Bourbaki

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3. 可度量群、有价值域、规范空间和代数

1. 可度量拓扑群

命题 1 0C3Y

当且仅当 GG 是 Hausdorff 并且 GG 的单位元素 ee 具有可数基波系统为邻域时,拓扑群 GG 的左右均匀性可度量。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 1, IX § 2

被以下引用 引理 2, AC III § 2

条件显然是必要的。反之,如果满足,则令(Vn)(V_n)为ee的邻域的基本系统;如果UnU_n表示对(x,y)∈G×G(x, y) \in G \times G的集合使得x−1y∈Vnx^{-1}y \in V_n,则UnU_n形式是GG的左均匀性的可数基数系统;由于该均匀性是 Hausdorff,因此从 § 2, no. 4, 定理 1 可以得出它是可度量的。对于 GG 的右均匀性也是如此。

如果拓扑群 GG 的拓扑可度量,则称其为“可度量”。 命题 1 那么表明它的两个均匀性是可度量的。

可以借助以下概念来锐化此结果:

定义 1 0C3Z

度量* dd 在群 GG (乘法书写) 据说是左不变(或*右不变*)*如果我们有

d(zx,zy)=d(x,y)[resp. d(xz,yz)=d(x,y)] d(zx, zy) = d(x, y) \quad [\text{resp. } d(xz, yz) = d(x, y)]

对于所有人x,y,zx, y, z*在*GG。

命题 2 0C40

左*(或*右*)*可度量群* GG的均匀性*可以通过左不变量*(或*右不变量*)*GG上的度量来定义。

引用了 1

引用了 命题 2, IX § 1

假设ee的邻域的基本系统(Vn)(V_n)由对称的邻域组成,使得每个nn都有Vn+13⊂VnV_{n+1}^3 \subset V_n。那么左均匀性的相应的周边UnU_n是对称周边,使得Un+1⊂UnU_{n+1} \subset U_n。 方法用于§ 1, no. 4 命题 2 的证明允许我们从(Un)(U_n) 的序列构造,到GG 上的度量dd 与左均匀性兼容GG;并且由于对于每个 z∈Gz \in G 映射 (x,y)→(zx,zy)(x, y) \to (zx, zy) 都留下每个 UnU_n 不变量,dd 的定义表明它是左不变度量。这个方法也适用于正确的均匀性。

注,如果GG的两个均匀性不同,则度量dd不是右不变的,因此一般来说d(x−1,y−1)≠d(x,y)d(x^{-1}, y^{-1}) \neq d(x, y)。

特别是,如果GG是可度量的阿贝尔的群,则其均匀性由不变度量dd定义:如果GG是相加的,我们有

d(x,y)=d(0,y−x)=d(0,x−y). d(x, y) = d(0, y - x) = d(0, x - y).

我们经常将d(0,x)d(0, x)写为∣x∣|x|(或∣∣x∣||x|);那么我们有

d(x,y)=∣x−y∣. d(x, y) = |x - y|.

函数∣x∣|x|满足以下三个条件:

a) ∣−x∣=∣x∣|-x| = |x| 对于所有 x∈Gx \in G。

b) ∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣|x + y| \leq |x| + |y| 适用于所有 x∈Gx \in G 和所有 y∈Gy \in G。

c) ∣x∣=0|x| = 0当且仅当x=0x = 0。

反之:

命题 3 0C41

令GG为阿贝尔的群,相加写成,x→∣x∣x \to |x|为映射G→RG \to \mathbf{R},满足上述条件a)、b)和c)。那么函数d(x,y)=∣x−y∣d(x, y) = |x - y|是GG上的不变度量; GG上的定义与GG上的群结构兼容,拓扑T\mathscr{T},dd定义的均匀性与GG赋予拓扑得到的拓扑群的均匀性相同T\mathscr{T}.

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 III § 1. 群上的拓扑

被以下引用 定义 2, 定义 5

函数 d(x,y)d(x, y) 是 GG 的度量,因为关系 d(x,y)=0d(x, y) = 0 等价于 c) 的 x=yx = y;通过 a) 我们有 d(x,y)=d(y,x)d(x, y) = d(y, x);和

d(x,y)=∣(x−z)+(z−y)∣≤∣x−z∣+∣z−y∣=d(x,z)+d(z,y) d(x, y) = |(x - z) + (z - y)| \leq |x - z| + |z - y| = d(x, z) + d(z, y)

由b)。此外,由于(x+z)−(y+z)=x−y(x + z) - (y + z) = x - y,dd 是不变的。 对于每个实数x>0x > 0,令VxV_x为所有x∈Gx \in G的集合,使得∣x∣<x|x| < x;那么VxV_x形式是00的邻域的基本系统S\mathfrak{S}对于拓扑T\mathscr{T},并且由于dd是不变的,所以a+Sa + \mathfrak{S}是系统的基本系统邻域 / aa 为拓扑 T\mathscr{T},每个a∈Ga \in G。根据a),VxV_x是对称的,根据b),我们有Va+Vx⊂V2aV_a + V_x \subset V_{2a};因此拓扑T\mathscr{T}与GG(章III, § 1, no. 2)的群结构兼容。紧接着是命题的最后一个部分。

条件 a'、b' 和 c' 相当于 c) 与条件一起

∣x−y∣≤∣x∣+∣y∣. |x - y| \leq |x| + |y|.

因为a'和b'清楚地暗示了b');相反,在 b') 中取 x=0x = 0 并使用 c),我们看到 ∣−y∣≤∣y∣|-y| \leq |y|; 替换 yy by −y-y 由此得出 ∣−y∣=∣y∣|-y| = |y|,即 a); b') 中的替换 yy by −y-y 然后我们得到 b')。

命题 4 0C42

如果 G 是可度量的群,则 G 的每个 Hausdorff 商群 G/H 都是可度量的。如果 G 也完整,则 G/H 完整 (*)。

引用了 2 · 被以下引用 4

引用了 命题 17, III § 2, 命题 9, IX § 2

被以下引用 定义 2, III § 3, 注 1, 推论 1, 习题 29, § 5

命题的第一个部分是G/H的单位元素在G/H中具有邻域的可数基数系统这一事实的推论;因为如果 (V_n) 是 G 中 e 的邻域的基数系统,则 G/H 中集合 V_n 的典范像 V˙n\dot{V}_n 形式 G/H 的单位元素的邻域的基数系统 (章III, § 2, no. 6,命题17)。

如果 G 是完备的,为了证明 G/H 是完备的,通过 § 2, no. 6、命题 9,足以证明每个柯西序列 (x˙n)(\dot{x}_n)(相对于 G/H 的左均匀性)是收敛的。如有必要,我们可以通过经过到(x˙n)(\dot{x}_n)的子序列假设,对于指标p,qp, q的每个对,使得p≥np \geq n和q≥nq \geq n,我们有x˙p−1x˙q∈V˙n\dot{x}_p^{-1}\dot{x}_q \in \dot{V}_n;这意味着对于点y∈x˙p,z∈x˙qy \in \dot{x}_p, z \in \dot{x}_q中的每个对,我们有y−1z∈HVn=VnHy^{-1}z \in HV_n = V_nH;因此,对于每个y∈x˙py \in \dot{x}_p,x˙q\dot{x}_q的交和yy的邻域yVnyV_n不为空。假设选择序列(V_n),使得Vn+12⊂VnV_{n+1}^2 \subset V_n,并且定义归纳G的点的序列(xn)(x_n),使得xn∈x˙nx_n \in \dot{x}_n和xn+1∈xnVnx_{n+1} \in x_n V_n;根据上述内容,这是可能的。接下来是归纳,对于每个p>0p > 0,我们有xn+p∈xnVnVn+1…Vn+p−1⊂xnVn−1x_{n+p} \in x_n V_n V_{n+1} \ldots V_{n+p-1} \subset x_n V_{n-1}。因此序列(xn)(x_n)是G中的柯西序列,因此收敛到点aa;紧接着G/H中aa的典范像a˙\dot{a}是序列(x˙n)(\dot{x}_n)的极限。

推论 1 0C43

令 G 为完全可度量群,令 G_0 为 G 的密集子群,令 H_0 为 G_0 的闭法线子群。如果 H 是 G 中 H_0 的闭包,则商群 G_0/H_0 与 G/H 具有完全同构。

引用了 4 · 被以下引用 1

引用了 命题 21, III § 2, 命题 8, III § 2, 命题 4, 命题 5, III § 3

被以下引用 引理 2, AC III § 2

H 是 G 的正规子群(章 III, § 2, no. 3、命题 8),命题 4 表明 G/H 是完备的。另外,如果φ\varphi是G到G/H上的典范映射,很明显φ(G0)\varphi(G_0)在G/H中是稠密的。因此,结果来自章 III, § 2, no. 7、命题 21。

令 G、G' 为两个 Hausdorff 阿贝尔的拓扑群和 G^,G^′\hat{G}, \hat{G}' 它们各自的完成。我们记得(章III, § 3, no. 3,命题5),如果uu是G到G'中的连续同态,那么uu是一致连续的并且扩展唯一到G^\hat{G}的连续同态到G^′\hat{G}',余下的我们用u^\hat{u}表示

(*) 存在不可度量的完整群 G 包含一个封闭的子群 H,使得 G/H 不完整。

其中小节。 图表

G→uG′i↓i′↓G^→u^G^′ \begin{array}{ccc} G & \xrightarrow{u} & G' \\ i \downarrow & & i' \downarrow \\ \hat{G} & \xrightarrow{\hat{u}} & \hat{G}' \end{array}

其中 i,i′i, i' 是典范嵌入) 是可交换的。如果vv是G′G'的连续同态到豪斯多夫阿贝尔的拓扑群G′′G'',并且如果w=v∘uw = v \circ u,则紧接着w^=v^∘u^\hat{w} = \hat{v} \circ \hat{u}。

令HH为GG的闭子群,并令E=G/HE = G/H。令j:H→Gj : H \to G和p:G→Ep : G \to E为典范映射。设H‾\overline{H}为HH在G^\hat{G}的闭包; H‾\overline{H}是一个完整的群,我们用HH的完成H^\hat{H}来完成认同。 jj到H^\hat{H}的连续扩张j^\hat{j}显然是G^\hat{G}中H^\hat{H}的典范嵌入。

假设从现在开始GG是可度量的。那么E=GHE = GH到G^H^\hat{G}\hat{H}的典范映射是EE到完整群G^/H^\hat{G}/\hat{H}的稠密子群的拓扑同构(推论1),因此我们可以将认同G^H^\hat{G}\hat{H}与E^\hat{E}以及pp到G^\hat{G}的连续扩张p^\hat{p}以及G^\hat{G}的典范映射到G^/H^\hat{G}/\hat{H}。

推论 2 0C44

令G,G′G, G'为两个可度量的阿贝尔的拓扑群;让 u:G→G′u : G \to G' 成为严格的态射,其中核 NN 和像 PP。那么 u^:G^→G^′\hat{u} : \hat{G} \to \hat{G}' 是严格的态射,其中包含核 N^\hat{N} 和像 P^\hat{P}。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 5, III § 3

被以下引用 推论 3

令 u=j∘v∘pu = j \circ v \circ p 为 uu 的规范因式分解,其中 vv 是拓扑群 G/NG/N 到拓扑群 u(G)=Pu(G) = P 的同构。我们有u^=j^∘v^∘p^\hat{u} = \hat{j} \circ \hat{v} \circ \hat{p},我们已经看到p^\hat{p}是G^\hat{G}到G^N^\hat{G}\hat{N}的典范映射,j^\hat{j}是P^\hat{P}到G^\hat{G}的典范映射。另一方面,v^\hat{v}是G^/N^\hat{G}/\hat{N}的同构到P^\hat{P}(章III, § 3, no. 4,命题5),从而结果。

推论 3 0C45

令G,G′,G′′G, G', G''为三个可度量的阿贝尔的拓扑群,并让u:G→G′u : G \to G'和v:G′→G′′v : G' \to G''为两个严格的态射,使得序列G→uG′→vG′′G \xrightarrow{u} G' \xrightarrow{v} G''是精确的[即u(G)=v‾(0)u(G) = \overline{v}(0)]。那么序列 G^→u^G^′→v^G^′′\hat{G} \xrightarrow{\hat{u}} \hat{G}' \xrightarrow{\hat{v}} \hat{G}'' 就是准确的。

引用了 1

引用了 推论 2

因为如果我们输入N=u(G)=v‾(0)N = u(G) = \overline{v}(0),则根据推论2,N^\hat{N}既是u^\hat{u}的像又是v^\hat{v}的核。

注 1 0C46

令 GG 为非 Hausdorff 拓扑群,使得与 GG 相关的 Hausdorff 群是可度量的;等价地,使得GG的单位元素在G中具有邻域的可数基波系统。命题4的证明无需修改即可应用于这种情况,H是G的任意法线子群,并表明Hausdorff与 G/H 相关的群是可度量的,并且只要 G 是完备的,G/H 就是完备的群(一般不是 Hausdorff)。

引用了 1

引用了 命题 4

注 2 0C47

设 d 为左不变度量,其中群 G 的定义拓扑,并令 H 为 G 的闭法线子群。如果 x˙\dot{x} 和 y˙\dot{y} 是 G/H 的任意两个点,请考虑距离两个闭合的d(x˙,y˙)d(\dot{x}, \dot{y})在G中子集x˙,y˙\dot{x}, \dot{y}(§ 2, no. 2);我们将看到,这个函数是G/H上的左不变度量,而定义拓扑是这个商群。

首先注意,如果x∈x˙x \in \dot{x}和y∈y˙y \in \dot{y}我们有d(x˙,y˙)=d(x,Hy)d(\dot{x}, \dot{y}) = d(x, Hy);对于 d(x,Hy)=inf⁡h∈Hd(x,hy)d(x, Hy) = \inf_{h \in H} d(x, h y),因此 d(h′x,Hy)=d(x,Hy)d(h'x, Hy) = d(x, Hy) 对于所有 h′∈Hh' \in H,因为 d 是左不变的;这就证明了断言 (§ 2, no. 2)。因此,对于每个 z˙∈G/H\dot{z} \in G/H,我们有 [§ 2, no. 2, 公式 (2)]

∣d(x˙,z˙)−d(y˙,z˙)∣=∣d(x,z˙)−d(y,z˙)∣≤d(x,y); |d(\dot{x}, \dot{z}) - d(\dot{y}, \dot{z})| = |d(x, \dot{z}) - d(y, \dot{z})| \leq d(x, y);

由于这个不等式对于所有x∈x˙x \in \dot{x}和所有y∈y˙y \in \dot{y}都有效,所以我们有∣d(x˙,z˙)−d(y˙,z˙)∣≤d(x˙,y˙)|d(\dot{x}, \dot{z}) - d(\dot{y}, \dot{z})| \leq d(\dot{x}, \dot{y}),这表明d(x˙,y˙)d(\dot{x}, \dot{y})是G/H的度量。此外,对于任意 z∈z˙z \in \dot{z},我们有

d(z˙x,z˙y)=inf⁡h∈Hd(zx,hzy) d(\dot{z}x, \dot{z}y) = \inf_{h \in H} d(zx, hzy)

从上面;但由于 hzy=z(z−1hz)yhzy = z(z^{-1}hz) y 和 z−1hzz^{-1}hz 穿过 H,就像 h 穿过 H(H 是正常的)一样,d(x,y)d(x, y) 的左不变性表明我们有 d(zx,Hzy)=d(x,Hy)=d(x˙,y˙)d(zx, Hz y) = d(x, Hy) = d(\dot{x}, \dot{y})。最后,如果V是d(e,x)<αd(e, x) < \alpha定义的G中e的邻域,则G/H中V的像V就是d(e,x˙)<αd(e, \dot{x}) < \alpha定义的集合;这样就完成了证明。

引用了 1

引用了 IX § 2. 公制空间和可计量空间

2. 有价值的部门环

定义 2 0C48

除法环 K 上的绝对值是 K 到 R+\mathbf{R}_+ 的映射 x→∣x∣x \to |x|,满足以下条件:

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 3

被以下引用 AC VI § 6. 绝对值

(VM_I) ∣x∣=0|x| = 0 当且仅当x=0x = 0。 (VM_II) ∣xy∣=∣x∣⋅∣y∣|xy| = |x| \cdot |y| 对于 K 中的所有 x,yx, y。 (VM_III) ∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣|x + y| \leq |x| + |y| 对于 K 中的所有 x,yx, y。

通过(VM_II)我们有∣x∣=∣1∣⋅∣x∣|x| = |1| \cdot |x|,并且由于通过(VM_I)至少有一个x使得∣x∣≠0|x| \neq 0,我们有∣1∣=1|1| = 1;由此可知1=∣1∣21 = |1|^2,因而∣1∣=1|1| = 1,因而

∣−x∣=∣−1∣∣x∣=∣x∣; |-x| = |-1| |x| = |x|;

因而∣x−y∣≤∣x∣+∣y∣|x - y| \leq |x| + |y|对于K中的所有x,yx, y。因此我们可以说d(x,y)=∣x−y∣d(x, y) = |x - y|是加法群K上的不变度量,并且映射x→∣x∣x \to |x|是非零的乘法群K∗K^*的同态将KK中的元素转换为乘法群R+∗\mathbf{R}_+^*中的实数>0> 0。

不变度量∣x−y∣|x - y|定义是KK上的度量空间拓扑,与其加法群结构兼容(no. 1,命题3);但是,此外,这个拓扑与KK的除法环结构兼容。因为xyxy在K×KK \times K上的连续性来自关系

xy−x0y0=(x−x0)(y−y0)+(x−x0)y0+x0(y−y0), xy - x_0 y_0 = (x - x_0)(y - y_0) + (x - x_0)y_0 + x_0(y - y_0),

这给出了

∣xy−x0y0∣≤∣x−x0∣⋅∣y−y0∣+∣x0∣⋅∣y−y0∣+∣y0∣⋅∣x−x0∣. |xy - x_0 y_0| \leq |x - x_0| \cdot |y - y_0| + |x_0| \cdot |y - y_0| + |y_0| \cdot |x - x_0|.

同样,x−1x^{-1}在每个点x0≠0x_0 \neq 0的连续性源自恒等式x−1−x0−1=x−1(x0−x)x0−1x^{-1} - x_0^{-1} = x^{-1}(x_0 - x)x_0^{-1},由(VM_{II})给出,

∣x−1−x0−1∣=∣x−x0∣∣x0∣⋅∣x∣; |x^{-1} - x_0^{-1}| = \frac{|x - x_0|}{|x_0| \cdot |x|};

现在如果ε>0\varepsilon > 0使得ε<∣x0∣\varepsilon < |x_0|、关系∣x−x0∣≤ε|x - x_0| \leq \varepsilon意味着∣x∣≥∣x0∣−ε|x| \geq |x_0| - \varepsilon、从而∣x−1−x0−1∣≤ε/∣x0∣(∣x0∣−ε)|x^{-1} - x_0^{-1}| \leq \varepsilon / |x_0|(|x_0| - \varepsilon);这就建立了x−1x^{-1}在点x0x_0的连续性。

定义 3 0C49

有值除法环是除法环* KK 赋予由给定绝对值值在 KK 定义的结构。

被以下引用 1

被以下引用 定义 5

有价值的除法环将始终被认为具有由其绝对值值定义的拓扑,这使其成为*拓扑*除法环。如果K0K_0是取值除法环KK的除法子环,则KK上的绝对值值的限制到K0K_0是K0K_0上的绝对值值,其中定义在由KK的拓扑诱发K0K_0拓扑。

例 1 0C4A

设KK为任意除法环。对于每个x∈Kx \in K,如果x≠0x \neq 0,则放入∣x∣=1|x| = 1,并且∣0∣=0|0| = 0。 映射x→∣x∣x \to |x|如此定义是KK上的绝对值,称为*不正确*绝对值。当且仅当 ∣x∣|x| 是不正确的绝对值值时,由绝对值值 ∣x∣|x| 在除法环 KK 上定义的拓扑才是*离散*。这个条件显然已经足够了;反之,如果KK的拓扑是离散的,则∣x∣|x|不能取除1以外的值α>0\alpha > 0;因为如果我们有 ∣x0∣=α<1|x_0| = \alpha < 1,序列 (x0n)(x_0^n) 将由非零项组成,并且会收敛到 0;要处理α>1\alpha > 1的情况,请考虑用x0−1x_0^{-1}代替x0x_0。

例 2 0C4B

实数 (章 IV, § 1, no. 6) 的绝对值值满足公理 (VM_I)、(VM_{II}) 和 (VM_{III}),且拓扑定义在域上R\mathbf{R} 是拓扑 / 实直线。在复数的域C\mathbf{C}(用R2\mathbf{R}^2标识)[分别。四元数的除法环 H\mathbf{H}(用 R4\mathbf{R}^4 标识)] 欧氏范数又是值和域 C\mathbf{C} 的绝对除法定义拓扑 (分别为除法环H\mathbf{H})(章VIII, § 1,第 2 和第 4 号)。

引用了 2

引用了 IV § 1. 定义 / 实数, VIII § 1. 复数,四元数

例 3 0C4C

在除法环 KK 上,实际估值是在 K∗K^* 上定义的函数 vv,R\mathbf{R} 中的值满足以下条件: a) 如果 x∈K∗x \in K^* 和 y∈K∗y \in K^*,则v(xy)=v(x)+v(y)v(xy) = v(x) + v(y); b) 如果在加法x+y≠0x + y \neq 0,则v(x+y)≥inf⁡(v(x),v(y))v(x + y) \geq \inf(v(x), v(y))。如果aa是任何实数>1> 1,那么我们可以通过将∣x∣=a−v(x)|x| = a^{-v(x)}代替x≠0x \neq 0和∣0∣=0|0| = 0来将定义绝对值值放在KK上。对于 x≠0x \neq 0 和 y≠0y \neq 0 的关系 v(xy)=v(x)+v(y)v(xy) = v(x) + v(y) 意味着关系 ∣xy∣=∣x∣.∣y∣|xy| = |x|.|y| 对于 xx 和 yy 的这些值,并且如果满足以下条件之一,那么这个关系是非常正确的: x,yx, y为零;同样,从x≠0,y≠0x \neq 0, y \neq 0和x+y≠0x + y \neq 0的关系v(x+y)≥inf⁡(v(x),v(y))v(x + y) \geq \inf(v(x), v(y))我们推导出∣x+y∣≤sup⁡(∣x∣,∣y∣)≤∣x∣+∣y∣|x + y| \leq \sup(|x|, |y|) \leq |x| + |y|,如果x,y,x+yx, y, x + y之一是零,这些不等式仍然满足。特别是,如果vp(x)v_p(x)是有理数对域Q\mathbf{Q}的pp进数估值(xx的分解中pp到素数因子的乘积的指数),则相应的绝对值值 ∣x∣p=p−vp(x)|x|_p = p^{-v_p(x)} 称为域 Q\mathbf{Q} 上的 pp 进绝对值值 (cf. 章 III, § 6、习题 23)。

引用了 1

引用了 习题 23, § 6

注 0C4D

如果在定值除法环中,xx是单位元的根,则∣x∣=1|x| = 1,因为xn=1x^n = 1意味着∣x∣n=1|x|^n = 1,因此意味着∣x∣=1|x| = 1。特别是,有限域上唯一的绝对值是不正确的绝对值,因为这样的域的每个元素≠0\neq 0都是单位元的根。

定义 4 0C4E

除法环 KK 上的两个绝对值被认为是等价的,如果它们定义与KK 上的拓扑相同。

命题 5 0C4F

除法环 KK 上的两个绝对值值 ∣x∣1,∣x∣2|x|_1, |x|_2,两者都不是不正确的绝对值值,当且仅当关系 ∣x∣1<1|x|_1 < 1 蕴含 ∣x∣2<1|x|_2 < 1 时,它们是等价的。则存在实数 ρ>0\rho > 0,使得 ∣x∣2=∣x∣1ρ|x|_2 = |x|_1^\rho 对于所有 x∈Kx \in K。

被以下引用 6

被以下引用 引理 2, AC VI § 6, 推出, AC VI § 6, 命题 3, AC VI § 7, 命题 11, AC VI § 8, 命题 3, LIE III § 1, 注

条件是必要的,对于所有x∈Kx \in K中的集合,使得∣x∣1<1|x|_1 < 1与所有xx中的集合相同,使得对于由绝对值∣x∣1|x|_1定义的拓扑, lim⁡n→∞xn=0\lim_{n \to \infty} x^n = 0。

反过来假设∣x∣1<1⟹∣x∣2<1|x|_1 < 1 \Longrightarrow |x|_2 < 1。然后∣x∣1>1⟹∣x∣2>1|x|_1 > 1 \Longrightarrow |x|_2 > 1,因为∣x−1∣1<1|x^{-1}|_1 < 1,因此∣x−1∣2<1|x^{-1}|_2 < 1。由于到假设,绝对值∣x∣1|x|_1并无不当,因此存在x0∈Kx_0 \in K使得∣x0∣1>1|x_0|_1 > 1。设 a=∣x0∣1,b=∣x0∣2a = |x_0|_1, b = |x_0|_2 并设 ρ=log⁡b/log⁡a>0\rho = \log b / \log a > 0。设x∈K∗x \in K^*并放入∣x∣1=∣x0∣1γ|x|_1 = |x_0|_1^\gamma。如果mm和nn是整数,使得n>0n > 0和m/n>γm/n > \gamma,则∣x∣1<∣x0∣1m/n|x|_1 < |x_0|_1^{m/n},因此∣xnx0−m∣1<1|x^n x_0^{-m}|_1 < 1;因此∣xnx0−m∣2<1,∣x∣2<∣x0∣2m/n|x^n x_0^{-m}|_2 < 1, |x|_2 < |x_0|_2^{m/n}。类似地,如果m/n<γm/n < \gamma,我们看到∣x∣2>∣x0∣2m/n|x|_2 > |x_0|_2^{m/n};因此∣x∣2=∣x0∣2γ|x|_2 = |x_0|_2^\gamma;其他字

log⁡∣x∣2=γlog⁡b=γρlog⁡a=ρlog⁡∣x∣1, \log |x|_2 = \gamma \log b = \gamma \rho \log a = \rho \log |x|_1,

即∣x∣2=∣x∣1p|x|_2 = |x|^p_1。 It is now clear that the neighbourhoods of zero for the topologies defined on KK by ∣x∣1|x|_1 and ∣x∣2|x|_2 are identical.

相反,如果∣x∣|x|是KK上的任何绝对值,则对于所有pp,函数∣x∣p|x|^p是KK上的绝对值(相当于∣x∣|x|),使得0<p≤10 < p \leq 1。我们只需验证不等式∣x+y∣p≤∣x∣p+∣y∣p|x + y|^p \leq |x|^p + |y|^p;并且由于 ∣x+y∣p≤(∣x∣+∣y∣)p|x + y|^p \leq (|x| + |y|)^p 就足以证明,如果 a>0a > 0 和 b>0b > 0,对于任何 pp ,我们有 (a+b)p≤ap+bp(a + b)^p \leq a^p + b^p 使得 0<p≤10 < p \leq 1 。如果我们把c=a/(a+b)c = a/(a + b)和d=b/(a+b)d = b/(a + b)放进去,就有c+d=1c + d = 1,要证明的不等式就是cp+dp≥1c^p + d^p \geq 1;但这紧随关系、cp≥cc^p \geq c和dp≥dd^p \geq d而来,它们自0<c≤10 < c \leq 1、0<d≤10 < d \leq 1、0<p≤10 < p \leq 1起有效。

因此,r>0r > 0的值的集合使得∣x∣r|x|^r是绝对值,值是R\mathbf{R}的有限或无限区间,其左端点为00;如果它是有限的,那么它显然是封闭的;因为如果我们对KK中的任何x,yx, y和所有rr有∣x+y∣r≤∣x∣r+∣y∣r|x + y|^r \leq |x|^r + |y|^r使得0<r<r00 < r < r_0,那么通过连续性不等式对于r=r0r = r_0仍然有效。如果∣x∣r|x|^r对于所有r>0r > 0来说是绝对值,那么我们有

∣x+y∣≤(∣x∣r+∣y∣r)1/r |x + y| \leq (|x|^r + |y|^r)^{1/r}
对于 KK 和所有 r>0r > 0 中的所有 xx 和 yy。现在,如果a,ba, b是两个实数≥0\geq 0,我们就有lim⁡r→∞(ar+br)1/c=sup⁡(a,b)\lim_{r \to \infty} (a^r + b^r)^{1/c} = \sup (a, b);因为,假设例a≥ba \geq b,我们有a≤(ar+br)1/r≤21/raa \leq (a^r + b^r)^{1/r} \leq 2^{1/r} a,让r→+∞r \to + \infty得出结果。

因此,如果 ∣x∣r|x|^r 是所有 r>0r > 0 的绝对值,我们有

∣x+y∣≤sup⁡(∣x∣,∣y∣) |x + y| \leq \sup (|x|, |y|)
可以用说表示,v(x)=−log⁡∣x∣ (x≠0)v(x) = -\log |x| \ (x \neq 0)是KK的估值。

注 0C4G

命题 5 的证明表明,如果∣x∣2|x|_2定义的拓扑比∣x∣1|x|_1定义的粗,且∣x∣1|x|_1不不当,则∣x∣1|x|_1和∣x∣2|x|_2等价,对于关系 ∣x∣2<1|x|_2 < 1则意味着∣x∣2<1|x|_2 < 1。因此,KK上的两个绝对值定义的拓扑(两者都不是不恰当的)不能具有可比性,但并不完全相同。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 5

被以下引用 命题 9

命题 6 0C4H

除法环* KK 的完成 K^\hat{K} 具有绝对值值 ∣x∣|x| 是除法环,并且函数 ∣x∣|x| 可以通过连续性扩展到绝对值值 K^\hat{K},*其中定义拓扑*K^\hat{K}。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 命题 7, III § 6, 命题 1, IX § 2

被以下引用 定理 2(奥斯特洛夫斯基), AC VI § 6

令 F\mathfrak{F} 为 KK 上的柯西滤波器(相对于加法均匀性),它不具有 00 作为集群点;要证明 K^\hat{K} 是除环,只需确定映射 x→x−1x \to x^{-1} 下F\mathfrak{F} 的像是柯西滤波器基 (章 III, § 6, no. 8, 命题 7)。现在,到假设时,存在实数 α>0\alpha > 0 和集合 A∈FA \in \mathfrak{F},使得 ∣x∣≥α|x| \geq \alpha 对于所有 x∈Ax \in A;另一方面,对于每个ε>0\varepsilon > 0,都存在集合B∈FB \in \mathfrak{F},使得所有x∈Bx \in B都存在B⊂AB \subset A和∣x−y∣≤ε|x - y| \leq \varepsilon。

和y∈By \in B;因此

∣x−1−y−1∣=∣x−y∣∣x∣⋅∣y∣≤εa2, |x^{-1} - y^{-1}| = \frac{|x - y|}{|x| \cdot |y|} \leq \frac{\varepsilon}{a^2},

接下来是命题的第一个部分。不变度量∣x−y∣=d(x,y)|x - y| = d(x, y)扩展通过连续性到K^\hat{K}(§ 2, no. 1,命题1)上的度量,其中K^\hat{K}的定义拓扑并且通过扩张的原理不变身份;我们继续用 d(x,y)d(x, y) 表示这个不变度量。如果我们用∣x∣=d(0,x)|x| = d(0, x)代替x∈K^x \in \hat{K},很明显,通过函数∣x∣|x|在KK上的连续性,∣x∣|x|是扩张,因此是K^\hat{K}上的绝对值乘以扩张的原理身份。

3. 规范空间高于有价值的部门环

定义 5 0C4I

如果 E 是非离散值除法环 K 上的(左)向量空间,则 E 上的范数是 E 到 R+\mathbf{R}_+ 的映射 x→p(x)x \to p(x),满足以下公理*:

引用了 4

引用了 命题 3, 定义 3, VI § 2. 欧氏距离;球体和球体, X § 1. $\mathscr{G}$收敛的均匀性

(NO_I) p(x)=0p(x) = 0当且仅当x=0x = 0; (NO_{II}) p(x+y)≤p(x)+p(y)p(x + y) \leq p(x) + p(y) 对于 E 中的所有x,yx, y; (NO_{III})p(tx)=∣t∣p(x)p(tx) = |t|p(x)适用于所有t∈Kt \in K和所有x∈Ex \in E。

最常遇到的标准化空间有R\mathbf{R}或C\mathbf{C}作为标量的域(通常是绝对值值)。

从 (NO_{III}) 可以得出 p(−x)=p(x)p(-x) = p(x);因此,如果我们将d(x,y)=p(x−y)d(x, y) = p(x - y),dd是加法群E上的*不变度量*,并且定义是与E的加法群结构兼容的度量空间拓扑(no. 1,命题) 3);而且,映射

(t,x)→tx(t, x) \to tx

在 K×EK \times E 上*连续*;因为我们有

tx−t0x0=(t−t0)(x−x0)+(t−t0)x+t0(x−x0)tx - t_0 x_0 = (t - t_0)(x - x_0) + (t - t_0)x + t_0(x - x_0)

因此

p(tx−t0x0)≤∣t−t0∣p(x−x0)+∣t−t0∣p(x)+∣t0∣p(x−x0),p(tx - t_0 x_0) \leq |t - t_0| p(x - x_0) + |t - t_0| p(x) + |t_0| p(x - x_0),

这表明,通过将 ∣t−t0∣|t - t_0| 和 p(x−x0)p(x - x_0) 足够小,左侧可以变得尽可能小。

令 E 为 K 的子集。函数 f:E→Kf : E \to K 称为 K 上的范数空间。

规范化的空间被赋予拓扑以及由其范数定义的均匀性。

考虑有限维除法环 K。将其视为实数向量空间,绝对值 ∣x∣|x| 为范数。

范数∥x∥=∑xi2\|x\| = \sqrt{\sum x_i^2},我们在空间Rn\mathbf{R}^n(章VI, § 2)上称为欧氏范数,显然是范数在定义3的意义上。 函数sup⁡∣xi∣\sup |x_i|和∑∣xi∣\sum |x_i|。

令S(E;K′)S(E; K')为集合E上所有函数ff的集合,将其值除以环K′K',并且使得实值函数x↦f(x)x \mapsto f(x)以 E 为界。这个集合显然是向量空间超过 K′K'。让我们用p(f)=sup⁡x∈Ef(x)p(f) = \sup_{x \in E} f(x)表示,那么pp是向量空间S(E;K′)S(E; K')上的范数(cf.章X, § 1)。

\* 4) 在R\mathbf{R}、函数的区间I=[0,1]I = [0, 1]上定义的所有有限连续实值函数的向量空间C(I;R)C(I; \mathbf{R})

p(x)=∫01∣x(t)∣ dt p(x) = \int_0^1 |x(t)| \, dt

是范数。

在规范化的空间 E 中,具有中心 o 且半径为 1 的封闭球 B,即所有 xx 中的集合,使得p(x)≤1p(x) \leq 1,将称为 E 的单位球。我们将证明邻域的基本系统 o 由单位球平移 K 的元素形成。 中心 o 且半径为 1 的开球是中心 o 且半径为 1 的闭球;因此,足以证明对于每个实数 r>0r > 0 都存在 k∈Nk \in \mathbf{N} 使得 0<∣k∣<r0 < |k| < r;取k=⌊c/r⌋k = \lfloor c/r \rfloor就足够了,其中cc是足够大整数,在阶中∣k∣2<r|k|^2 < r。

令 E 为非离散值域 KK 上的规范空间。

命题 7 0C4J

向量空间 EE 上的两个范数 p,qp, q 等价当且仅当存在两个数 a>0,b>0a > 0, b > 0 使得

被以下引用 3

被以下引用 定义 8, 习题 6, § 3, 注

(I)

a.p(x)≤q(x)≤b.p(x) a . p(x) \leq q(x) \leq b . p(x)
对于所有x∈Ex \in E。

这些不等式是足够的,因为从关系a.p(x)≤q(x)a . p(x) \leq q(x)可以得出,对于每个r>0r > 0,具有中心o和半径arar(相对于范数qq)的封闭球包含在具有中心o和半径rr的封闭球中(相对于范数pp);因此,qq定义的拓扑比pp定义的拓扑为更细。类似地,不等式q(x)≤b.p(x)q(x) \leq b . p(x)表明pp定义的拓扑比qq定义的更细小,因此pp和qq是等价的。

现在让我们证明不等式 (I) 是必要的。如果 qq 定义的拓扑比 pp 定义的拓扑更细,则单位相对于 pp 的球包含中心 o 且半径为 α>0\alpha > 0 的闭球qq;即,关系q(x)≤αq(x) \leq \alpha意味着p(x)≤1p(x) \leq 1。如果t0∈Kt_0 \in K使得0<∣t0∣<10 < |t_0| < 1,那么对于EE中的每个x≠ox \neq o,都有一个唯一的有理数整数kk使得α∣t0∣<q(t0kx)≤α\alpha |t_0| < q(t_0^k x) \leq \alpha;因此p(t0kx)≤1p(t_0^k x) \leq 1,因此

p(x)≤1∣t0∣k≤1α∣t0∣q(x); p(x) \leq \frac{1}{|t_0|^k} \leq \frac{1}{\alpha |t_0|} q(x);
因此,对于所有x≠ox \neq o,我们有a=α∣t0∣a = \alpha |t_0|,因此a.p(x)≤q(x)a . p(x) \leq q(x),并且这个不等式在x=ox = o时也有效。类似地,我们证明,如果pp定义的拓扑比qq定义的更细小,则存在b>0b > 0使得q(x)≤b.p(x)q(x) \leq b . p(x)。

例 0C4K

在空间Rn\mathbf{R}^n,三个范数

∑i=1nxi2,sup⁡1≤i≤n∣xi∣and∑i=1n∣xi∣ \sqrt{\sum_{i=1}^n x_i^2}, \quad \sup_{1 \leq i \leq n} |x_i| \quad \text{and} \quad \sum_{i=1}^n |x_i|
是等价的,因为我们有 (2)
sup⁡1≤i≤n∣xi∣≤∑i=1nxi2≤∑i=1n∣xi∣≤n.sup⁡1≤i≤n∣xi∣. \sup_{1 \leq i \leq n} |x_i| \leq \sqrt{\sum_{i=1}^n x_i^2} \leq \sum_{i=1}^n |x_i| \leq n . \sup_{1 \leq i \leq n} |x_i|.

命题 8 0C4L

令EE为非离散值除法环上的赋范空间,令pp为EE上的范数,并令E^\hat{E}为加法拓扑群,即加法群的完成EE。那么函数(t,x)→tx(t, x) \to tx可以在K^\hat{K}上通过连续性扩展到E^\hat{E}向量空间结构上的K^×E^\hat{K} \times \hat{E}和定义; 范数pp可以通过连续性扩展到E^\hat{E}上的范数pˉ\bar{p},其中E^\hat{E}的定义拓扑。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 定理 1, III § 6, 命题 1, IX § 2

被以下引用 例 3

txtx的扩张通过连续性是扩张的定理的特殊情况,其中乘积的连续双线性映射将两个阿贝尔的群转换为第三个(章III, § 6, no. 5, 定理1);对于t∈K^t \in \hat{K}、u∈K^u \in \hat{K}和x∈E^x \in \hat{E},通过扩张的原理,我们有1.x=x1.x = x和t(ux)=(tu)xt(u x) = (t u)x;因此外法则(t,x)→tx(t, x) \to t x确实是定义在E^\hat{E}结构上向量空间超过K^\hat{K}。另一方面,将不变度量d‾(x,y)=p‾(x−y)\overline{d}(x, y) = \overline{p}(x - y)扩展转换为E^\hat{E}上的不变度量d‾\overline{d}(§ 2, no. 1,命题1),其中E^\hat{E}的定义拓扑;如果我们集合p‾(x)=d‾(0,x)\overline{p}(x) = \overline{d}(0, x),则p‾\overline{p}通过连续性是pp的扩张,并且满足公理(NO_I)和(NO_{II});由于txt x在K^×E^\hat{K} \times \hat{E}上的连续性,p‾\overline{p}也满足(NO_{III})(扩张恒等式的原理),因此范数在E^\hat{E}上。

当我们必须考虑向量空间EE上的确定范数空间结构时,我们通常会用∣∣x∣∣||x||来表示向量xx的范数,除非这个记号很可能会导致混乱。

4. Normed 空间的商空间和乘积空间

命题 9 0C4M

令EE为非离散值除法环KK上的规范空间,并令HH为EE的闭向量子空间。如果,对于每个类x˙∈E/H\dot{x} \in E/H,我们将∣∣x˙∣∣=inf⁡x∈x˙∣∣x∣∣||\dot{x}|| = \inf_{x \in \dot{x}} ||x||、函数∣∣x˙∣∣||\dot{x}||是范数放在向量空间E/HE/H上,并且由此定义的拓扑是范数的商HH 拓扑 EE。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 IV § 5. 实值函数, 注

被以下引用 例 3

通过no. 1的注2,d(x˙,y˙)=∣∣x˙−y˙∣∣d(\dot{x}, \dot{y}) = ||\dot{x} - \dot{y}||是E/HE/H的不变度量,定义是拓扑除HH与EE的商。剩下的只是显示 ∣∣tx˙∣∣=∣t∣⋅∣∣x˙∣∣||t \dot{x}|| = |t| \cdot ||\dot{x}||,并且这紧随 ∣∣x˙∣∣||\dot{x}|| 的定义 [章 IV, § 5, no. 7,公式 (23)]。

范数 ∣∣x˙∣∣||\dot{x}|| 也可以解释如下:它是每个点* x∈x˙x \in \dot{x} 与子空间 HH 的距离(在 EE 中),因为 x˙\dot{x} 的点是点x−zx - z,其中zz贯穿HH。

命题 10 0C4N

令(Ei)1≤i≤n(E_i)_{1 \leq i \leq n}为非离散值除法环KK上的范数空间的有限族,并令E=∏i=1nEiE = \prod_{i=1}^n E_i为乘积向量空间。如果对于每个x=(xi)∈Ex = (x_i) \in E,我们放置∣∣x∣∣=sup⁡1≤i≤n∣∣xi∣∣||x|| = \sup_{1 \leq i \leq n} ||x_i||,那么函数∣∣x∣∣||x||是EE上的范数,拓扑它在EE上的定义是乘积的拓扑结构EiE_i。

被以下引用 2

被以下引用 例 2, 例 3

对于如果 x=(xi)x = (x_i) 和 y=(yi)y = (y_i),我们有 x+y=(xi+yi)x + y = (x_i + y_i),因此

∣∣x+y∣∣=sup⁡i∣∣xi+yi∣∣≤sup⁡i(∣∣xi∣∣+∣∣yi∣∣)≤sup⁡i∣∣xi∣∣+sup⁡i∣∣yi∣∣=∣∣x∣∣+∣∣y∣∣. ||x + y|| = \sup_i ||x_i + y_i|| \leq \sup_i (||x_i|| + ||y_i||) \leq \sup_i ||x_i|| + \sup_i ||y_i|| = ||x|| + ||y||.

另一方面,很明显,∣∣tx∣∣=∣t∣.∣∣x∣∣||tx|| = |t|.||x||,并且如果∣∣x∣∣=0||x|| = 0,则∣∣xi∣∣=0||x_i|| = 0,因而xi=0x_i = 0对于1≤i≤n1 \leq i \leq n,因而x=0x = 0;因而∣∣x∣∣||x||是EE上的范数。此外,关系 ∣∣x∣∣<a||x|| < a 相当于 nn 关系 ∣∣xi∣∣<a||x_i|| < a,因而 EE 上的范数 ∣∣x∣∣||x|| 定义乘积拓扑。

类似地,我们可以证明函数∑i=1n∣∣xi∣∣\sum_{i=1}^n ||x_i||和∑i=1n∣∣xi∣∣2\sqrt{\sum_{i=1}^n ||x_i||^2}在EE上是范数;不等式 (2) 表明所有三个范数都是*等价的*。

特别是,在(左或右)向量空间KnK^n,如果我们把

p1(x)=sup⁡i∣xi∣,p2(x)=∑i=1n∣xi∣,p3(x)=∑i=1n∣xi∣2 p_1(x) = \sup_i |x_i|, \quad p_2(x) = \sum_{i=1}^n |x_i|, \quad p_3(x) = \sqrt{\sum_{i=1}^n |x_i|^2}

对于x=(xi)1≤i≤nx = (x_i)_{1 \leq i \leq n},则三个函数p1,p2,p3p_1, p_2, p_3等价于范数,其中定义在KnK^n拓扑上,即因子KK拓扑的乘积。

5. 连续多线性函数

定理 1 0C4O

让Ei(1≤i≤n)E_i (1 \leq i \leq n)和FF在非离散值除法环KK上标准化空间,并让ff是∏i=1nEi\prod_{i=1}^n E_i到FF的多线性映射。那么 ff 在 ∏i=1nEi\prod_{i=1}^n E_i 上连续当且仅当存在实数 a>0a > 0 这样,对于所有 xi∈Ei (1≤i≤n)x_i \in E_i \ (1 \leq i \leq n),我们有

被以下引用 5

被以下引用 定义 9, 习题 6, § 3, 注, 命题 5, X § 3, 命题 6, X § 3

∣∣f(x1,x2,…,xn)∣∣≤a.∣∣x1∣∣.∣∣x2∣∣…∣∣xn∣∣ ||f(x_1, x_2, \ldots, x_n)|| \leq a . ||x_1|| . ||x_2|| \ldots ||x_n||

(3)

条件是*必要的*。因为如果ff在点(0,0,…,0)(0, 0, \ldots, 0)连续,则存在数b>0b > 0,使得关系∣∣xi∣∣≤b (1≤i≤n)||x_i|| \leq b \ (1 \leq i \leq n)暗示∣∣f(x1,…,xn)∣∣≤1||f(x_1, \ldots, x_n)|| \leq 1。令t0t_0为KK的元素,使得0<∣t0∣<10 < |t_0| < 1;那么对于*每个* 点 (xi)∈∏i=1nEi(x_i) \in \prod_{i=1}^n E_i,使得xix_i都不是零,存在nn有理整数kik_i使得b∣t0∣<∣∣t0kixi∣∣≤bb|t_0| < ||t_0^{k_i} x_i|| \leq b;因此我们有

∣t0∣k1+k2+⋯+kn∣∣f(x1,x2,…,xn)∣∣≤1; |t_0|^{k_1 + k_2 + \cdots + k_n} ||f(x_1, x_2, \ldots, x_n)|| \leq 1;

另一方面,我们有 1∣t0∣ki≤1b∣t0∣∣∣xi∣∣\frac{1}{|t_0|^{k_i}} \leq \frac{1}{b|t_0|} ||x_i||,因此关系 (3) 如下,即 a=(1/b∣t0∣)na = (1/b|t_0|)^n。当xix_i之一是零时,这个关系显然仍然有效。

条件就足够了。我们将证明,如果满足,则ff在∏i=1nEi\prod_{i=1}^n E_i的每点(ai)(a_i)连续。我们可以写

f(x1,…,xn)−f(a1,…,an)=∑i=1nf(a1,…,ai−1,xi−ai,xi+1,…,xn). f(x_1, \ldots, x_n) - f(a_1, \ldots, a_n) = \sum_{i=1}^n f(a_1, \ldots, a_{i-1}, x_i - a_i, x_{i+1}, \ldots, x_n).

现在,使用 (3),条件 ∣∣xi−ai∣∣≤r||x_i - a_i|| \leq r (1≤i≤n1 \leq i \leq n) 意味着

∣∣f(a1,…,ai−1,xi−ai,xi+1,…,xn)∣∣≤ar∏k≠in(∣∣ak∣∣+r); ||f(a_1, \ldots, a_{i-1}, x_i - a_i, x_{i+1}, \ldots, x_n)|| \leq ar \prod_{k \neq i}^n (||a_k|| + r);

因而,如果 cc 是数 ∣∣ai∣∣||a_i|| (1≤i≤n1 \leq i \leq n) 中的最大值,我们有

∣∣f(x1,…,xn)−f(a1,…,an)∣∣≤nar(c+r)n−1. ||f(x_1, \ldots, x_n) - f(a_1, \ldots, a_n)|| \leq nar (c + r)^{n-1}.

由于这个不等式的右边是rr中的多项式,其中零常数为项,所以当rr趋于0时,它也趋于0;因而ff是连续的。

注 0C4P

先前证明的命题中的两个是定理的推论:凭借关系xr=t⋅xxr = t \cdot x,双线性函数trtr的连续性;和命题7,由EE的应用定理1到恒等映射,视为空间EE的线性映射,赋予范数pp到空间 EE 赋予范数 qq(反之亦然)。

引用了 2

引用了 命题 7, 定理 1

6. NORMED 空间中绝对可求和的族

定义 8 0C4Q

在规范的空间 EE 中,如果 xix_i 的范数的族 (∣∣xi∣∣)(||x_i||) 在 R\mathbf{R} 中可求和,则 EE 的点的族 (xi)(x_i) 被认为是绝对可和的。

引用了 1

引用了 命题 7

这个概念似乎取决于在EE上选择的范数;但通过 no. 3 的命题 7 以及实数可求和族的比较原理,对于 EE 上的范数 pp 绝对可求和的族对于 EE 上的任何范数绝对可求和,这相当于pp。

如果 (xi)i∈I(x_i)_{i \in I} 是 EE 的点的族,且可求和且绝对可求,我们有

∥∑i∈Ixi∥≤∑i∈I∥xi∥. \left\| \sum_{i \in I} x_i \right\| \leq \sum_{i \in I} \|x_i\|.

事实上,对于II的每个有限子集JJ,我们有∥∑i∈Jxi∥≤∑i∈J∥xi∥\left\| \sum_{i \in J} x_i \right\| \leq \sum_{i \in J} \|x_i\|,并且不等式(4)相对于II的有限子集的有向集合,遵循经过到极限。

命题 11 0C4R

在完全赋范空间 E 中,每个绝对可和族都是可和的。

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 定理 1(柯西准则), III § 5, 命题 9, III § 5

被以下引用 推论, 推论, 命题 3, X § 3

因为如果(xi)(x_i)是E中的绝对可求族,那么对于每个ε>0\varepsilon > 0,指标集合I都有有限子集J,这样,对于不满足J的I的每个有限子集H,我们有∑i∈H∣∣xi∣∣≤ε\sum_{i \in H} ||x_i|| \leq \varepsilon;因而*更不必说* ∥∑i∈Hxi∥≤ε\left\| \sum_{i \in H} x_i \right\| \leq \varepsilon,这证明了命题,因为E是完备的(柯西准则,章III, § 5, no. 2,定理1)。

如果一般项为 ∣∣xn∣∣||x_n|| 的级数收敛于 R\mathbf{R},或者(等价)如果族 (xn)(x_n) 绝对可和,则一般项为 xnx_n 的级数被称为在 E 中*绝对收敛*;因而(章III, § 5, no. 7,命题9):

推论 0C4S

在完全范数空间 E 中,每个绝对收敛级数都是*交换收敛*。

引用了 2

引用了 命题 11, VII § 3. 无限和群 $\mathbf{R}^n$

命题 11 的逆命题一般是*假*。

考虑实数的有界序列 x=(xn)n∈Nx = (x_n)_{n \in \mathbf{N}} 的例空间 B(N;R)\mathscr{B}(\mathbf{N}; \mathbf{R}),以及范数 ∣∣x∣∣=sup⁡n∣xn∣||x|| = \sup_n |x_n|。令 xmx_m 为序列 (xmn)n∈N(x_{mn})_{n \in \mathbf{N}},使得 m≠nm \neq n 为 xmn=0x_{mn} = 0,m≥1m \geq 1 为 xmm=1/mx_{mm} = 1/m。立即验证序列(xm)m∈N(x_m)_{m \in \mathbf{N}}在B(N;R)\mathscr{B}(\mathbf{N}; \mathbf{R})中可求和,并且其和是元素y=(yn)y = (y_n),使得y0=0y_0 = 0和yn=1/ny_n = 1/n如果n≥1n \geq 1;但由于∣∣xm∣∣=1/m||x_m|| = 1/m,xmx_m的范数的序列不能在R\mathbf{R}中求和。

然而,我们在章VII, § 3, no. 1中看到,Rn\mathbf{R}^n中的每个可求和族都是绝对可求的。

7. 规范代数高于有价值的域

定义 9 0C4T

如果 A 在非离散值域 K 上为代数,则 A 上的范数 p(x)p(x)(A 被视为 K 上的向量空间)被认为与 A 的代数结构兼容,如果拓扑定义与环结构兼容A. 代数在 K 上,赋予由范数定义的结构与代数结构兼容,称为规范代数。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 定理 1

被以下引用 定理 1(盖尔范德-马祖尔), AC VI § 6, IX App. 0. 附录

如果 A 是 K 上的范数代数,并且如果 p(x)p(x) 是 A 上的范数,则 A×AA \times A 到 A 的双线性映射 (x,y)→xy(x, y) \to xy 是连续的,假设;因此,通过no. 5的定理1,存在实数a>0a > 0使得p(xy)≤a⋅p(x)p(y)p(xy) \leq a \cdot p(x)p(y)。 替换 p(x)p(x) 等价于范数 a⋅p(x)a \cdot p(x),因此我们可以总是假设范数 ∣∣x∣∣||x|| 在规范化的代数 A 上是这样的

∣∣xy∣∣≤∣∣x∣∣⋅∣∣y∣∣. ||xy|| \leq ||x|| \cdot ||y||.

从 (5) 到归纳可以得出,对于每个整数 n>0n > 0,我们有

∣∣xn∣∣≤∣∣x∣∣n. ||x^n|| \leq ||x||^n.

例 1 0C4U

令KK为有值除法环,并令K′K'为KK的中心的子域,使得KK的绝对值值∣x∣|x|在K′K'上的迹不是不正确的绝对值K′K'值。那么KK,其中∣x∣|x|为范数,是K′K'上的规范代数。

例 2 0C4V

令KK为非离散值域,并令Mn(K)M_n(K)为阶nn的方阵与KK的环。视为向量空间超过KK,Mn(K)M_n(K)与Kn2K^{n^2}同构的。如果对于每个X=(xij)∈Mn(K)X = (x_{ij}) \in M_n(K)我们定义∥X∥=sup⁡i,j∣xij∣\|X\| = \sup_{i,j} |x_{ij}|,那么∥X∥\|X\|是Mn(K)M_n(K)上的范数,并且由此范数定义的拓扑是Kn2K^{n^2}上的乘积拓扑 (命题10);由此可见(由于超过 KK 的任何数变量中多项式的连续性)该范数与Mn(K)M_n(K)的KK代数结构兼容。

引用了 1

引用了 命题 10

例 3 0C4W

集合 XX 上所有函数 ff 的集合 B(X;K)\mathscr{B}(X; K) 以及值位于非离散值域 KK,使得 x→∣f(x)∣x \to |f(x)| 的边界为XX,代数超过KK; 范数∥f∥=sup⁡x∈X∣f(x)∣\|f\| = \sup_{x \in X} |f(x)|与B(X;K)\mathscr{B}(X; K)的环结构兼容,因为我们有∥fg∥≤∥f∥⋅∥g∥\|fg\| \leq \|f\|\cdot\|g\|(cf.章X, § 1)。

令 aa 为规范化代数 AA 中的封闭两侧理想。如果在商代数A/aA/a中放入∣∣x˙∣∣=inf⁡x∈X∣∣x∣∣||\dot{x}|| = \inf_{x \in X} ||x||,我们会在A/aA/a上得到范数,其中定义拓扑是拓扑与aa除以AA的商(命题9);由于该商拓扑与 A/aA/a (章 III, § 6, no. 4) 的商环结构兼容,因此,代数 A/aA/a 与范数 ∣∣x∣∣||x|| 的商为规范化的代数。

同样,如果 (Ai)1≤i≤n(A_i)_{1 \leq i \leq n} 是 nn 范数代数的一个族,在一个有价值的域 KK 上,并且如果在乘积代数 A=∏i=1nAiA = \prod_{i=1}^n A_i 中我们放置 ∣∣x∣∣=sup⁡i∣∣xi∣∣||x|| = \sup_i ||x_i||,其中 x=(xi)x = (x_i),我们有范数在 AiA_i (命题 10) 拓扑的AA 定义乘积上;由于此拓扑与AA(章III, § 6, no. 4)的环结构兼容,因此乘积代数AA与范数∣∣x∣∣||x||是规范的代数。

令 AA 为已定值域 KK 上的标准化代数。 AA (章 III, § 6, no. 5, 命题 6) 的补全A^\hat{A} 也被赋予K^\hat{K}-向量空间结构 (no. 3, 命题 8),由原理可知对于所有t∈K^t \in \hat{K}和所有x,y∈A^x, y \in \hat{A},我们拥有t(xy)=(tx)y=x(ty)t(xy) = (tx)y = x(ty)的扩张个身份。因此A^\hat{A}比K^\hat{K}大于代数;另一方面(no. 3,命题 8),AA扩展上的范数通过连续性到范数,其中A^\hat{A}的定义拓扑,因此A^\hat{A},赋予了这个范数,是域K^\hat{K}的*标准化代数*。

如果 (xλ)λ∈L(x_\lambda)_{\lambda \in L} 和 (yμ)μ∈M(y_\mu)_{\mu \in M} 是赋范代数 AA 中的两个绝对可求和族,则(xλyμ)(λ,μ)∈L×M(x_\lambda y_\mu)_{(\lambda, \mu) \in L \times M} 族绝对可求和,因为 ∣∣xλyμ∣∣≤∣∣xλ∣∣⋅∣∣yμ∣∣||x_\lambda y_\mu|| \leq ||x_\lambda|| \cdot ||y_\mu|| (章 IV, § 7, no. 3, 命题 1);如果加法 AA 是完备的,则所有三个族都是可求和的,我们有

∑(λ,μ)∈L×Mxλyμ=(∑λ∈Lxλ)(∑μ∈Myμ) \sum_{(\lambda, \mu) \in L \times M} x_\lambda y_\mu = \left( \sum_{\lambda \in L} x_\lambda \right) \left( \sum_{\mu \in M} y_\mu \right)
通过左侧和的结合性(章 III, § 5, no. 3、公式 (2))。

If the normed algebra AA has an identity element e≠0e \neq 0, the mapping t→tet \to te is an isomorphism of the field structure of KK onto that of the subfield KeKe of AA; this isomorphism is also an isomorphism of the topological field structure of KK onto that of KeKe (the topology of the latter being induced by that of AA), for the restriction ∣∣te∣∣||te|| of the norm of AA to KeKe is a norm equivalent to the absolute value

∣t∣=1∣∣e∣∣∣∣te∣∣. |t| = \frac{1}{||e||} ||te||.
If ∣∣e∣∣=1||e|| = 1 we have ∣∣te∣∣=∣t∣||te|| = |t|, and we can then identify the valued field KK with the normed subfield KeKe of AA, and in particular we may denote the identity element of AA by the symbol 1.

接下来我们只关心有范数的代数,它有单位元素ee,并且其中范数满足不等式(5);将x=y=ex = y = e代入不等式,得出∣∣e∣∣≥1||e|| \geq 1。

引用了 8

引用了 X § 1. $\mathscr{G}$收敛的均匀性, III § 6. 拓扑群与运算符;拓扑环,划分环和域, 命题 9, 命题 10, 命题 6, III § 6, 命题 8, 命题 1, IV § 7, III § 5. 可交换的无限和群

命题 12 0C4X

如果级数其通项为znz^n收敛于AA,则e−ze - z是AA的单位,我们有*

(e−z)−1=∑n=0∞zn. (e - z)^{-1} = \sum_{n=0}^\infty z^n.
*相反,如果∣∣z∣∣<1||z|| < 1且e−ze - z在AA中为单位,则一般项为znz^n的级数是收敛的,并且公式(7)有效。

对于每个 p>0p > 0 我们有

(e−z)∑n=0pzn=e−zp+1. (e - z) \sum_{n=0}^p z^n = e - z^{p+1}.
如果项为znz^n的级数收敛,且yy为其和,则znz^n与n→+∞n \to + \infty一样趋于0;因此,通过(8)中的经过到极限,我们有(e−z)y=e(e - z)y = e;类似地,我们证明y(e−z)=ey(e - z) = e,从而证明y=(e−z)−1y = (e - z)^{-1}(注,论证的部分在任何具有单位元素的拓扑环中都是有效的)。

反之,如果∣∣z∣∣<1||z|| < 1,则从∣∣zp+1∣∣≤∣∣z∣∣p+1||z^{p+1}|| \leq ||z||^{p+1}开始,zp+1z^{p+1}与p→+∞p \to +\infty一样趋于0;将左边两边(8)乘以(e−z)−1(e-z)^{-1},并让pp趋于无穷大,我们可以看到,级数的通项为znz^n收敛,并且(e−z)−1(e-z)^{-1}为其和。

推论 0C4Y

设 A 为完全范数代数。然后对于每个z∈Az \in A,使得∣∣z∣∣<1||z|| < 1,e−ze - z在A中是单位。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 命题 11

被以下引用 推论, IX Appendix 0, 命题 13

级数,其通项为znz^n,是绝对收敛的,因为∣∣zn∣∣≤∣∣z∣∣n||z^n|| \leq ||z||^n对于n>0n > 0,因此也是收敛的,因为A是完备的(no. 6,命题11)。

命题 13 0C4Z

设G是完全赋范代数 A的单位的群,则G是A的开子集; A 的拓扑在 G 上诱导的拓扑与 G 的群结构兼容;而G,被赋予了这个拓扑,是一个完整的群*(相对于它的两个均匀性中的每一个)。

引用了 1 · 被以下引用 7

引用了 推论

被以下引用 定理 1(盖尔范德-马祖尔), AC VI § 6, 命题 3, LIE III § 1, 定理 1, IX Appendix 0, 习题 11, § 3, 习题 9, § 3, 注, 命题 14

命题 12 的推论表明 A 中 ee 的 G 包含邻域 V;因此,对于每个x0∈Gx_0 \in G,x0Vx_0V的元素是单位,而x0Vx_0V是A中x0x_0的邻域,因为x↦x0xx \mapsto x_0x是A自身的同胚(x0x_0是A) 的单位。因此 G 在 A 中开。

为了证明 A 的拓扑在 G 上诱导的拓扑与 G 的群结构兼容,只要证明函数 x−1x^{-1} 在 G 上是“连续”的就足够了。设 x0∈Gx_0 \in G,对于每个 x∈Gx \in G,将 xx 写成形式x=x0(e+u)x = x_0(e + u),所以u=x0−1(x−x0)u = x_0^{-1}(x - x_0);那么∣∣u∣∣≤∣∣x0−1∣∣⋅∣∣x−x0∣∣||u|| \leq ||x_0^{-1}|| \cdot ||x - x_0||,因此如果∣∣x−x0∣∣≤1/∣∣x0−1∣∣||x - x_0|| \leq 1 / ||x_0^{-1}||,我们有∣∣u∣∣≤1||u|| \leq 1,e+u=x0−1xe + u = x_0^{-1}x是单位,级数,其一般项是(−1)nun(-1)^n u^n是绝对收敛的,并且

x−1=(e+u)−1x0−1=x0−1+(∑n=1∞(−1)nun)x0−1, x^{-1} = (e + u)^{-1} x_0^{-1} = x_0^{-1} + \left( \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n u^n \right) x_0^{-1},

由此可见

∣∣x0−1−x0−1∣∣≤∣∣∑n=0∞(−1)nun∣∣⋅∣∣u∣∣⋅∣∣x0−1∣∣≤∣∣∑n=0∞(−1)nun∣∣⋅∣∣x0−1∣2⋅∣∣x−x0∣∣. ||x_0^{-1} - x_0^{-1}|| \leq \left| \left| \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n u^n \right| \right| \cdot ||u|| \cdot ||x_0^{-1}|| \\ \leq \left| \left| \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n u^n \right| \right| \cdot ||x_0^{-1}|^2 \cdot ||x - x_0||.

由于 xx 趋于 x0x_0,∣∣x−x0∣∣||x - x_0|| 趋于 0,并且由于

∣∣∑n=0∞(−1)nun∣∣≤∣∣e∣∣+∣∣u∣∣1−∣∣u∣∣ \left| \left| \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n u^n \right| \right| \leq ||e|| + \frac{||u||}{1 - ||u||}

仍然有界,因此x−1x^{-1}趋于x0−1x_0^{-1}。

最后,为了证明 G 的左均匀性是完整的,让我们证明关于该均匀性的每个柯西滤波器 F~\tilde{\mathscr{F}} 都是关于 AA 的“加性”均匀性的柯西滤波器,并且收敛到 GG 的点。对于每个ε\varepsilon使得0<ε<10 < \varepsilon < 1,存在集合M∈FM \in \mathfrak{F}使得∣∣x−1y−e∣∣≤ε||x^{-1}y - e|| \leq \varepsilon对于MM中的所有x,yx, y,即,使得

∣∣y−x∣∣≤ε ∣∣x∣∣. ||y - x|| \leq \varepsilon \ ||x||.
设aa为MM的点;对于每个x∈Mx \in M,我们有∣∣x−a∣∣≤ε ∣∣a∣∣||x - a|| \leq \varepsilon \ ||a||,因此有∣∣x∣∣≤(1+ε)∣∣a∣∣||x|| \leq (1 + \varepsilon)||a||。另一方面,存在集合N⊂MN \subset M属于到F\mathfrak{F},并且∣∣x−1y−e∣∣≤ε/(1+ε)∣∣a∣∣||x^{-1}y - e|| \leq \varepsilon/(1 + \varepsilon)||a||对于NN中的所有xx和yy;由此得出∣∣y−x∣∣≤ε∣∣x∣∣/(1+ε)∣∣a∣∣≤ε||y - x|| \leq \varepsilon ||x||/(1 + \varepsilon)||a|| \leq \varepsilon,这表明F\mathfrak{F}是关于AA的加性均匀性的柯西滤波器,因此收敛到点x0x_0,因为AA是完备的。由于 x0x_0 是 F\mathfrak{F} 中的极限,因此对于所有 x∈Mx \in M,我们通过扩张中的原理不等式得到 ∣∣x−1x0−e∣∣≤ε||x^{-1}x_0 - e|| \leq \varepsilon;从ε>1\varepsilon > 1开始,x−1x0x^{-1}x_0在AA中等于单位;因此x0x_0是单位,即x0∈Gx_0 \in G。

命题 14 0C50

在全值除法环中,非零元素的乘法群是全值群。

引用了 1

引用了 命题 13

证明与命题13类似;我们只需考虑环除法的绝对值值到 AA 的替换范数。

注我们直接不能应用命题13,因为(非交换)值除法环不一定是代数超过*非离散*值域(绝对值到中心的限制除法环可能不正确)。

注 0C51

对于非完全规范的代数来说,命题 13 不一定成立。对于例,I=[0,1]I = [0, 1]上所有有限连续实值函数的代数C(I;R)C(I; \mathbf{R})中[范数为∣∣x∣∣=sup⁡t∈I∣x(t)∣||x|| = \sup_{t \in I} |x(t)|],tt中所有*多项式*的子代数PP (仅限于II)*不*完整;如果 x(t)x(t) 是任何非常数多项式,则当 ε\varepsilon 任意小时,1+εx1 + \varepsilon x 任意接近 PP 的单位元素 1,但 1+εx1 + \varepsilon x 不是单位 in PP。然而,如果AA是非完备范式代数,GG是单位的群,A^\hat{A}是AA的完备,那么GG就是群的子群 A^\hat{A}的单位,因此AA的拓扑在GG上诱导的拓扑与GG的群结构兼容。

引用了 1

引用了 命题 13

习题

参见习题为 § 3。

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