连续。

(EVT2′_2')* 对于所有 λ0∈K\lambda_0 \in K,*映射* x↦λ0xx \mapsto \lambda_0 x 在 x=0x = 0 处连续。

(EVT3′_3')* 映射 (λ,x)↦λx(\lambda, x) \mapsto \lambda x 在 (0,0)(0, 0) 连续。

特别是:

引用了 4

引用了 III § 6. 。 Borel 的图表定理, II § 1. 。半规范, § 1. 。拓扑向量空间, III § 1. 。拓扑中的出生学向量空间

命题 1 077X

— 对于所有 α∈K\alpha \in K 和每个点 b∈Eb \in E,EE 的映射 x↦αx+bx \mapsto \alpha x + b 本身是连续的。此外,如果α≠0\alpha \neq 0,则这个映射是EE自身的同胚。

命题的第二个部分是这样的结果:如果 α≠0\alpha \neq 0,则 x↦α−1x−α−1bx \mapsto \alpha^{-1}x - \alpha^{-1}b 是 x↦αx+bx \mapsto \alpha x + b 的逆映射。

推论 077Y

— 如果 AA 在 EE 中是开(或闭)集合,则对于 KK 中的每个 α≠0\alpha \neq 0,αA\alpha A 在 EE 中是开(或闭)。

设EE和FF是同一拓扑划分环KK上的两个拓扑向量空间。 FF上EE的双射ff是拓扑向量空间FF上拓扑向量空间EE的同构当且仅当ff是线性且双连续的。特别地,如果KK的γ≠0\gamma \neq 0属于到中心,则位似x↦γxx \mapsto \gamma x是EE的拓扑向量空间结构的自同构。

2. 标准化空间在有价值的除法环上

回想一下(GT,IX, § 3.2),环KK上的绝对值是R+\mathbf{R}_+中KK的映射ξ↦∣ξ∣\xi \mapsto |\xi|,使得∣ξ∣=0|\xi| = 0当且仅当ξ=0\xi = 0,还有∣ξη∣=∣ξ∣⋅∣η∣|\xi \eta| = |\xi| \cdot |\eta|和∣ξ+η∣≤∣ξ∣+∣η∣|\xi + \eta| \leq |\xi| + |\eta|; KK上的绝对值定义距离∣ξ−η∣|\xi - \eta|,因此豪斯多夫拓扑与KK的除法环结构兼容。如果∣ξ∣=1|\xi| = 1对所有ξ≠0\xi \neq 0来说,绝对的值称为不恰当的,而拓扑则称它在KK上的定义是离散的拓扑;另一方面,如果KK中存在α≠0\alpha \neq 0使得∣α∣≠1|\alpha| \neq 1,则KK中存在β≠0\beta \neq 0使得∣β∣<1|\beta| < 1(取β=α\beta = \alpha或β=α−1\beta = \alpha^{-1}就足够了),并且序列 (βn)n≥1(\beta^n)_{n \geq 1}收敛于0,因此KK的拓扑不是离散的。

另一方面(GT,IX, § 3.3),如果EE在非离散值除法环KK上是向量空间,那么EE上的范数是映射x↦∥x∥x \mapsto \|x\| R+\mathbf{R}_+中的EE,使得∥x∥=0\|x\| = 0当且仅当x=0x = 0,并且使得∥λx∥=∣λ∣⋅∥x∥\|\lambda x\| = |\lambda| \cdot \|x\|对于每个标量λ∈K\lambda \in K和∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥\|x + y\| \leq \|x\| + \|y\|。距离∥x−y∥\|x - y\|由范数在EE上定义,因此拓扑与EE的向量空间结构兼容(前述)。 除非相反,明确指出,范数空间被认为是由其范数定义的拓扑向量空间的结构的项。规范化的空间是最重要的拓扑向量空间之一。

已知(GT,IX, § 3.3),EE上的两个不同的范数可以在EE上定义相同的拓扑;为此,两个范数相等是必要且充分的(参见上文)。因此,范数空间的结构比拓扑向量空间的结构更丰富;如果EE和FF是两个范数空间,则必须小心区分EE范数空间结构的同构思想与FF的同构思想, EE的拓扑向量空间结构与FF的拓扑向量空间结构。

例 077Z

令I为指标的任意一个集合;已知(GT,X, § 3.2)范数∥x∥\|x\|可以在K,B(I;K)\mathscr{B}(I; K)(也写为BK(I)\mathscr{B}_K(I)或ℓK∞(I)\ell_K^\infty(I))中的I有界映射x=(ξi)x = (\xi_i)的集合上定义, ∥x∥=sup⁡i∈I∣ξi∣\|x\| = \sup_{i \in I} |\xi_i|。当I是拓扑空间时,K中I的有界连续映射的集合是空间B(I;K)\mathscr{B}(I; K)的闭子空间(GT,X, § 3.1,cor.2)。 B(I;K)\mathscr{B}(I; K)的另一个子空间是绝对可和族x=(ξi)x = (\xi_i)的集合ℓK1(I)\ell_K^1(I)(GT,X, § 3.6);我们可以对这个子空间另一个范数∥x∥1=∑i∈I∣ξi∣\|x\|_1 = \sum_{i \in I} |\xi_i|定义,一般来说不等于范数∥x∥=sup⁡i∈I∣ξi∣\|x\| = \sup_{i \in I} |\xi_i|(I,p. 23,练习6);当将 ℓK1(I)\ell_K^1(I) 视为规范的空间时,如果不指定其范数,则它始终是范数 ∥x∥\|x\|。我们写 B(I)\mathscr{B}(I) 和 ℓ1(I)\ell^1(I) 来代替 B(I;R)\mathscr{B}(I; \mathbf{R}) 和 ℓR1(I)\ell_R^1(I)。

3. 拓扑向量空间的向量子空间和商空间;拓扑向量空间的乘积; 子空间的拓扑直和

对于拓扑模(GT,III, § 6.6)所说的一切都特别适用于拓扑向量空间。如果 M 是拓扑向量空间 E 的向量子空间,则 E 的拓扑在 M 上诱导的拓扑与 M 的向量空间结构兼容,并且 E 中 M 的闭包 M‾\overline{M} 是 E 的向量子空间。 M 的 E 的拓扑与 E/M 的向量空间结构兼容。

如果E是拓扑向量空间,则E中{0}\{0\}的闭包N(0的邻域的交)是E的闭向量子空间;商向量子空间 E/N,无论 E 是否存在,都必然是 Hausdorff,被称为与 E 相关的 Hausdorff 向量空间。

令(Ei)i∈I(E_i)_{i \in I}为同一拓扑划分环K上的拓扑向量空间族,并令E为EiE_i的乘积向量空间。 EiE_i拓扑的乘积拓扑与E的向量空间结构兼容。在乘积空间E,子空间F,直和处EiE_i处处稠密(GT, III, § 2.9,第 25 条)。

对于拓扑向量空间在域R\mathbf{R}或域C\mathbf{C}上的某些型,我们在(Ei)(E_i)的直和上定义(在II,p. 29)拓扑拓扑向量空间,一般来说,与EiE_i的乘积拓扑诱导的拓扑不同。

关于带有运算符(GT,III, § 6.2)的拓扑群的稳定子群的有限直和所说的一切都适用于《向量子空间》中的拓扑向量空间,替换“稳定子群”。

注 0780

给定 Hausdorff 拓扑向量空间 E 的封闭向量子空间 M,不一定存在 E 中封闭的 M 的(代数)互补向量子空间(即使 E 是范数空间;cf. IV, p. 55,执行 16 (c)); 更不必说 E 中不一定存在 M 的拓扑补集(cf. I,p. 26,练习 8)。然而,我们将在§ 2中看到,当K是非离散值除法环时,则E的每个闭子空间M,与有限余维,在E中确实有一个拓扑补(I,p. 14,命题3)。

引用了 2

引用了 I § 2. 。拓扑中的线性簇向量空间, IV § 2. 。双向。反射空间

4. 统一结构并完成拓扑向量空间

由于拓扑向量空间 E 的拓扑与E 上的加法群结构兼容,因此定义是E 上的一致结构 (GT, III, § 3);当我们谈到拓扑向量空间的一致结构时,我们总是指的是结构除非,但明确指出了相反的情况。拓扑向量空间 F 中拓扑向量空间 E 的每个连续线性映射都是一致连续的(GT,III, § 3.1,第 3 条); 形式 x↦αx+bx \mapsto \alpha x + b 的 E 本身的每个映射都是一致连续的。 F 中 E 的线性映射等连续集合一致等连续(GT,X, § 2.2,道具 5)。

注 1 0781

如果 B 是 K 的预压缩集合,则对于 E 中每个 0 的邻域 V,E 中存在 0 的邻域 U,使得 BU ⊂\subset V。对于,如果 W 是 E 中 0 的邻域,则 W + W ⊂\subset V;那么从 (EVTIII_{\text{III}}) 中,K 中存在 0 的邻域 T0_0 和 E 中 0 的邻域 U0_0,使得 T0_0U0_0 ⊂\subset W。由于 B 是预紧的,因此存在有限多个点 λi∈B\lambda_i \in B (1≤i≤n1 \leq i \leq n)使得λi+T0\lambda_i + T_0覆盖B;从 (EVTII_{\text{II}}) 可以得出,E 中存在 0 的邻域 U ⊂\subset U0_0,因此对于所有 ii 都有 λiU⊂W\lambda_i U \subset W;显然 U 具有所需的属性。以类似的方式(使用(EVTI_{\text{I}})而不是(EVTII_{\text{II}}))可以证明,如果H是E的预紧集合,则对于E中每个0的邻域V,K中存在0的邻域T,使得TH⊂\subset V。

注 2 0782

从 1) 可以得出,如果 B 是 K 的预紧集合并且 H 是 E 的预紧集合,则映射 (λ,x)↦λx(\lambda, x) \mapsto \lambda x 限制为 B ×\times H 是一致连续的。例如,如果 E 中 V 为 0 的邻域,则 K 中存在 0 的邻域 T,E 中存在 0 的 U,使得 TH + BU ⊂\subset V。由于我们可以写出λx−λ′x′=(λ−λ′)x+λ′(x−x′)\lambda x - \lambda' x' = (\lambda - \lambda') x + \lambda'(x - x'),我们看到对于B中的λ,λ′\lambda, \lambda',H中的x,x',λ−λ′∈T\lambda - \lambda' \in T和x−x′∈Ux - x' \in U,我们有λx−λ′x′∈V\lambda x - \lambda' x' \in V,这证明了我们的断言。

如果考虑到其一致结构,拓扑向量空间是完全一致空间,则称其为完全一致向量空间。

定义 2 0783

非离散值除法环上的完全赋范空间称为 Banach 空间。

例 0784

如果 K 是非离散值除法环,则空间 B(I;K)\mathscr{B}(I ; K) (I, p. 4, 例) 是完整的 (GT, X, § 3.1, cor. 1)。对于空间 ℓK1(I)\ell_K^1(I) (I, p. 4, 例) 和范数 ∥x∥1=∑i∈I∣ξi∣\|x\|_1 = \sum_{i \in I} |\xi_i| 也是如此:对于,如果 xnx_n 是这个空间和 xn=(ξmi)i∈Ix_n = (\xi_{m_i})_{i \in I} 中的柯西序列,那么对于所有i∈Ii \in I

∣ξmi−ξni∣≤∥xm−xn∥1; |\xi_{m_i} - \xi_{n_i}| \leq \|x_m - x_n\|_1;

因此,对于每个i∈Ii \in I,序列(ξmi)n≥1(\xi_{m_i})_{n \geq 1}收敛到K中的极限ξi\xi_i。此外,对于I的每个有限子集J

∑i∈J∣ξmi−ξni∣≤∥xm−xn∥1; \sum_{i \in J} |\xi_{m_i} - \xi_{n_i}| \leq \|x_m - x_n\|_1;

紧接着,存在一个常数 a>0a > 0,与 J、m、n 无关,使得 ∑i∈J∣ξmi−ξni∣≤a\sum_{i \in J} |\xi_{m_i} - \xi_{n_i}| \leq a。令m趋于+∞+ \infty,由∑i∈I∣ξi∣≤a+∥xn∥1\sum_{i \in I} |\xi_i| \leq a + \|x_n\|_1推导出∑i∈J∣ξi−ξmi∣≤ε\sum_{i \in J} |\xi_i - \xi_{m_i}| \leq \varepsilon,即z=(ξi)i∈Iz = (\xi_i)_{i \in I}属于到ℓK1(I)\ell_K^1(I);此外,对于所有ε>0\varepsilon > 0,都存在n0n_0,因此对于n≥n0n \geq n_0和I的每个有限集合 J,我们有∑i∈J∣ξi−ξmi∣≤ε\sum_{i \in J} |\xi_i - \xi_{m_i}| \leq \varepsilon;相对于I的有限子集有向集合,经过到极限,我们看到∥z−xn∥1≤ε\|z - x_n\|_1 \leq \varepsilon对于n≥n0n \geq n_0,这表明zz是序列(xn)(x_n)的极限标准空间ℓK1(I)\ell_K^1(I)。

令KK为豪斯多夫拓扑除法环,EE为KK上的拓扑向量空间,并假设完整的环K^\hat{K}是*除法环*(当KK是值除法时就是这样环, GT, IX, § 3.3) 那么EE的Hausdorff补全E^\hat{E}携带K^\hat{K}上的*完全拓扑向量空间*的结构 (GT, III, § 6.5);我们说E^\hat{E}和结构是拓扑向量空间EE的*豪斯多夫完成*,或者当EE是*豪斯多夫*时,EE的*完备的*。

引用了 1

引用了 III § 6. 。 Borel 的图表定理

5. 拓扑向量空间中的原点邻域在有价值的除法环上

定义 3 0785

令KK为环和EE左向量空间除以KK;我们说EE的子集MM是平衡的,如果对于所有x∈Mx \in M和所有λ∈K\lambda \in K使得∣λ∣≤1|\lambda| \leq 1,λx∈M\lambda x \in M为真(或者在其他字如果λM⊂M\lambda M \subset M当∣λ∣≤1|\lambda| \leq 1).

命题 2 0786

在有值除法环KK上的拓扑向量空间EE中,平衡集合MM的闭包是平衡集合。

引用了 1

引用了 I § 2. 。拓扑中的线性簇向量空间

如果BB是ξ∈K\xi \in K的集合和∣ξ∣≤1|\xi| \leq 1;那么BB在KK关闭。但B×MB \times M通过连续的映射(λ,x)↦λx(\lambda, x) \mapsto \lambda x映射到MM;因此B×M‾B \times \overline{M}映射到M‾\overline{M}(GT,I, § 2.1,第1),这证明M‾\overline{M}是平衡的。

当 MM 是向量空间 EE 中的任意集合时,λx\lambda x 与 x∈Mx \in M 和 λ∈K\lambda \in K 的定值除法环 KK、集合 M1M_1 使得∣λ∣≤1|\lambda| \leq 1,显然是最小的平衡集合包含MM; M1M_1 称为 MM 的*平衡包络*。

命题 3 0787

令 KK 为局部紧致非离散除法环,EE 为 KK 上的 Hausdorff 拓扑向量空间(或拓扑向量空间)。对于 EE 中的每个紧致(或预紧致)集合 HH,HH 的平衡包络是紧致的(或预紧致)。

引用了 1

引用了 II § 4. 。局部凸空间

如果BB表示KK中的球∣ξ∣≤1|\xi| \leq 1,则HH的平衡包络线为H1H_1,连续映射m:(λ,x)↦λxm : (\lambda, x) \mapsto \lambda x下B×HB \times H的像。如果 EE 是 Hausdorff,如果 BB 是紧的,并且如果 HH 是紧的,那么 B×HB \times H 也是紧的,因此 H1H_1 也是紧的。如果 HH 是预紧,则 mm 到 B×HB \times H 的限制是均匀连续的(I、p. 5、*注* 2),并且由于 B×HB \times H 是预紧,因此它的像也是预紧的mm(GT,II, § 4.2,道具 2)。

注闭合集合的平衡包络线不一定是闭合的。对于例,在R2\mathbf{R}^2中,由方程xy=1xy = 1定义的双曲线的平衡包络线不是封闭的。

EE中的平衡集合族中的并是平衡的,这意味着对于EE的每个集合MM,MM的最大的平衡子集NN称为*的平衡核心* MM;当且仅当0∈M0 \in M时NN不为空。说x∈Nx \in N意味着对于所有λ∈K\lambda \in K使得∣λ∣≤1|\lambda| \leq 1,我们有λx∈M\lambda x \in M,或者再次(如果0∈M0 \in M)对于所有带有|μ|的μ∈K\mu \in K ≥ 1,我们有 x ∈ μM。如果 0 ∈ M,则 M 的平衡核心 N 为交 ⋂∣μ∣≥1μM\bigcap_{|\mu| \geq 1} \mu M。这特别表明,如果 M 是封闭的,那么 N 也是封闭的。

定义 4 0788

设 K 为非离散值除法环,E 为 K 上的左向量空间,具有两个子集 A 和 B。如果存在 α > 0,则对于每个 λ ∈ K 且 |λ|,我们说 A 吸收 B,使得 λA ⊃ B ≥ α(或等效地,如果 μB ⊂ A,μ ≠ 0 且 |μ| ≤ α⁻1)。如果 E 的集合 A 吸收单个点的每集合由……组成,则称为吸收剂。

设A是E的平衡集合;为了让它吸收 E 的集合 B,只要存在 λ ≠ 0 使得 λA ⊃ B 就足够了;事实上,对于 |μ| ≥ |λ|,我们有 λA = (λμ⁻1) μA,并且由于 μA 是平衡的并且 |λμ⁻1| ≤ 1,则 λA ⊂ μA,因此 B ⊂ μA。特别是对于 E 的平衡集合 A 来说,对于每个 x ∈ E,K 中存在 λ ≠ 0 使得 λx ∈ A 是必要且充分的。E 生成向量空间 E 的每个吸收剂集合。吸收剂集合的每个有限交都是一个吸收剂集合。

命题 4 0789

在非离散值除法环 K 上的拓扑向量空间 E 中,存在 0 的闭邻域的基本系统 B\mathfrak{B},使得: (EV₁) 每个集合 V ∈ B\mathfrak{B} 都是平衡且吸收性的。 (EV2) 对于 K 中的每个 V ε B\mathfrak{B} 且 λ ≠ 0,我们有 λV ε B\mathfrak{B}(B\mathfrak{B} 在非零比率的相似性下的不变性)。 (EV₃) 对于每个 V ∈ B\mathfrak{B},存在 W ∈ B\mathfrak{B} 使得 W + W ⊂ V。

引用了 1

引用了 III § 1. 。拓扑中的出生学向量空间

相反,令 E 为 K 上的向量空间,并令 B\mathfrak{B} 为 E 满足条件 (EV₁)、(EV2) 和 (EV₃) 上的滤波器基。那么E上存在拓扑(并且是唯一的),与E的向量空间结构兼容,并且B\mathfrak{B}是0的邻域的基本系统。

通过公理(EVT'₃),我们首先证明*平衡核心*,V的V₁,0的邻域本身就是0的邻域。 因为存在 α > 0 且邻域 W 为 0,因此,如果 |λ| ≤ α 且 x ∈ W,则 λx ∈ V。 由于 K 是非离散的,因此 K 中存在 μ ≠ 0,其中 |μ| ≤ α 且 μW 为 0 的邻域,其中 μW ⊂ V。 另外,如果 v ∈ K 且 |v| ≤ 1 则|vμ| ≤ α,因此 vμW ⊃ V。 因此 μW ⊃ V₁ 和 V₁ 是 0 的邻域。 由于 V 是封闭的,所以 V₁ 也是封闭的。 因此,在 E 中,*封闭平衡* 邻域 0 形式的集合 B\mathfrak{B} 是 0 的邻域基本系统。 由 (EVT₁') 0 的每邻域都是*吸收性*;此外,B\mathfrak{B}满足(EV2)(*cf.*I,p. 3,cor.);最后,由于 (x, y) ↦ x + y 在点 (0, 0) 处的连续性,E 中 0 的邻域的每个基本系统都满足 (EV₃)。 集合B\mathfrak{B}满足命题中的条件。

现在让 E 为 K 上的向量空间,并且 B\mathfrak{B} 为 E 满足 (EV₁)、(EV2) 和 (EV₃) 上的滤波器基。公理 (EV₁) 首先表明,对于所有 V ∈ B\mathfrak{B},我们有 −V = V 且 0 ∈ V;这些关系和公理(EV₃)表明B\mathfrak{B}是0的邻域的基本系统,对于E上的拓扑与E的*加法群* 结构兼容(GT,III, § 1.2)。另一方面,公理(EVT'_I)、(EVT'_II)和(EVT'_III)是(EV_I)和(EV_II)的直接的推论,因此上面定义的拓扑满足公理(EVT),并且命题被证明。

注 1 078A

在具有中心 0 的开球(分别为闭球)的非离散值划分环集合的规范空间中,中心 0 是 0 的邻域的基本系统,其中满足条件 (EV_I)、(EV_II) 和(EV_III)。

注 2 078B

当标量 K 的除法环为域 \mathbf{R} 或域 \mathbf{C} 时,E 上仅满足两个公理 (EV_I) 和 (EV_III) 的每个过滤器基 \mathfrak{B} 都是基本系统 0的邻域的拓扑与E的向量空间结构兼容。事实上,我们只需要证明,在这些条件中,对于K中的每个λ≠0\lambda \neq 0和每个V∈BV \in \mathfrak{B},都存在W∈BW \in \mathfrak{B}使得λW⊂V\lambda W \subset V。现在从 (EV_III) 存在 W1∈BW_1 \in \mathfrak{B} 和 2 W1⊂V2\,W_1 \subset V,我们归纳推断,对于每个正整数 nn,都存在 Wn∈BW_n \in \mathfrak{B} 使得 2nWn⊂V2^n W_n \subset V。由于V是平衡的,如果我们取nn大到2n=∣2n∣>∣λ∣2^n = |2^n| > |\lambda|,那么W=WnW = W_n满足条件,如所要求的。

这个结果并不适用于每个非离散值除法环 K,因为在这样的除法环中,对于每个正整数mm,∣mε∣=m|m\varepsilon| = m不再一定成立(ε\varepsilon表示除法环的单位元;cf.) I,p. 22,练习 1)。

注 3 078C

如果 K 是离散除法环,则条件 (EVT'_I) 和 (EVT'_III) 对于 E 上的任何拓扑均成立。由图4可知,如果E是K上的拓扑向量空间,则E满足条件(EV_II)和(EV_III)中存在B\mathfrak{B},即0的闭邻域的基本系统。相反,如果向量空间 E 上的 K 上的过滤器基 B\mathfrak{B} 使得 0 属于到 B\mathfrak{B} 和 (EV_II)、(EV_III) 的所有集合为真,则 B\mathfrak{B} 是邻域的基本系统拓扑中的 0 与 E 的向量空间结构兼容。

6. 判据连续性和等连续性

令 E 和 F 是同一划分环 K 上的拓扑向量空间 ;为了使 F 中的 E 的线性映射 ff 连续,只要它在原点连续就足够了(GT,III, § 2.8,第 23 条)。这个命题概括如下:

命题 5 078D

— 令 Ei(1≤i≤n)E_i (1 \leq i \leq n) 和 F 在非离散值域 K 上是拓扑向量空间。在阶中,F 中 ∏i=1nEi\prod_{i=1}^n E_i 的多线性映射 ff 应在乘积空间 ∏i=1nEi\prod_{i=1}^n E_i 中连续,足以使其连续于(0,0,...,0)(0, 0, ..., 0)。

令(a1,a2,...,an)(a_1, a_2, ..., a_n)为∏i=1nEi\prod_{i=1}^n E_i的任意点;我们必须证明,对于 F 中 0 的每个邻域 W,EiE_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) 中存在 0 的邻域 ViV_i,使得关系 zi∈Viz_i \in V_i 意味着

f(a1+z1,a2+z2,...,an+zn)−f(a1,a2,...,an)∈W. f(a_1 + z_1, a_2 + z_2, ..., a_n + z_n) - f(a_1, a_2, ..., a_n) \in W .

现在,我们可以写

f(a1+z1,...,an+zn)−f(a1,...,an)=∑HuH f(a_1 + z_1, ..., a_n + z_n) - f(a_1, ..., a_n) = \sum_H u_H

其中HH在整数{1,2,...,n}\{ 1, 2, ..., n \}的集合的2n−12^n - 1子集上变化,不包括集合{1,2,...,n}\{ 1, 2, ..., n \}本身,并且其中uH=f(y1,y2,...,yn)u_H = f(y_1, y_2, ..., y_n),如果i∈Hi \in H则为yi=aiy_i = a_i且yi=ziy_i = z_i 如果i∉Hi \notin H。 FF中存在0的2n−12^n - 1平衡邻域WHW_H使得∑HWH⊂W\sum_H W_H \subset W;另一方面,由于ff在(0,0,...,0)(0, 0, ..., 0)处连续假设,因此每个EiE_i邻域UiU_i都存在0(1≤i≤n1 \leq i \leq n),因此nn关系xi∈Uix_i \in U_i意味着f(x1,...,xn)∈⋂HWHf(x_1, ..., x_n) \in \bigcap_H W_H。由于UiU_i具有吸收性,因此KK中存在λi≠0\lambda_i \neq 0,从而λiai∈Ui\lambda_i a_i \in U_i。令λ\lambda为KK的元素,使得每个子集HH都有∣λ∣≥∏i∈H∣λi∣−1|\lambda| \geq \prod_{i \in H} |\lambda_i|^{-1};我们证明邻域Vi=λ−nUiV_i = \lambda^{-n} U_i满足要求的条件。我们可以将1≤i≤n1 \leq i \leq n和μ=λ−np(∏i∈Hλi−1)\mu = \lambda^{-np} (\prod_{i \in H} \lambda_i^{-1})写成uH=μf(x1,...,xn)u_H = \mu f(x_1, ..., x_n),其中xi∈Uix_i \in U_i,pp是{1,2,...,n}\{ 1, 2, ..., n \}的整数的数,不在HH中。从上面的∣μ∣≤1|\mu| \leq 1,因此uH∈μWH⊂WHu_H \in \mu W_H \subset W_H,因为WHW_H是平衡的。 命题成立。

命题 6 078E

对 Ei(1≤i≤n)E_i (1 \leq i \leq n) 和 FF 的假设与道具中相同。 5、在FF中∏i=1nEi\prod_{i=1}^n E_i的多线性映射集合E\mathscr{E}在阶中等连续,集合在(0,0,...,0)(0, 0, ..., 0)等连续就足够了。

对于,在道具的演示中。 5 Ui(1≤i≤n)U_i (1 \leq i \leq n) 可以这样取,使得关系 xi∈Ui(1≤i≤n)x_i \in U_i (1 \leq i \leq n) 暗示f(x1,...,xn)∈⋂HWHf(x_1, ..., x_n) \in \bigcap_H W_H 对于*每个* 映射 f∈Ef \in \mathscr{E}。

7. 向量空间的初始拓扑

命题 7 078F

设 (Ev)v∈I(E_v)_{v \in I} 是拓扑划分环 KK 上的拓扑向量空间族。令EE为KK上的向量空间,对于每个v∈Iv \in I,令fvf_v为EvE_v中EE的线性映射。那么EE上最粗的拓扑使得每个函数fvf_v连续,拓扑T\mathscr{T}与EE的向量空间结构兼容。进一步地,如果对于每个x∈Ex \in E,ϕ(x)\phi(x)表示乘积空间F=∏v∈IEvF = \prod_{v \in I} E_v的点(fv(x))(f_v(x)),则拓扑T\mathscr{T}是拓扑的逆像子空间 ϕ(E)\phi(E) 共 FF 线性映射 ϕ\phi。

命题的最后一个部分是 GT 的特例,I, § 4.1,道具。 3. 命题接下来是下一个引理。

引理 078G

— *令MM和NN为两个向量空间,以及NN中MM的gg线性映射。如果 T0\mathscr{T}_0 与拓扑兼容 NN 的向量空间结构,则 T0\mathscr{T}_0 的逆像 gg 与 MM 的向量空间结构兼容。

我们证明,对于例,(λ,x)↦λx(\lambda, x) \mapsto \lambda x在K×MK \times M的每个点(λ0,x0)(\lambda_0, x_0)都是连续的。把y0=g(x0)y_0 = g(x_0)。 MM 包含邻域形式 g(U)g(U) 中的每个邻域为 0,其中 UU 为 NN 中的 0 邻域;通过假设,KK中存在0的邻域VV和NN中0的邻域WW,使得关系λ−λ0∈V\lambda - \lambda_0 \in V和y−y0∈Wy - y_0 \in W意味着λy−λ0y0∈U\lambda y - \lambda_0 y_0 \in U。因此关系λ−λ0∈V\lambda - \lambda_0 \in V,x−x0∈g(W)x - x_0 \in g(W)意味着λx−λ0x0∈g(U)\lambda x - \lambda_0 x_0 \in g(U)。我们可以类似地证明(x,y)↦x−y(x, y) \mapsto x - y在M×MM \times M中是连续的。

对于每个指标i∈Ii \in I,令Bi\mathscr{B}_i是EiE_i中0的邻域的基本系统。从拓扑T\mathscr{T}的定义,通过族fi−1(Bi)f_i^{-1}(\mathscr{B}_i)的集合并生成此拓扑的0的邻域过滤器;在其他形式、⋂kfik−1(Vik)\bigcap_k f_{i_k}^{-1}(V_{i_k})形式的字、集合中,T\mathscr{T}为0的基本邻域的系统,(ik)1≤k≤n(i_k)_{1 \leq k \leq n}为指标的任何有限序列 I,并且对于每个指标 kk,VikV_{i_k} Bik\mathscr{B}_{i_k} 中的任何集合。

推论 1 078H

设G是K上的拓扑向量空间。在阶中,E中G的映射的集合H是等连续的,对于所有i∈Ii \in I,当u在H中变化时,集合fi∘uf_i \circ u应该是等连续的。

这是 GT 的特例,X, § 2.2,道具。 3.

推论 2 078I

如果空间EiE_i是Hausdorff,那么在阶中T\mathscr{T}是Hausdorff,对于E中的每个x≠0x \neq 0,应该存在指标i∈Ii \in I,使得fi(x)≠0f_i(x) \neq 0是充分必要的。

因为ϕ(E)\phi(E)是Hausdorff空间,并且在阶中T\mathscr{T}是Hausdorff,显然ϕ\phi是单射的必要且充分; 注,然后我们可以将认同 E(与T\mathscr{T})与∏i∈IEi\prod_{i \in I} E_i的子空间ϕ(E)\phi(E)乘以映射ϕ\phi。

推论 3 078J

假设EiE_i已完成,ϕ(E)\phi(E)于F=∏i∈IEiF = \prod_{i \in I} E_i关闭。那么 E 在拓扑 T\mathscr{T} 中完成。

引用了 1

引用了 II § 3. 。哈恩-巴纳赫定理(分析形式)

对于 F 的子空间 ϕ(E)\phi(E) 则完整(GT,II, § 3.4,第 8 条和 § 3.5,第 10 条),因此逆像拓扑中的 E 也是完整的(GT,I, § 7.6,第 10 条和 GT, II, § 3.1,道具 4)。

例 078K

— 令 D′(R)\mathscr{D}'(\mathbf{R}) 为 R\mathbf{R} 上的分布的空间;对于pp数使得1≤p≤+∞1 \leq p \leq +\infty,令j:Lp(R)→D′(R)j : L^p(\mathbf{R}) \to \mathscr{D}'(\mathbf{R})为典范嵌入,它是连续的(当Lp(R)L^p(\mathbf{R})携带其范数空间拓扑和D′(R)\mathscr{D}'(\mathbf{R})强拓扑)。对于每个分布f∈D′(R)f \in \mathscr{D}'(\mathbf{R}),用D(f)D(f)表示ff的导数;回想一下,f↦D(f)f \mapsto D(f)是D′(R)\mathscr{D}'(\mathbf{R})的连续自同态。然后令 E 为 Lp(R)L^p(\mathbf{R}) 中的向量子空间,其中 f∈Lp(R)f \in L^p(\mathbf{R}) 为 D(f)∈Lp(R)D(f) \in L^p(\mathbf{R}),并赋予 E 最粗糙的拓扑,使得典范嵌入 i:E→Lp(R)i : E \to L^p(\mathbf{R}) 和映射 D:E→Lp(R)D : E \to L^p(\mathbf{R}) 连续(Lp(R)L^p(\mathbf{R}) 带有其规范的空间拓扑)。对于这个拓扑,空间 E 是*完整的*。因为,F=Lp(R)×Lp(R)F = L^p(\mathbf{R}) \times L^p(\mathbf{R})中的E的像通过映射ϕ:f↦(f,D(f))\phi : f \mapsto (f, D(f))是*封闭的*,因为它是D′(R)×D′(R)\mathscr{D}'(\mathbf{R}) \times \mathscr{D}'(\mathbf{R})中的D′(R)\mathscr{D}'(\mathbf{R})的像G的Lp(R)×Lp(R)L^p(\mathbf{R}) \times L^p(\mathbf{R})上的迹,通过映射

ϕ0:f↦(f,D(f)); \phi_0 : f \mapsto (f, D(f));

现在 G 是 ϕ0\phi_0 的图,因此在 D′(R)×D′(R)\mathscr{D}'(\mathbf{R}) \times \mathscr{D}'(\mathbf{R}) 中闭合(GT,I, § 8.1,第 2 项的相应 2),并且由于 ϕ(E)\phi(E) 是 G 的逆像通过 i×ii \times i 的连续,我们看到 ϕ(E)\phi(E) 在 F 中闭合。 \

推论 4 078L

设E为拓扑划分环K上的向量空间,并令(Ti)i∈I(\mathscr{T}_i)_{i \in I}为与E的向量空间结构兼容的拓扑族;那么拓扑Ti\mathscr{T}_i的上界T\mathscr{T}与E的向量空间结构兼容。

因为,如果EtE_t表示从EE通过拓扑Tt\mathscr{T}_t得到的拓扑向量空间,并且ftf_t表示EE在EtE_t上的恒等式映射,则T\mathscr{T}是最粗略的拓扑 ftf_t连续。

习题

参见习题为 § 1。

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