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附录
修复了仿射变换的点或群
1. 可解群的情况
设 E 为实数向量空间,K 为 E 的凸子集。映射 u : K → K u : K \to K u : K → K ,这样对于 K 中的 x , y x, y x , y 以及 [ 0 , 1 ] [0, 1] [ 0 , 1 ] 中的每个实数 t t t ,我们有
u ( t x + ( 1 − t ) y ) = t u ( x ) + ( 1 − t ) u ( y )
u(t x + (1 - t) y) = t u(x) + (1 - t) u(y)
u ( t x + ( 1 − t ) y ) = t u ( x ) + ( 1 − t ) u ( y )
被称为仿射变换。从关系 (1) 我们推出
u ( ∑ i ∈ I t i x i ) = ∑ i ∈ I t i u ( x i )
u \left( \sum_{i \in I} t_i x_i \right) = \sum_{i \in I} t_i u(x_i)
u ( i ∈ I ∑ t i x i ) = i ∈ I ∑ t i u ( x i )
对于 K 中的每个有限集合 I、点 x i x_i x i 以及正实数 t i t_i t i ,使得 ∑ i ∈ I t i = 1 \sum_{i \in I} t_i = 1 ∑ i ∈ I t i = 1 。
令u u u 和v v v 为K上的两个仿射变换,则映射u ∘ v u \circ v u ∘ v 为K上的仿射变换。如果v : E → E v : E \to E v : E → E 为线性映射,则v ( K ) ⊂ K v(K) \subset K v ( K ) ⊂ K 、映射u : K → K u : K \to K u : K → K 其中重合 K 上的 v v v 是仿射变换。
定理 1(马尔科夫-角谷) 07WI
— *令 E 为在域 R \mathbf{R} R 上的 Hausdorff 局部凸向量空间,K 为 E 的非空紧凸子集。令 Γ \Gamma Γ 为 K 上连续仿射变换的集合,成对可置换。那么 K 中存在点 a,使得 u ( a ) = a u(a) = a u ( a ) = a 对于所有 u ∈ Γ u \in \Gamma u ∈ Γ 。
对于每个u ∈ Γ u \in \Gamma u ∈ Γ ,令K u K_u K u 为所有x ∈ K x \in K x ∈ K 中的集合,使得u ( x ) = x u(x) = x u ( x ) = x 。我们将证明K u K_u K u 非空。设x x x 为K的点;对于每个整数n ≥ 1 n \geq 1 n ≥ 1 ,令x n x_n x n 为E的元素1 n ∑ i = 0 n − 1 u i ( x ) \frac{1}{n} \sum_{i=0}^{n-1} u^i(x) n 1 ∑ i = 0 n − 1 u i ( x ) 。由于K在u u u 、点x n x_n x n 属于下是凸且稳定的,并且由于K是紧的,因此存在极限点a a a 共序列( x n ) n ≥ 1 (x_n)_{n \geq 1} ( x n ) n ≥ 1 。从K到E的映射y ↦ u ( y ) − y y \mapsto u(y) - y y ↦ u ( y ) − y 是连续的,因而u ( a ) − a u(a) - a u ( a ) − a 是序列( u ( x n ) − x n ) n ≥ 1 (u(x_n) - x_n)_{n \geq 1} ( u ( x n ) − x n ) n ≥ 1 的极限点。但我们有u ( x n ) − x n = 1 n ( u n ( x ) − x ) u(x_n) - x_n = \frac{1}{n} (u^n(x) - x) u ( x n ) − x n = n 1 ( u n ( x ) − x ) 。
由于 K 是紧致的,因此也是有界的(III,p. 3,道具 2),序列 ( u n ( x ) − x ) n ≥ 1 (u^n(x) - x)_{n \geq 1} ( u n ( x ) − x ) n ≥ 1 是有界的;因而,序列( 1 n ( u n ( x ) − x ) ) n ≥ 1 \left( \frac{1}{n}(u^n(x) - x) \right)_{n \geq 1} ( n 1 ( u n ( x ) − x ) ) n ≥ 1 趋于0(III,p. 4,命题3),并且由于E是Hausdorff,所以我们有u ( a ) − a = 0 u(a) - a = 0 u ( a ) − a = 0 。因而a ∈ K u a \in K_u a ∈ K u 。
每个集合K u K_u K u 都是紧空间K的闭凸子集,我们将证明交⋂ u ∈ Γ K u \bigcap_{u \in \Gamma} K_u ⋂ u ∈ Γ K u 非空。为此,只需证明,对于n ≥ 1 n \geq 1 n ≥ 1 和Γ \Gamma Γ 中的u 1 , . . . , u n u_1, ..., u_n u 1 , ... , u n ,集合K u 1 ∩ . . . ∩ K u n K_{u_1} \cap ... \cap K_{u_n} K u 1 ∩ ... ∩ K u n 非空即可。 n = 1 n = 1 n = 1 的情况已经考虑完毕,我们通过归纳对n n n 进行辩论。假设 n ≥ 2 n \geq 2 n ≥ 2 并放入 L = K u 1 ∩ . . . ∩ K u n − 1 L = K_{u_1} \cap ... \cap K_{u_{n-1}} L = K u 1 ∩ ... ∩ K u n − 1 。通过归纳的假设,L是E的非空紧凸子集。由于u n u_n u n 与u 1 , . . . , u n − 1 u_1, ..., u_{n-1} u 1 , ... , u n − 1 可交换,我们有u n ( L ) ⊂ L u_n(L) \subset L u n ( L ) ⊂ L 。 应用证明的第一个部分到u n u_n u n 在L上引起的仿射变换,我们结论在L中存在点a a a 使得u n ( a ) = a u_n(a) = a u n ( a ) = a ;然后a a a 属于到K u 1 ∩ . . . ∩ K u n K_{u_1} \cap ... \cap K_{u_n} K u 1 ∩ ... ∩ K u n ,那么它是非空的。
— *令 G 为 K 上连续仿射变换的可解群。则 K 中存在点,其在 G 下不变。
通过可解群 (A, I, § 6, No. 4) 的定义,存在 G 的不同子群的有限递减序列 ( G i ) 0 ≤ i ≤ n (G_i)_{0 \leq i \leq n} ( G i ) 0 ≤ i ≤ n ,使得 G 0 = G G_0 = G G 0 = G 、G n = { e } G_n = \{e\} G n = { e } 且群 G i − 1 / G i G_{i-1}/G_i G i − 1 / G i 是*可交换的* 1 ≤ i ≤ n 1 \leq i \leq n 1 ≤ i ≤ n 。令K i K_i K i 表示K中G i G_i G i 的固定点的集合。然后是K n = K K_n = K K n = K 。此外,对于1 ≤ i ≤ n 1 \leq i \leq n 1 ≤ i ≤ n ,G i G_i G i 诱导的每元素在K i K_i K i 上进行恒等变换;因而,如果 K i K_i K i 非空,我们就可以在 K 上推出阿贝尔的群 G i − 1 / G i G_{i-1}/G_i G i − 1 / G i 的作用;由此可见。 1 K i K_i K i 中G i − 1 / G i G_{i-1}/G_i G i − 1 / G i 固定点的集合K i − 1 K_{i-1} K i − 1 非空。通过在 i i i 上下降归纳,我们结论 K 0 K_0 K 0 非空,因此得出推论。
2. 不变意味着
设X为拓扑空间。让B ( X ; R ) \mathscr{B}(X; \mathbf{R}) B ( X ; R ) 表示从X到R \mathbf{R} R 的连续有界映射的实数向量空间由……组成。赋予范数∥ f ∥ = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ \|f\| = \sup_{x \in X} |f(x)| ∥ f ∥ = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ ,这是巴纳赫空间(GT,X, § 3, No. 1);它也是一个有序的向量空间,其中关系f ≥ g f \geq g f ≥ g 表示“f ( x ) ≥ g ( x ) f(x) \geq g(x) f ( x ) ≥ g ( x ) 对于所有x ∈ X x \in X x ∈ X ”。
空间 B ( X ; R ) \mathscr{B}(X; \mathbf{R}) B ( X ; R ) 上的正线性形式μ \mu μ ,其中X是拓扑空间,其中∥ μ ∥ = 1 \|\mu\| = 1 ∥ μ ∥ = 1 称为X上的均值。
\* 当 X 是紧致的时,X 上的均值是 X 上的正测度,使得 μ ( X ) = 1 \mu(X) = 1 μ ( X ) = 1 。 \*
X 上的平均值集合 K 是 Banach 空间 E = B ( X ; R ) E = \mathscr{B}(X; \mathbf{R}) E = B ( X ; R ) 的对偶的单位球的子集,其元素是线性形式 μ \mu μ ,使得μ ( 1 ) = 1 \mu(1) = 1 μ ( 1 ) = 1 。它是 E ′ E' E ′ 的子集,对于 σ ( E ′ , E ) \sigma(E', E) σ ( E ′ , E ) 是凸且紧的。
引用了 1 引用了 III § 3. 。连续空间线性映射
令 E 上的 μ \mu μ 为线性形式,使得 μ ( 1 ) = 1 \mu(1) = 1 μ ( 1 ) = 1 。对于每函数 f ∈ E f \in E f ∈ E ,我们定义函数 f ′ ∈ E f' \in E f ′ ∈ E f ′ ( x ) = ∥ f ∥ − f ( x ) f'(x) = \|f\| - f(x) f ′ ( x ) = ∥ f ∥ − f ( x ) (x ∈ X x \in X x ∈ X )。首先假设μ \mu μ 是均值;对于每个f ∈ E f \in E f ∈ E ,我们有f ′ ≥ 0 f' \geq 0 f ′ ≥ 0 ,因而μ ( f ′ ) ≥ 0 \mu(f') \geq 0 μ ( f ′ ) ≥ 0 ,*即*μ ( f ) ≤ ∥ f ∥ \mu(f) \leq \|f\| μ ( f ) ≤ ∥ f ∥ ;因而∥ μ ∥ ≤ 1 \|\mu\| \leq 1 ∥ μ ∥ ≤ 1 。
相反,假设μ \mu μ 属于到E ′ E' E ′ ,则∥ μ ∥ ≤ 1 \| \mu \| \leq 1 ∥ μ ∥ ≤ 1 ;对于每个正数函数f ∈ E f \in E f ∈ E ,我们有μ ( f ′ ) ≤ ∥ f ′ ∥ \mu(f') \leq \| f' \| μ ( f ′ ) ≤ ∥ f ′ ∥ ,因而
∥ f ∥ − μ ( f ) = μ ( f ′ ) ≤ ∥ f ′ ∥ ≤ ∥ f ∥ ,
\| f \| - \mu(f) = \mu(f') \leq \| f' \| \leq \| f \|,
∥ f ∥ − μ ( f ) = μ ( f ′ ) ≤ ∥ f ′ ∥ ≤ ∥ f ∥ ,
最后μ ( f ) ≥ 0 \mu(f) \geq 0 μ ( f ) ≥ 0 ;因而,μ \mu μ 是一个平均值。
显然K K K 是凸的;从 cor 可以看出,σ ( E ′ , E ) \sigma(E', E) σ ( E ′ , E ) 是紧致的。 3 个III、p. 17。
Q.E.D.
令Γ \Gamma Γ 为从X X X 到X X X 的连续映射的集合,成对通勤。让γ ∈ Γ \gamma \in \Gamma γ ∈ Γ 。对于每个函数 f ∈ E f \in E f ∈ E ,我们有 f ∘ γ ∈ E f \circ \gamma \in E f ∘ γ ∈ E ;因此我们可以对X X X 上的均值集合K K K 进行定义仿射变换u γ u_{\gamma} u γ ,通过
u γ μ ( f ) = μ ( f ∘ γ ) ( μ ∈ K , f ∈ E ) .
u_{\gamma} \mu(f) = \mu(f \circ \gamma) \quad (\mu \in K, f \in E).
u γ μ ( f ) = μ ( f ∘ γ ) ( μ ∈ K , f ∈ E ) .
如果K K K 由σ ( E ′ , E ) \sigma(E', E) σ ( E ′ , E ) 诱导分配拓扑,映射u γ u_{\gamma} u γ 是连续的。如果γ \gamma γ 是同胚,u γ μ u_{\gamma} \mu u γ μ 可以由μ \mu μ 通过迁移或结构推出。最后,我们对Γ \Gamma Γ 中的所有γ , γ ′ \gamma, \gamma' γ , γ ′ 有u γ u γ ′ = u γ ′ γ u γ u_{\gamma} u_{\gamma'} = u_{\gamma' \gamma} u_{\gamma} u γ u γ ′ = u γ ′ γ u γ 。由马尔科夫-卡库塔尼 th。 (IV, p. 39, th.1), 在X X X 上存在一个均值μ \mu μ ,使得u γ μ = μ u_{\gamma} \mu = \mu u γ μ = μ 对于所有γ ∈ Γ \gamma \in \Gamma γ ∈ Γ ;在其他字 中,对于f ∈ E f \in E f ∈ E 和γ ∈ Γ \gamma \in \Gamma γ ∈ Γ ,μ \mu μ 满足关系μ ( f ) = μ ( f ∘ γ ) \mu(f) = \mu(f \circ \gamma) μ ( f ) = μ ( f ∘ γ ) 。
以类似的方式,th 的推论。 1 (IV, p. 40) 意味着以下结果:
设X X X 为拓扑空间,G G G 为可解群。我们假设G G G 对左侧的X X X 进行运算,这样对于所有g ∈ G g \in G g ∈ G ,从X X X 到X X X 的映射x ↦ g . x x \mapsto g.x x ↦ g . x 都是连续的。那么 X X X 上存在一个均值,该均值在 G G G 下不变。
设G G G 为可解拓扑群。那么 G G G 上存在一个均值,它在左平移和右平移下保持不变。
应用 prop 就足够了。 1 到可解的群 G × G G \times G G × G 通过 ( g . g ′ ) . x = g x g ′ − 1 (g.g').x = {gxg'}^{-1} ( g . g ′ ) . x = g x g ′ − 1 作用于 G G G 。
3. 里尔-纳尔泽夫斯基定理
In this section, E E E denotes a normed space over the field R \mathbf{R} R and T \mathscr{T} T a Hausdorff locally convex topology on E E E for which the norm of E E E is lower semi-continuous . 这些假设在以下情况下尤其得到满足:
a) T \mathscr{T} T 是由范数空间 E E E 的范数引发的拓扑。 b) T \mathscr{T} T 是规范化空间 E E E 的弱化拓扑 σ ( E , E ′ ) \sigma(E, E') σ ( E , E ′ ) 。 c) E E E 是规范的空间 F F F 和 T = σ ( F ′ , F ) \mathscr{T} = \sigma(F', F) T = σ ( F ′ , F ) 的对偶。 d) 存在两个范数空间、F 1 F_1 F 1 和F 2 F_2 F 2 ,使得E = L ( F 1 ; F 2 ) E = \mathscr{L}(F_1 ; F_2) E = L ( F 1 ; F 2 ) 和T \mathscr{T} T 是简单收敛的拓扑。
除非另有明确说明,拓扑概念指拓扑T \mathscr{T} T 。
令 K K K 为 E E E 的凸子集。假设 K K K 是紧致的(对于拓扑 T \mathscr{T} T ),并且 K K K 满足 E E E 的范数定义的距离的第一个可数公理。
假设K K K 包含至少有两个点。对于每个ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 ,存在K K K 的划分分为两个非空子集K 1 K_1 K 1 和K 2 K_2 K 2 ,具有以下性质:
引用了 1 引用了 II § 7. 。极端点和极端生成元
a) K 1 K_1 K 1 是凸且紧的; b) K 2 K_2 K 2 中的每个 x 1 x_1 x 1 和 x 2 x_2 x 2 都有 ∥ x 1 − x 2 ∥ < ε \| x_1 - x_2 \| < \varepsilon ∥ x 1 − x 2 ∥ < ε 。
令L L L 为K K K 的所有极值点的集合的闭包。由克赖因-米尔曼 th。 (II,p. 55,第1),K K K 是L L L 的闭凸包络。由于K K K 包含至少有两个点,L L L 也是如此。对于每个x ∈ L x \in L x ∈ L ,令A x A_x A x 为所有y ∈ L y \in L y ∈ L 中的集合,使得∥ x − y ∥ ≤ ε / 4 \| x - y \| \leq \varepsilon / 4 ∥ x − y ∥ ≤ ε /4 。到假设,在K K K ,存在L L L 的可数子集D D D ,使得L = ⋃ x ∈ D A x L = \bigcup_{x \in D} A_x L = ⋃ x ∈ D A x 。由于范数是下半连续的,因此集合A x A_x A x 都是闭集。 应用贝尔的第 3 次。 (GT, IX, § 5, No. 3, th. 1) 到紧空间 L L L ,我们看到D D D 中存在点a a a ,E E E 中存在开子集U U U ,使得L ∩ U L \cap U L ∩ U 为非空且包含在 A a A_a A a 中。由于L L L 包含至少有两个点,并且由于E E E 是Hausdorff,因此我们可以通过L ∉ U L \notin U L ∈ / U 这样的方式来选择U U U 。
Let M M M be the closed convex envelope of L ∩ ∁ U L \cap \complement U L ∩ ∁ U . For every 实数 t t t such that 0 < t < 1 0 < t < 1 0 < t < 1 , let M t M_t M t be 集合 of all 向量 of 形式 t x 1 + ( 1 − t ) x 2 tx_1 + (1 - t) x_2 t x 1 + ( 1 − t ) x 2 with x 1 ∈ M x_1 \in M x 1 ∈ M and x 2 ∈ K x_2 \in K x 2 ∈ K ; this is a non-empty, compact convex 子集 of K K K . We shall prove that M t ≠ K M_t \neq K M t = K by reductio ad absurdum.假设M t = K M_t = K M t = K ; then every extremal 点 x x x in K K K 属于 to M t M_t M t , hence can be written in 形式 x = t x 1 + ( 1 − t ) x 2 x = tx_1 + (1 - t) x_2 x = t x 1 + ( 1 − t ) x 2 with x 1 ∈ M x_1 \in M x 1 ∈ M and x 2 ∈ K x_2 \in K x 2 ∈ K .这意味着x = x 1 = x 2 x = x_1 = x_2 x = x 1 = x 2 ,所以x ∈ M x \in M x ∈ M 。作者:Krein-Milman th。 (II, p. 55, th. 1), we have K = M K = M K = M , and K K K is the closed convex envelope of L ∩ ∁ U L \cap \complement U L ∩ ∁ U . By II, p. 56, corollary, this implies that L ⊂ L ∩ ∁ U L \subset L \cap \complement U L ⊂ L ∩ ∁ U , which 与……矛盾关系 L ∩ U ≠ ∅ L \cap U \neq \varnothing L ∩ U = ∅ .
Put d = sup x ∈ K , y ∈ K ∥ x − y ∥ d = \sup_{x \in K, y \in K} \| x - y \| d = sup x ∈ K , y ∈ K ∥ x − y ∥ and 选择实数 t t t such that 0 < t < 1 0 < t < 1 0 < t < 1 and t < ε / 4 d t < \varepsilon / 4d t < ε /4 d .输入K 1 = M t K_1 = M_t K 1 = M t 和K 2 = K − M t K_2 = K - M_t K 2 = K − M t 。 By the preceding argument, 集合 K 1 K_1 K 1 and K 2 K_2 K 2 are non-empty, and K 1 K_1 K 1 is convex and compact. Let M ′ M' M ′ be the closed convex envelope of L ∩ U L \cap U L ∩ U . Since K K K is the closed convex envelope of 集合 L = ( L ∩ ∁ U ) ∪ ( L ∩ U ) L = (L \cap \complement U) \cup (L \cap U) L = ( L ∩ ∁ U ) ∪ ( L ∩ U ) , it is also the closed convex envelope of M ∪ M ′ M \cup M' M ∪ M ′ . Let x 1 x_1 x 1 and x 2 x_2 x 2 be two 点 in K 2 K_2 K 2 ; for i = 1 , 2 i = 1, 2 i = 1 , 2 , there exist y i ∈ M y_i \in M y i ∈ M , z i ∈ M ′ z_i \in M' z i ∈ M ′ and 实数 α i \alpha_i α i such that 0 ≤ α i ≤ 1 0 \leq \alpha_i \leq 1 0 ≤ α i ≤ 1 and x i = α i y i + ( 1 − α i ) z i x_i = \alpha_i y_i + (1 - \alpha_i) z_i x i = α i y i + ( 1 − α i ) z i .如果α i ≥ t \alpha_i \geq t α i ≥ t ,那么
x i = t y i + ( 1 − t ) { α i − t 1 − t y i + 1 − α i 1 − t z i }
x_i = t y_i + (1 - t) \left\{ \frac{\alpha_i - t}{1 - t} y_i + \frac{1 - \alpha_i}{1 - t} z_i \right\}
x i = t y i + ( 1 − t ) { 1 − t α i − t y i + 1 − t 1 − α i z i } ;这个与……矛盾假设那个
x i ∉ M i x_i \notin M_i x i ∈ / M i 。因此
α i < t \alpha_i < t α i < t ,对于
i = 1 , 2 i = 1, 2 i = 1 , 2 ,等等
∥ x i − z i ∥ = ∥ α i ( y i − z i ) ∥ = α i ∥ y i − z i ∥ ≤ α i d < d t < ε / 4.
\| x_i - z_i \| = \| \alpha_i (y_i - z_i) \| = \alpha_i \| y_i - z_i \| \leq \alpha_i d < dt < \varepsilon / 4 .
∥ x i − z i ∥ = ∥ α i ( y i − z i ) ∥ = α i ∥ y i − z i ∥ ≤ α i d < d t < ε /4. For every 点
z z z in
M ′ M' M ′ , we have
∥ z − a ∥ ≤ ε / 4 \| z - a \| \leq \varepsilon / 4 ∥ z − a ∥ ≤ ε /4 , since
L ∩ U ⊂ A a L \cap U \subset A_a L ∩ U ⊂ A a , and so, in particular
∥ z i − a ∥ ≤ ε / 4 \| z_i - a \| \leq \varepsilon / 4 ∥ z i − a ∥ ≤ ε /4 .因此
∥ x 1 − x 2 ∥ ≤ ∑ i = 1 2 ( ∥ x i − z i ∥ + ∥ z i − a ∥ ) < ε .
\| x_1 - x_2 \| \leq \sum_{i=1}^2 (\| x_i - z_i \| + \| z_i - a \|) < \varepsilon .
∥ x 1 − x 2 ∥ ≤ i = 1 ∑ 2 ( ∥ x i − z i ∥ + ∥ z i − a ∥ ) < ε . 这样就完成了证明。
设 G 为 K 上连续(对于 T \mathscr{T} T )仿射变换的群。假设 K 非空,并且对于 K 中的所有 x、y 和 G 中的所有 g 都有 ∥ g x − g y ∥ = ∥ x − y ∥ \|gx - gy\| = \|x - y\| ∥ g x − g y ∥ = ∥ x − y ∥ 。则 K 中存在点,它在 G 下是不变的。
引用了 1 引用了 III § 3. 。连续空间线性映射
令J \mathfrak{J} J 为K的非空子集族,对于G来说是闭凸且稳定的。如果( L α ) α ∈ I (L_\alpha)_{\alpha \in I} ( L α ) α ∈ I 是J \mathfrak{J} J 的元素族,且按包含全序,则集合L = ⋂ α ∈ I L α L = \bigcap_{\alpha \in I} L_\alpha L = ⋂ α ∈ I L α 属于到J \mathfrak{J} J 。因而(S,III, § 3, No. 4,th.2),J \mathfrak{J} J 中存在元素L,这对于包含关系来说是最小的。我们将证明L约化到点。
我们通过反证法进行论证,假设L包含至少有两个不同的点x 1 x_1 x 1 和x 2 x_2 x 2 ,放入x = ( x 1 + x 2 ) / 2 x = (x_1 + x_2)/2 x = ( x 1 + x 2 ) /2 和ε = ∥ x 1 − x 2 ∥ / 2 \varepsilon = \|x_1 - x_2\|/2 ε = ∥ x 1 − x 2 ∥/2 。凸和紧集 L 满足由范数 (GT, IX, § 2, No. 8) 定义的距离的第一可数公理。因而,我们可以应用引理 2 并找到L的紧凑且凸的子集L 1 L_1 L 1 ,与∅ \varnothing ∅ 和L不同,具有以下性质:
(A) 对于L − L 1 L - L_1 L − L 1 中的每个y 1 y_1 y 1 和y 2 y_2 y 2 ,我们有∥ y 1 − y 2 ∥ < ε \|y_1 - y_2\| < \varepsilon ∥ y 1 − y 2 ∥ < ε 。
我们将通过反证法证明g x ∈ L 1 gx \in L_1 g x ∈ L 1 对于所有g ∈ G g \in G g ∈ G 。 令g ∈ G g \in G g ∈ G 使得g x ∈ L − L 1 gx \in L - L_1 g x ∈ L − L 1 那么我们有
∥ g x i − g x ∥ = ∥ x i − x ∥ = ∥ x 1 − x 2 ∥ / 2 = ε ,
\|gx_i - gx\| = \|x_i - x\| = \|x_1 - x_2\|/2 = \varepsilon ,
∥ g x i − g x ∥ = ∥ x i − x ∥ = ∥ x 1 − x 2 ∥/2 = ε ,
i = 1 , 2 i = 1, 2 i = 1 , 2 。到性质 (A),我们有g x i ∈ L 1 gx_i \in L_1 g x i ∈ L 1 。由于L 1 L_1 L 1 是凸的,我们将结论从g x = ( g x 1 + g x 2 ) / 2 gx = (gx_1 + gx_2)/2 g x = ( g x 1 + g x 2 ) /2 属于到L 1 L_1 L 1 ,即与……矛盾假设。
令 L ′ L' L ′ 为 x 的轨道 G x Gx G x 的闭凸包络。 集合L ′ L' L ′ 属于至J \mathfrak{J} J 。根据前面的论证,我们有L ′ ⊂ L 1 L' \subset L_1 L ′ ⊂ L 1 ,因此有L ′ ⊂ L , L ′ ≠ L L' \subset L, L' \neq L L ′ ⊂ L , L ′ = L 。这样与……矛盾L和证明的最小特征标就完成了。
定理 2(里尔-纳尔泽夫斯基) 07WQ
— *令 E 为赋范空间,K 为 E 的非空凸子集,对于弱化的拓扑 σ ( E , E ′ ) \sigma(E, E') σ ( E , E ′ ) 是紧致的。设G为K的等距仿射变换的群,则K中存在点,其在G下不变。
对于每个g ∈ G g \in G g ∈ G ,令K g K_g K g 表示K中所有点x中的集合,使得g x = x gx = x g x = x ;令 K 被指定为弱化的拓扑;每个集合K g K_g K g 在紧致空间K中都是凸且闭的。我们将证明交⋂ g ∈ G K g \bigcap_{g \in G} K_g ⋂ g ∈ G K g 非空;为此,只需证明对于G中的每个g 1 , . . . , g n g_1, ..., g_n g 1 , ... , g n 来说集合K g 1 ∩ . . . ∩ K g n K_{g_1} \cap ... \cap K_{g_n} K g 1 ∩ ... ∩ K g n 非空即可。固定g 1 , . . . , g n g_1, ..., g_n g 1 , ... , g n 并令H为{ g 1 , . . . , g n } \{ g_1, ..., g_n \} { g 1 , ... , g n } 生成的G的子群。 K 中的选择点 a,令 L 表示 a 的轨道 Ha 的闭凸包络。令 D 为形式 λ 1 h 1 a + ⋯ + λ m h m a \lambda_1 h_1 a + \cdots + \lambda_m h_m a λ 1 h 1 a + ⋯ + λ m h m a 的元素的可数集合,其中 λ 1 , . . . , λ m \lambda_1, ..., \lambda_m λ 1 , ... , λ m 是正有理数数,使得 λ 1 + ⋯ + λ m = 1 \lambda_1 + \cdots + \lambda_m = 1 λ 1 + ⋯ + λ m = 1 和 h 1 , . . . , h m h_1, ..., h_m h 1 , ... , h m 是 H 中的元素。 D 的 D ‾ \overline{D} D 对于强拓扑是凸的,因此它对于 σ ( E , E ′ ) \sigma(E, E') σ ( E , E ′ ) 是封闭的(IV,p. 4,道具 2);因而D ‾ = L \overline{D} = L D = L ,这证明L是一个度量空间满足距离( x , y ) ↦ ∥ x − y ∥ (x, y) \mapsto \|x - y\| ( x , y ) ↦ ∥ x − y ∥ 的第一个可数公理。现在我们可以应用引理 2。L中存在点 b,它在H下是不变的,因而b ∈ K g 1 ∩ . . . ∩ K g n b \in K_{g_1} \cap ... \cap K_{g_n} b ∈ K g 1 ∩ ... ∩ K g n 。
— 设 E 为自反 Banach 空间,赋模空间 E 的自同构的 G 群,以及 E 的 K 子集。假设 K 在 G 下非空、凸、闭、有界且稳定。则 K 中存在点,其在 G 下不变。
引用了 1 引用了 IV § 2. 。双向。反射空间
由于 E 是自反的,因而 K 对于 σ ( E , E ′ ) \sigma(E, E') σ ( E , E ′ ) (IV, p. 15, th. 1) 是紧致的。此外,G属于到L ( E ) \mathscr{L}(E) L ( E ) 的每元素。
4. 应用。
\* A) 表示群 : 令 E 为复希尔伯特空间、G 群和 π \pi π E 上 G 的酉表示,即同态从 G 到 E 的自同构的群。令 E G E^G E G 为希尔伯特所有向量的E由……组成的子空间在π ( G ) \pi(G) π ( G ) 下不变。对于每个 x ∈ E x \in E x ∈ E ,令 K x K_x K x 为 x 的轨道的闭凸包络。修复 E 中的点 x。
我们将证明K x K_x K x 中存在唯一的点,它在π ( G ) \pi(G) π ( G ) 下不变,即x在E G E^G E G 上的投影。由IV、p. 44推论(应用于底层实数向量空间到E),K x K_x K x 中存在点,在π ( G ) \pi(G) π ( G ) 下不变;令 a 为点;然后a ∈ E G a \in E^G a ∈ E G 。令 P 为所有 y ∈ E y \in E y ∈ E 的集合,使得 y − x y - x y − x 与 E G E^G E G 正交;我们立即看到 P 在 π ( G ) \pi(G) π ( G ) 下是闭的、凸的且不变的;因而x ∈ P x \in P x ∈ P ,因而K x ⊂ P K_x \subset P K x ⊂ P ,最后a ∈ P a \in P a ∈ P 。在其他字中,a − x a - x a − x 与E G E^G E G 正交;因而 a 是 x 到 E G E^G E G 的投影。 \*
\* B) 希尔伯特空间中运算符的踪迹: 假设表示π \pi π 是不可约的,即不存在E的希尔伯特子空间,不同于{ 0 } \{0\} { 0 } 和E,它在π ( G ) \pi(G) π ( G ) 下不变。令 F = L 2 ( E ) F = \mathscr{L}^2(E) F = L 2 ( E ) 为 E 的所有 Hilbert-Schmidt 自同态的希尔伯特空间,标量为乘积 ⟨ u ∣ v ⟩ = Tr ( u ∗ v ) \langle u|v \rangle = \operatorname{Tr}(u^*v) ⟨ u ∣ v ⟩ = Tr ( u ∗ v ) 。我们定义一个酉表示λ \lambda λ 从G通过公式进入F
λ ( g ) . u = π ( g ) u π ( g ) − 1 ( u ∈ F , g ∈ G )
\lambda(g).u = \pi(g)\ u\pi(g)^{-1} \quad (u \in F,\ g \in G)
λ ( g ) . u = π ( g ) u π ( g ) − 1 ( u ∈ F , g ∈ G )
λ ( G ) \lambda(G) λ ( G ) 下 E 不变量的所有元素的空间 F G F^G F G 由 E 的希尔伯特-施密特自同态 u u u 组成,对于所有 g ∈ G g \in G g ∈ G 与 π ( g ) \pi(g) π ( g ) 交换。根据 Schur 的引理,这样的 u u u 就是位似。因此我们必须考虑两种情况: 1) 如果 E 是无限维的,则 F G = { 0 } F^G = \{0\} F G = { 0 } ; 2) 如果 E 是有限维的,则 F = L ( E ) F = \mathscr{L}(E) F = L ( E ) 和 F G = C .1 E F^G = \mathbf{C}.1_E F G = C . 1 E 。
将A)的结果应用代入酉表示λ \lambda λ ,我们得到以下定理:
设u ∈ L 2 ( E ) u \in \mathscr{L}^2(E) u ∈ L 2 ( E ) ,并令A u A_u A u 为E的自同态π ( g ) u π ( g ) − 1 \pi(g)\ u\pi(g)^{-1} π ( g ) u π ( g ) − 1 的集合的L 2 ( E ) \mathscr{L}^2(E) L 2 ( E ) 的闭凸包络,其中g穿过G。如果E是无限维的,则我们有0 ∈ A u 0 \in A_u 0 ∈ A u 。如果 E 是维数 d 的有限维,则 A u A_u A u 中存在唯一的位似,即 u 的投影 1 d Tr ( u ) . 1 E \frac{1}{d}\ \operatorname{Tr}(u).\ 1_E d 1 Tr ( u ) . 1 E 到 L 2 ( E ) \mathscr{L}^2(E) L 2 ( E ) 的子空间 C .1 E \mathbf{C}.1_E C . 1 E 。 \*
C) 紧凑群的哈尔测度:
设 G 为紧群,并令 E = C ( G , R ) \mathscr{C}(G, \mathbf{R}) C ( G , R ) 为 G 上所有实值连续函数的 Banach 空间,赋予范数
∥ f ∥ = sup x ∈ G ∣ f ( x ) ∣ .
\| f \| = \sup_{x \in G} |f(x)| .
∥ f ∥ = x ∈ G sup ∣ f ( x ) ∣.
对于所有x ∈ G x \in G x ∈ G ,我们通过公式对E进行定义自同构γ x \gamma_x γ x 和δ x \delta_x δ x
γ x f ( y ) = f ( x − 1 y ) , δ x f ( y ) = f ( y x )
\gamma_x f(y) = f(x^{-1}y) , \quad \delta_x f(y) = f(yx)
γ x f ( y ) = f ( x − 1 y ) , δ x f ( y ) = f ( y x )
(y ∈ G , f ∈ E y \in G,\ f \in E y ∈ G , f ∈ E )。
令f ∈ E f \in E f ∈ E 、Γ f \Gamma_f Γ f (或Δ f \Delta_f Δ f )表示封闭凸包络i。当 x 范围大于 G 时,所有函数 γ x f \gamma_x f γ x f (或 δ x f \delta_x f δ x f )中的集合的 E。我们将证明存在唯一常数函数 μ ( f ) \mu(f) μ ( f ) 属于到 Γ f \Gamma_f Γ f ,唯一常数函数 μ ′ ( f ) \mu'(f) μ ′ ( f ) 属于到 Δ f \Delta_f Δ f ,并且这些常数相等。
很明显,G 上的连续函数在 E 的自同构 γ x \gamma_x γ x (或 δ x \delta_x δ x )下是不变的当且仅当它是常数。现在,G 中 x 的所有函数 γ x f \gamma_x f γ x f (分别为 δ x f \delta_x f δ x f )中的集合在 E 中是紧致的,因为从 G 到 E 的映射 x ↦ γ x f x \mapsto \gamma_x f x ↦ γ x f (分别为 x ↦ δ x f x \mapsto \delta_x f x ↦ δ x f )是连续的(GT,X, § 3, No. 4,第 3 个)。由此可见(II,p. 25,命题 3),对于由范数定义的拓扑,Γ f \Gamma_f Γ f (分别为 Δ f \Delta_f Δ f )在 E 中为紧集,因此对于 σ ( E , E ′ ) \sigma(E, E') σ ( E , E ′ ) 。作者:Ryll-Nardzewski。 (IV,p. 43,第2),Γ f \Gamma_f Γ f 和Δ f \Delta_f Δ f 存在常数函数。尚待证明,如果c 1 ∈ Γ f c_1 \in \Gamma_f c 1 ∈ Γ f 和c 2 ∈ Δ f c_2 \in \Delta_f c 2 ∈ Δ f 是常数,则c 1 = c 2 c_1 = c_2 c 1 = c 2 。
让ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 。到假设时,G 中存在点 x 1 , . . . , x n , y 1 , . . . , y n x_1, ..., x_n,\ y_1, ..., y_n x 1 , ... , x n , y 1 , ... , y n 且正实数 λ 1 , . . . , λ n , μ 1 , . . . , μ m \lambda_1, ..., \lambda_n,\ \mu_1, ..., \mu_m λ 1 , ... , λ n , μ 1 , ... , μ m 使得
λ 1 + ⋯ + λ n = μ 1 + ⋯ + μ m = 1.
\lambda_1 + \cdots + \lambda_n = \mu_1 + \cdots + \mu_m = 1 .
λ 1 + ⋯ + λ n = μ 1 + ⋯ + μ m = 1.
sup x ∈ G ∣ ∑ i = 1 n λ i f ( x i x ) − c 1 ∣ ≤ ε ,
\sup_{x \in G} \left| \sum_{i=1}^n \lambda_i f(x_i x) - c_1 \right| \leq \varepsilon ,
x ∈ G sup i = 1 ∑ n λ i f ( x i x ) − c 1 ≤ ε ,
sup x ∈ G ∣ ∑ j = 1 m μ j f ( x y j ) − c 2 ∣ ≤ ε .
\sup_{x \in G} \left| \sum_{j=1}^m \mu_j f(xy_j) - c_2 \right| \leq \varepsilon .
x ∈ G sup j = 1 ∑ m μ j f ( x y j ) − c 2 ≤ ε .
输入r = ∑ i , j λ i μ j f ( x i y j ) r = \sum_{i,j} \lambda_i \mu_j f(x_i y_j) r = ∑ i , j λ i μ j f ( x i y j ) 。然后r − c 1 = ∑ j = 1 m μ j a j r - c_1 = \sum_{j=1}^m \mu_j a_j r − c 1 = ∑ j = 1 m μ j a j 与a j = ∑ i = 1 n λ i f ( x i y j ) − c 1 a_j = \sum_{i=1}^n \lambda_i f(x_i y_j) - c_1 a j = ∑ i = 1 n λ i f ( x i y j ) − c 1 ;根据 (7),我们有 ∣ a j ∣ ≤ ε |a_j| \leq \varepsilon ∣ a j ∣ ≤ ε 对应 1 ≤ j ≤ m 1 \leq j \leq m 1 ≤ j ≤ m ,因此有 ∣ r − c 1 ∣ ≤ ε |r - c_1| \leq \varepsilon ∣ r − c 1 ∣ ≤ ε 。同样,我们证明不等式∣ r − c 2 ∣ ≤ ε |r - c_2| \leq \varepsilon ∣ r − c 2 ∣ ≤ ε ,因此∣ c 1 − c 2 ∣ ≤ 2 ε |c_1 - c_2| \leq 2\varepsilon ∣ c 1 − c 2 ∣ ≤ 2 ε 。由于 ε \varepsilon ε 是任意的,因此我们得到 c 1 = c 2 c_1 = c_2 c 1 = c 2 ,正如断言的那样。
通过μ ( f ) \mu(f) μ ( f ) 的定义,对于每个ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 ,我们可以在G中找到正的数λ 1 , . . . , λ n \lambda_1, ..., \lambda_n λ 1 , ... , λ n ,其中和1和元素x 1 , . . . , x n x_1, ..., x_n x 1 , ... , x n ,使得∣ ∑ i = 1 n λ i f ( x i x ) − μ ( f ) ∣ ≤ ε \left| \sum_{i=1}^n \lambda_i f(x_i x) - \mu(f) \right| \leq \varepsilon ∣ ∑ i = 1 n λ i f ( x i x ) − μ ( f ) ∣ ≤ ε 对于所有x ∈ G x \in G x ∈ G 。
直接的对于E中的f , g f, g f , g 和每个标量λ \lambda λ ,我们有Γ f + g ⊂ Γ f + Γ g \Gamma_{f+g} \subset \Gamma_f + \Gamma_g Γ f + g ⊂ Γ f + Γ g 和Γ γ f = λ Γ f \Gamma_{\gamma f} = \lambda \Gamma_f Γ γ f = λ Γ f ,因此我们有关系μ ( f + g ) = μ ( f ) + μ ( g ) \mu(f+g) = \mu(f) + \mu(g) μ ( f + g ) = μ ( f ) + μ ( g ) 和μ ( λ f ) = λ μ ( f ) \mu(\lambda f) = \lambda \mu(f) μ ( λ f ) = λ μ ( f ) 。因此,从 E 到 R \mathbf{R} R 的映射 μ : f ↦ μ ( f ) \mu : f \mapsto \mu(f) μ : f ↦ μ ( f ) 是紧致空间 G (IV, p. 40) 上的平均值; 在其他情况下,字μ \mu μ 是G上的正测度,使得μ ( G ) = 1 \mu(G) = 1 μ ( G ) = 1 。
μ \mu μ 在G G G 的左平移下不变是直接的,等式μ ( f ) = μ ′ ( f ) \mu(f) = \mu'(f) μ ( f ) = μ ′ ( f ) 意味着μ \mu μ 在右平移下也是不变的。 \* 在其他字中,μ \mu μ 是 G G G 上的左度量和右度量(INT,VII, § 1, No. 2,定义 2)。 \*
*D) 不变测度的存在:
令X X X 为豪斯多夫拓扑空间,μ \mu μ 为X X X 的正有界测度,G G G 群为X X X 的同胚。假设对于所有g ∈ G g \in G g ∈ G ,映射g : X → X g : X \to X g : X → X 下μ \mu μ 的测度g . μ g.\mu g . μ 、像为基μ \mu μ 。令u g u_g u g 为X X X 上的μ \mu μ 可积正函数,使得g . μ = u g . μ g.\mu = u_g.\mu g . μ = u g . μ 。还假设X X X 上存在两个正的μ \mu μ 、可积函数、ϕ \phi ϕ 和ψ \psi ψ ,它们不是μ \mu μ -空,并且使得ϕ ≤ u g ≤ ψ \phi \leq u_g \leq \psi ϕ ≤ u g ≤ ψ μ \mu μ -对于所有g ∈ G g \in G g ∈ G 来说几乎无处不在。我们将证明X X X 上存在正有界测度ν ≠ 0 \nu \neq 0 ν = 0 ,其中基μ \mu μ ,且在G G G 下不变。
Let P P P be the subset of the Banach space E = L 1 ( X , μ ) E = L^1(X, \mu) E = L 1 ( X , μ ) consisting of classes of functions f f f such that ϕ ≤ f ≤ ψ \phi \leq f \leq \psi ϕ ≤ f ≤ ψ μ \mu μ -almost everywhere. 那么P P P 对于弱化的拓扑σ ( E , E ′ ) \sigma(E, E') σ ( E , E ′ ) 来说是紧致的。 The mapping h ↦ h . μ h \mapsto h.\mu h ↦ h . μ from P P P into the Banach space F = M b ( X ) F = \mathscr{M}^b(X) F = M b ( X ) of bounded real measures on X X X , is a bijection from P P P onto a subset P 1 P_1 P 1 of E E E which is convex and compact for the topology σ ( F , F ′ ) \sigma(F, F') σ ( F , F ′ ) . 由假设,g . μ ∈ P 1 g.\mu \in P_1 g . μ ∈ P 1 为所有 g ∈ G g \in G g ∈ G 。 令K K K 为所有测度g . μ g.\mu g . μ 的集合的封闭凸包络。 对于所有g ∈ G g \in G g ∈ G ,映射ν ↦ g . ν \nu \mapsto g.\nu ν ↦ g . ν 是K K K 的等距仿射变换。 作者:Ryll-Nardzewski。 (IV,p. 43,th.2),存在一个测度ν ∈ K \nu \in K ν ∈ K ,它在G G G 下不变。 我们有ϕ . μ ≤ ν \phi.\mu \leq \nu ϕ . μ ≤ ν ,因此有ν ≠ 0 \nu \neq 0 ν = 0 。 \*
Exercises
习题
参见习题附录 0 。