Topologikus vektorterek és
normált algebrák
Kristóf János
Tartalomjegyzék
I. Topologikus vektorterek 2
1. Topologikus vektorterek 8
1.1. Lineáris topológiák tulajdonságai . . . 8
1.2. A legnagyobb lineáris topológia jellemzése . . . 15
1.3. Lineáris operátor és lineáris funkcionálfolytonossága . . . 18
1.4. Projektíven előállított lineáris topológiák . . . 20
1.5. Lineáris faktortopológiák . . . 23
1.6. Lokálisan kompakt topologikus vektorterek . . . 24
1.7. Metrikus és topologikus teljesség lineáristopológia szerint . . . 28
1.8. Folytonos lineáris operátor folytonos lineáriskiterjesztése . . . 30
1.9. Topologikus vektortér szeparált teljes burka . . . 32
2. Metrizálható topologikus vektorterek 41 2.1. Metrizációs lemma . . . 41
2.2. Topologikus vektortér félmetrizálhatóságaés metrizálhatósága . . . 46
2.3. Banach nyíltleképezés tétele . . . 49
2.4. A zártgráf-tétel és következményei . . . 52
2.5. Banach nyíltleképezés tételénekáltalánosítása . . . 54
3. Lokálisan konvex terek 56 3.1. Konvex halmazok topologikus vektortérben . . . 56
3.2. Lokálisan konvex terek és hordós terek . . . 59
3.3. Projektíven előállított lokálisan konvex terek . . . 61
3.4. Félnorma-rendszer által generált lokálisan konvextopológiák . . . 62
3.5. Lokálisan konvex tér metrizálhatósága . . . 65
3.6. Lokálisan konvex terek közöttifolytonos lineáris operátorok . . . 66
3.7. Példák teljes és metrizálható lokálisan konvexterekre . . . 68
3.8. Induktívan előállított lokálisan konvextopológiák . . . 72
3.9. Lokálisan konvex terek induktív limeszeés szigorú induktív limesze . . . . 74
4. Konvex halmazok szétválasztása 79
4.1. A Hahn–Banach tétel algebrai formája . . . 79
4.2. A Hahn–Banach tétel geometriai formája . . . 85
4.3. A Hahn–Banach tétel algebrai és geometriaiformájának kapcsolata . . . . 88
4.4. A Hahn–Banach-tétel topologikus algebraiformája . . . 89
4.5. Konvex halmazok szétválasztása topologikusvektortérben . . . 90
4.6. Konvex halmazok szétválasztása lokálisankonvex térben . . . 91
4.7. A szétválasztási tételek elemi következményei . . . 92
5. Lineáris függvényterek és operátor-topológiák 94 5.1. Korlátos halmazok topologikus vektorterekben . . . 94
5.2. Lineáris topológia normálhatóságának jellemzése . . . 98
5.3. Korlátos lineáris operátorok . . . 98
5.4. Korlátos halmazok jellemzése projektívenelőállított lineáris topológia szerint 99 5.5. Korlátos halmazok jellemzése szigorú induktívlimeszben . . . 101
5.6. Az egyenletes konvergencia topológiája korlátosfüggvények terén . . . 104
5.7. S-topológia az S-korlátos függvények terén . . . 109
5.8. Példák S-topológiákra . . . 111
5.9. Az S-topológák elemi tulajdonságai . . . 113
5.10. Ekvifolytonos függvényhalmazok. . . 114
5.11. A relatív kompaktság jellemzése a pontonkéntikonvergencia topológiája szerint116 5.12. Korlátosság az S-topológiák szerint . . . 118
5.13. A Banach–Steinhaus-tétel . . . 119
6. Dualitás vektorterek között 122 6.1. Duális párok és poláris halmazok . . . 122
6.2. Gyenge topológia és a poláris halmazok jellemzése . . . 126
6.3. Ekvifolytonos halmazok poláris jellemzése ésgyenge topológia leszűkítései 128 6.4. Gyenge topológiák szorzata . . . 131
6.5. Dualitással kompatibilis topológiák . . . 132
6.6. Kváziteljes topologikus vektorterek . . . 134
6.7. A dualitással kompatibilis topológiák jellemzése –Mackey–Arens-tétel . . 135
6.8. Sorozatzárt halmazok lokálisan konvex terekben . . . 140
6.9. Infrahordós terek . . . 143
6.10. A dualitással kompatibilis topológiákszerint korlátos halmazok jellemzése 145 6.11. Gyengén folytonos lineáris operátorok . . . 146
6.12. Gyengén folytonos lineáris operátorgyengén folytonos kiterjesztése . . . . 149
7. Bornologikus terek és félreflexív terek 152 7.1. Bornologikus terek és ultrabornologikus terek . . . 152
7.2. Bornologikus tér feletti lineáris operátorfolytonossága . . . 153
7.3. Bornologikus terek és ultrabornologikus terekinduktív előállítása . . . 155
7.4. Szeparált lokálisan konvex tér erős duálisa ésbiduálisa . . . 158
7.5. Félreflexív terek . . . 160
7.6. Reflexív terek . . . 163
7.7. Montel-terek . . . 164
7.8. A kompakt konvergencia topológiájafolytonos függvények terén . . . 166
7.9. A kompakt konvergencia topológiájaholomorf függvények terén . . . 170
7.10. Differenciálható függvények tere . . . 172
II. Kompakt konvex halmazok 179
8. Kompakt konvex halmaz extremális pontjai 183 8.1. Kompakt halmaz konvex burka . . . 1838.2. Extremális pontok és Krein–Milman-tétel . . . 185
8.3. Véges dimenziós kompakt konvex halmazextremális pontjai . . . 187
9. Pozitív Radon-mértékek lokálisan kompakt tér felett 192 9.1. Pozitív Radon-mértékek . . . 192
9.2. Pozitív alulról félig folytonos függvény felsőintegrálja . . . 193
9.3. Pozitív függvény felső integrálja – Fatou-tétel . . . 196
9.4. Additivitás- és szubtraktivitás-formulák . . . 200
9.5. Halmaz külső mértéke . . . 203
9.6. Moderáns halmazok és mérhető halmazok . . . 205
9.7. A mértékelméleti Riesz-féle reprezentációs-tétel . . . 208
10. Valószínűségi Radon-mérték koncentráltsága és baricentruma 213 10.1. Pozitív Radon-mérték tartója . . . 213
10.2. Pozitív Radon-mérték koncentráltsága . . . 214
10.3. Kompakt konvex halmaz feletti valószínűségiRadon-mérték baricentruma 216 10.4. Konvex függvények és konkáv függvények felsőintegráljai . . . 222
11. Metrizálható kompakt konvex halmaz baricentrális felbontása 225 11.1. Kompakt konvex halmaz topologikusbaricentrális felbontása . . . 225
11.2. Metrizálható kompakt konvex halmazbaricentrális felbontása – Choquet-tétel226 12.Kompakt konvex halmaz baricentrális felbontása 232 12.1. A baricentrum abszolút jellemzése . . . 232
12.2. Extremális halmazok . . . 237
12.3. Az extremális pontok mértékelméletijellemzése . . . 239
12.4. A Bauer-féle maximum-minimum elv . . . 241
12.5. Choquet-rendezés a valószínűségiRadon-mértékek halmazán. . . 242
12.6. Choquet-rendezés szerint maximáliselemek . . . 246
12.7. Kompakt konvex halmaz baricentrálisfelbontása – Choquet-tétel . . . 248
III. Normált algebrák 252
13.Algebrák 259 13.1. Elemi konstrukciók és példák algebrákra . . . 25913.2. Algebra egységelemesítése . . . 263
13.3. Algebra karakterei és a reguláris ideálok . . . 265
13.4. Algebra Gelfand-reprezentációja és elemspektruma . . . 268
13.5. Polinomiális függvényszámítás . . . 271
14. Normált algebrák 274 14.1. Elemi konstrukciók normált algebrákra . . . 274
14.2. Példák normált algebrákra . . . 276
14.3. Spektrálsugár . . . 278
14.4. A Rickart-tétel és a Gelfand–Mazur-tétel . . . 284
14.5. Carl Neumann-féle sorok . . . 287
14.6. Spektrum és rezolvens Banach-algebraesetében . . . 290
14.7. Egészfüggvény-számításkomplex Banach-algebrában . . . 295
14.8. Szubmultiplikatív normák . . . 301
15. Banach-algebra Gelfand-reprezentációja 308 15.1. Banach algebra karaktertere –Gelfand-topológia . . . 308
15.2. Banach-algebra Gelfand-reprezentációja . . . 309
15.3. A diszk-algebra karaktertereés Gelfand-reprezentációja . . . 312
15.4. Végtelenben eltűnő folytonos függvényekalgebrájának karaktertere ésGelfand-reprezentációja314 16. *-algebrák 319 16.1. Elemi konstrukciók *-algebrákra . . . 319
16.2. Példák *-algebrákra . . . 320
16.3. *-algebra egyégelemesítése . . . 321
16.4. Speciális elemek *-algebrákban. . . 323
16.5. Önadjungált funkcionálok . . . 326
16.6. Egységelemes *-algebrák típusai . . . 328
17. Normált *-algebrák 331 17.1. Elemi normált *-algebra konstrukciók . . . 331
17.2. Példák normált *-algebrákra . . . 333
17.3. Normált *-algebrák egységelemesítése . . . 334
17.4. *-algebra morfizmusok folytonossága . . . 338
17.5.C∗-félnormák és a fedő C∗-algebra . . . 339
18. Kommutatív C∗-algebrák 343 18.1. Kommutatív C∗-algebrák jellemzése –Első Gelfand-Najmark tétel . . . . 343
18.2. Injektív *-algebra-morfizmus inverzénekfolytonossága . . . 345
18.3. Kommutatív Banach-*-algebrafedőC∗-algebrája – Stone-tétel . . . 347
18.4. Folytonosfüggvény-számítás egységelemesC∗-algebra normális elemeire . . 350
18.5. Folytonosfüggvény-számítás C∗-algebranormális elemeire . . . 354
18.6. Alkalmazás – Cech-Stone kompaktifikációˇ . . . 356
19. Pozitív elemek C∗-algebrában 359 19.1.C∗-algebra pozitív elemeinek hatványai . . . 359
19.2. A pozitivitás spektrális jellemzése . . . 362
19.3. Approximatív egységek . . . 365
19.4. A polárfelbontás problémája . . . 369
19.5. MSC-algebrák és MC-algebrák . . . 370
19.6. Elem faktorizációja MSC-algebrábanés a polárfelbontás tétele . . . 373
20. *-algebrák ábrázolásai és pozitív funkcionálok 379 20.1. *-algebrák ábrázolásai . . . 379
20.2. Szummálható ábrázolások . . . 381
20.3. Ábrázolások elemi felbontásai . . . 383
20.4. Ábrázolható funkcionálok . . . 385
20.5. Pozitív funkcionál által meghatározottskalárszorzás . . . 387
20.6. Reguláris pozitív funkcionál normája . . . 389
21. A GNS-konstrukció és alkalmazásai 393 21.1. Pozitív funkcionálok ábrázolhatóságánakjellemzése . . . 393
21.2. Ábrázolható funkcionálokBanach-*-algebra felett . . . 398
21.3. Önadjungált és pozitív funkcionálokC∗-algebra felett . . . 401
21.4. Az ábrázolható funkcionálok kapcsolatai –Godement-tétel . . . 404
21.5. A GNS-konstrukcióval előállított ábrázolásokirreducibilitásának jellemzése 405 21.6. Banach-*-algebra irreducibilis ábrázolásainaklétezése – Gelfand-Rajkov tétel409 21.7. Banach-*-algebra ciklikus ábrázolásánakredukciója – Choquet-tétel . . . 410
21.8. Kommutatív Banach-*-algebraábrázolható funkcionáljai – Bochner-tétel . 415 22. Banach-*-algebrák hű ábrázolásai 418 22.1.C∗-algebra hű ábrázolásának létezése –Második Gelfand-Najmark tétel . 418 22.2. A fedő C∗-algebra normájának kiszámítása . . . 420
22.3. A pozitivitás ábrázoláselméleti jellemzéseC∗-algebrában . . . 421
22.4.C∗-algebra önadjungált funkcionáljai . . . 422
23. Rickart-C∗-algebrák 426
23.1. Természetes rendezés *-algebra projektorainakhalmazán . . . 426
23.2. Rickart-*-algebrák és ortomodulárisprojektorhálók . . . 431
23.3. Rickart-C∗-algebrák és σ-teljes ortomodulárisprojektorhálók . . . 434
24. Spektrális C∗-algebrák 439 24.1. Projektor-értékű additív függvények . . . 439
24.2. Infraspektrális, spektrális és ultraspektrálisC∗-algebrák . . . 443
24.3. Példák ultraspektrális C∗-algebrákra . . . 447
24.4. Ultraspektrális C∗-algebrák tulajdonságai. . . 453
24.5. Spektráltétel ultraspektrális C∗-algebrákra . . . 458
24.6. Spektráltétel ultraspektrális C∗-algebranormális elemére . . . 463
24.7. A klasszikus operátorelméleti spektráltétel . . . 465
24.8. Az önadjungált elemek rendezett vektortereultraspektrális C∗-algebrában 468 24.9. A spektrálisC∗-algebrák jellemzése . . . 470
IV. Függelék: Topologikus terek 473
25. Topologikus terek és folytonos függvények 474 25.1. Topológiák. . . 47425.2. Környezetek, környezetbázisok, rácsok és szűrők . . . 476
25.3. Halmaz belseje és lezártja . . . 479
25.4. Folytonos függvények . . . 481
25.5. Rendezés a topológiák halmazában . . . 486
25.6. Projektíven előállított topológiák . . . 487
25.7. Topologikus szorzatterek . . . 490
25.8. Induktívan előállított topológiák . . . 494
25.9. Összefüggő terek . . . 496
26. Szétválasztási tulajdonságok 499 26.1. Elemi szétválasztási tulajdonságok. . . 499
26.2. Függvény határértéke . . . 501
26.3. Konvergens általánosított sorozatok . . . 502
26.4. Reguláris, teljesen reguláris és normálistopologikus terek . . . 506
26.5. Normális terek jellemzése I – Uriszon-tétel . . . 510
26.6. Normális terek jellemzése II – Tietze-tétel . . . 514
26.7. Normális terek jellemzése III –Egységosztás-tétel . . . 518
26.8. Félmetrizálható terek ésteljesen reguláris terek jellemzése . . . 522
26.9. Beágyazási tételek. . . 527
27. Kompakt terek és lokálisan kompakt terek 530
27.1. A kompakt halmazok tulajdonságai . . . 530
27.2. A kompaktság jellemzései . . . 534
27.3. Kompakt terek szorzata – Tyihonov-tétel . . . 538
27.4. Félig folytonos függvények –Weierstrass-féle maximum-minimum elv . . . 540
27.5. Kompakt terek metrizálhatósága. . . 543
27.6. Lokálisan kompakt terek alaptulajdonságai . . . 544
27.7. Egypontú kompaktifikáció . . . 547
27.8. Uriszon-tétel, Tietze-tétel és egységosztás-tétellokálisan kompakt terekre. 549 27.9. Félig folytonos függvények lokálisan kompakttér felett . . . 551
27.10.Baire-terek és a kategóriatétel . . . 553
27.11.Parakompakt terek . . . 556
27.12.Lokálisan kompakt tér parakompaktságánakjellemzése . . . 559
27.13.Megszámlálható bázisú lokálisan kompakt terekjellemzése . . . 563
28. Folytonos függvények lokálisan kompakt terek felett 565 28.1. Pontonként és egyenletesen konvergensáltalánosított függvénysorozatok . 565 28.2. A folytonosság öröklődése pontonkéntilimeszfüggvényre . . . 568
28.3. Stone-féle approximációs tétel . . . 571
28.4. Stone–Weierstrass approximációs tétel . . . 573
28.5. Kompakt terek metrizálhatóságának jellemzésefolytonos függvényekkel . . 579
V. Függelék: Ortohálók 582
29. Ortohálók, ortoállapotok és ortoadditív függvények 584 29.1. Ortokomplementációk és ortokomplementáltrendezett halmazok . . . 58429.2. Moduláris és ortomoduláris hálók . . . 587
29.3. Ortoállapotok és ortoháló duálisa . . . 590
29.4. Ortoadditív függvények . . . 595
30. σ-gyűrűk és σ-algebrák 598 30.1. Baire-halmazok és Borel-halmazok. . . 598
30.2. A mérhető halmazok σ-algebrája ésa Carathéodory-féle külső mérték . . 600
30.3. Lokálisan kompakt tér Baire-féleσ-gyűrűje . . . 603
30.4. Projektormérték leszűkítése szerintiegyszerű integrál . . . 605
I. rész
Topologikus vektorterek
BEVEZETÉS
Ebben a részben a lineáris analízis által vizsgált legfontosabb matematikai objek- tumokról, a topologikus vektorterekről, valamint a topologikus vektorterek között ható folytonos lineáris operátorokról lesz szó.
Az első fejezetben értelmezzük a lineáris topológiákat és a topologikus vektortereket.
Részletesen megvizsgáljuk azokat a speciális tulajdonságokat, amelyek a lineáris topológi- ákat megkülönböztetik a nem lineáris topológiáktól. Megnézzük, hogy a0vektor lineáris topológiák szerinti környezetbázisai milyen különleges tulajdonságokkal rendelkeznek;
ezáltal olyan módszerhez jutunk, amelynek alkalmazásával lineáris topológiák állítha- tók elő. Jellemzést adunk azokra a lineáris topológiákra, amelyek Hausdorff-topológiák (másnéven: szeparáltak), és megmutatjuk, hogy minden topologikus vektortér reguláris topologikus tér. Ezután jellemezzük a topologikus vektorterek feletti lineáris funkcioná- lok folytonosságát. Kiderül, hogy a lineáris topológiák és lineáris operátorok által pro- jektíven előállított topológiák automatikusan lineárisak. Ebből megkapjuk atopologikus lineáris alterek éstopologikus lineáris szorzatterek definícióját, valamint ezek jellemzését a 0 vektor környezetbázisaival. Fontos az a következmény is, hogy egy vektortér feletti lineáris topológiák tetszőleges rendszerének atopológia-szuprémumaszintén lineáris topo- lógia. Azonban az is nyilvánvalóvá válik, hogy a lineáris topológiák és lineáris operátorok által induktívan előállított topológiák általában nem szükségképpen lineárisak. Ez alól nevezetes kivétel a lineáris faktortopológiák esete. Megvizsgáljuk a topologikus lineáris faktorterek szeparáltságának kritériumát, majd jellemzést adunk alokálisan kompakt to- pologikus vektorterekre. Látható lesz, hogy szeparált topologikus vektortér pontosan akkor lokálisan kompakt, ha véges dimenziós; továbbá véges dimenziós valós vagy komp- lex vektortér felett egyetlen szeparált lineáris topológia létezik. Korábban igazoltuk, hogy véges dimenziós valós vagy komplex vektortér felett bármely két norma ekviva- lens, vagyis ugyanazt a topológiát generálja: ez az egyetlen lehetséges szeparált lineáris topológia az adott véges dimenziós vektortér felett. A fejezetet a topologikus teljességfo- galmának bevezetésével zárjuk. Bebizonyítjuk, hogy topologikus vektortér sűrű lineáris alterén értelmezett, szeparált teljes topologikus vektortérbe ható folytonos lineáris ope- rátor egyértelműen kiterjeszthető folytonos lineáris operátorrá. Megmutatjuk továbbá, hogy minden topologikus vektortérnek lényegében egyértelműen létezik szeparált teljes burka. A topologikus vektorterekkel kapcsolatos teljesség-fogalom eleve semmiféle met- rikához nem kötődik. Azonban normált térmetrikus teljessége a topologikus teljességgel egyenértékűnek bizonyul.
A második fejezetben a topologikus vektorterek egy fontos típusával foglalkozunk: a félmetrizálható, illetve metrizálható topologikus vektorterekkel. Ezen a területen a leg- fontosabb tétel az, hogy egy topologikus vektortér félmetrizálhatósága ekvivalens azzal,
hogy a0-nak létezikmegszámlálható környezetbázisa, vagyis a topologikus vektortérM1- tér. Látható lesz, hogy minden félmetrikából (illetve metrikából) származtatható lineá- ris topológia olyan félmetrikából (illetve metrikából) is származtatható, amely invariáns az eltolásokra nézve, vagyis transzláció-invariáns. Bebizonyítjuk Banach nyíltleképezés- tételét teljes és metrizálható topologikus vektorterekre. Azt is megmutatjuk, hogy ez a tétel könnyen általánosítható olyan esetre, amikor az indulási topologikus vektortér nem teljes vagy nem metrizálható. Banach nyíltleképezés-tételének itt is fontos követ- kezménye a teljes és metrizálható topologikus vektorterek között ható folytonos lineáris bijekciók homeomorfitása, valamint a zártgráf-tétel.
A harmadik fejezetben a topologikus vektorterek legfontosabb típusát vizsgáljuk: a lokálisan konvex terek típusát. A lokálisan konvex terek annyiban speciális topologikus vektorterek, hogy bennük a 0 vektornak létezik konvex halmazokból álló környezetbá- zisa. Ilyen terek például a félnormából származtatható, vagyis félnormálható topologi- kus vektorterek. Kiderül, hogy lokálisan konvex térben a 0-nak egészen speciális alakú halmazokból álló környezetbázisa is létezik; olyan, amelynek az elemei zártak, konvexek, kiegyensúlyozottak és elnyelők. Az ilyen tulajdonságú halmazokat hordóknaknevezzük.
Lokálisan konvex térben, sőt normált térben is előfordulhat, hogy nem minden hordó kör- nyezete a0-nak. Hordós terekneknevezzük azokat a lokálisan konvex tereket, amelyekben minden hordó a0-nak környezete. Ezek jelentősége az 5.13. pontban válik nyilvánvalóvá.
Megmutatjuk, hogy a lokálisan konvex terek és lineáris operátorok által projektíven elő- állított topológiák automatikusan lokálisan konvexek. Értelmezzük a félnorma-rendszer által generált lokálisan konvex topológia fogalmát: ebben is megnyilvánul annak jelen- tősége, hogy vektortér feletti lineáris topológia-rendszer topológia-szuprémuma szintén lineáris. Megmutatjuk, hogy minden lokálisan konvex topológia félnorma-rendszer által generálható. Bebizonyítjuk, hogy lokálisan konvex tér pontosan akkor félmetrizálható, ha megszámlálható félnorma-rendszer által generálható. A teljes és metrizálható lokálisan konvex tereket Fréchet-tereknek nevezzük. Jellemzést adunk a lokálisan konvex terek között ható lineáris operátorok folytonosságára, amikor a lokálisan konvex topológiák félnorma-renszerek által vannak meghatározva.
Habár a topologikus vektorterek és lineáris operátorok által induktívan előállított topológiák nem szükségképpen lineárisak; kiderül, hogy ha E vektortér K felett, és (Ei, ui)i∈I olyan rendszer, hogy minden I ∋ i-re Ei topologikus vektortér K felett és ui : Ei → E lineáris operátor, akkor egyértelműen létezik E felett az a legnagyobb lo- kálisan konvex topológia, amelyre minden i ∈ I esetén az ui operátor folytonos. Ezt az E feletti lokálisan konvex topológiát nevezzük az(Ei, ui)i∈I rendszer általinduktívan előállított lokálisan konvex topológiának. Ez a topológia nem feltételenül egyenlő az E feletti legnagyobb topológiával, amely szerint minden I ∋ i-re az ui : Ei → E leképezés folytonos; hanem annál (esetleg szigorúan) kisebb. Megadjuk a 0 vektor egy nevezetes környezetbázisát az induktívan előállított lokálisan konvex topológia szerint, amelynek segítségével könnyen jellemezhetjük az induktívan előállított lokálisan konvex tereken
értelmezett, lokálisan konvex terekbe érkező lineáris operátorok folytonosságát. Az in- duktívan előállított lokálisan konvex topológiák fontos speciális esete a lokálisan konvex topológiák induktív limesze, valamint szigorú induktív limesze. Ennek a lokálisan konvex topológia-típusnak két jól ismert, érdekes speciális esete van: az egyik a lokálisan kom- pakt tér feletti folytonos kompakt tartójú függvények terének ún. természetes induktív topológiája, és a másik azRn nyílt részhalmazán értelmezett, kompakt tartójú, végtelen- szer differenciálható függvények terének természetes induktív topológiája. Az általános esetben ezek a topológiáknem metrizálhatók. Az előbbi fontos szerepet játszik atopolo- gikus integrálelméletmélyebb tételeinek bizonyításában (például aGelfand–Dunford-tétel esetében). Az utóbbi pedig a disztribúcióelméletkomolyabb állításainak bizonyításában alkalmazható. A szigorú induktív limeszek tulajdonságaival kapcsolatban két viszony- lag könnyen igazolható állítást mutatunk be, amelyeknek fontos alkalmazásai vannak a Radon-mértékek elméletében, valamint a disztribúcióelméletben.
A negyedik fejezetben a Hahn–Banach-tétel algebrai és geometriai formájáról, ezek kapcsolatáról és az elemi alkalmazásaikról lesz szó. A Hahn–Banach-tétel az egyik legsok- oldalúbban alkalmazható egzisztencia-tétel lineáris funkcionálokra. Megmutatjuk, hogy a Hahn–Banach-tétel algebrai és geometriai formája ekvivalensek egymással. A Hahn–
Banach-tétel geometriai formájának alkalmazásaként igazolunk két szétválasztási tételt, egyet topologikus vektorterekre, és egy másikat lokálisan konvex terekre. Ezeknek a Hahn–Banach-szétválasztási tételeknek fontos alkalmazásai vannak például a geometriai funkcionálanalízisben, amelynek egy érdekes témakörével a II. részben foglalkozunk.
Ezután a lineáris függvényterek felett természetes módon értelmezhető lineáris to- pológiákkal, az ún. S-topológiákkal foglalkozunk, az ötödik fejezetben. Bevezetjük a pontonkénti konvergencia topológiáját, azegyenletes konvergencia topológiáját, a kompakt konvergencia topológiáját, valamint azoperátortopológiákegy nevezetes típusát. Ezek ér- telmezéséhez lényeges a halmazok topologikus korlátosságának fogalma topologikus vek- torterekben. Ez a korlátosság-fogalom tisztán topologikus jellegű, tehát semmiféle metri- kával nem kapcsolatos. Megvilágítjuk a metrikus és topologikus korlátosság kapcsolatát metrizálható topologikus vektorterek esetében. Bebizonyítjuk, hogy topologikus vektor- tér pontosan akkor félnormálható, ha létezik a 0 vektornak korlátos konvex környezete.
A folytonos lineáris operátorok természetes általánosításaként bevezetjük akorlátos ope- rátorok fogalmát. Jellemzést adunk a lineáris függvényterek feletti S-topológiák sze- paráltságára, valamint a halmazok korlátosságára ezekben a terekben. Értelmezzük az ekvifolytonos halmazokat folytonos függvények tereiben, és jellemzést adunk a ponton- kénti konvergencia topológiája szerint relatív kompakt halmazokra folytonos lineáris ope- rátorok terében. Ennek fontos következménye az Alaoglu–Bourbaki-tétel, amely szerint topologikus vektortér topologikus duálisában minden ekvifolytonos halmaz a pontonkénti konvergencia topológiája szerint relatív kompakt. Ebből kapjuk aBanach–Alaoglu-tételt, vagyis azt, hogy (szeparábilis) normált tér topologikus duálisában a zárt egységgömb (metrizálható) kompakt halmaz a pontonkénti konvergencia topológiája szerint. Bebi-
zonyítjuk Banach egyenletes korlátosság tételét és a Banach–Steinhaus-tételt lokálisan konvex terekre.
A hatodik fejezetben a vektorterek közötti dualitással foglalkozunk. A dualitás fogal- mához az a megfigyelés vezet, hogy bizonyos vektortér-párok olyanok, hogy mindegyikük a másik algebrai duálisának egy lineáris alterével azonosítható, lényegében kitüntetett módon. Továbbá, ilyen esetben mindkét vektortéren kijelölhető egy legkisebb szeparált lokálisan konvex topológia (a dualitás által meghatározott gyenge topológia), amely sze- rint folytonos lineáris funkcionálok tere azonosul (a dualitás által) a másik vektortérrel.
Ezáltal a folytonos lineáris funkcionálokra vonatkozó funkcionálanalízisbeli ismereteink a dualitásban álló vektorterekre nemtriviális eredményeket szolgáltatnak. A duális pá- rokban szereplő vektortereken a gyenge topológián kívül más szeparált lokálisan konvex topológiák is létezhetnek, amelyek rendelkeznek azzal a tulajdonsággal, hogy a szerintük folytonos lineáris funkcionálok tere a dualitás által a másik térrel azonosul: ezek a du- alitással kompatibilis topológiák. Bebizonyítjuk a Mackey–Arens-tételt, amely jellemzést ad a dualitással kompatibilis topológiákra, és megmutatja, hogy mindig létezik egy leg- nagyobb topológia, amely a dualitással kompatibilis: ez a (dualitás által meghatározott) Mackey-topológia. Egy szeparált lokálisan konvex topológiát Mackey-térnek nevezünk, ha topológiája megegyezik a tér és a topologikus duálisa közötti kanonikus dualitás által meghatározott Mackey-topológiával.
A dualitással kapcsolatban természetes módon bevezethetők a Mackey-terek bizonyos speciális altípusai: az infrahordós, a bornologikus, az ultrabornologikus, a félreflexív, a reflexív és a Montel-terek. Az utolsó fejezetben megvizsgáljuk ezeknek az alaptulajdon- ságait és egymással való kapcsolatait. Végül bevezetünk néhány természetes lokálisan konvex topológiát bizonyos függvénytereken, és az így értelmezett topologikus vektorte- reket elhelyezzük az addig megismert terek között.
A topologikus vektorterek elmélete az analízis részletesen kidolgozott, eredmények- ben rendkívül gazdag területe. A szakirodalomban rendelkezésre álló hatalmas anyagnak csak azt a töredékét tudjuk itt kellő alapossággal tárgyalni, amelynek fontos alkalmazá- sai vannak a kompakt konvex halmazok és a normált algebrák elméletében, valamint a harmonikus analízis elemeiben. A témakör megértéséhez nélkülözhetetlen a topologikus terek elméletének bizonyos fokú ismerete. Teljesen elégséges IV. részben foglalt függelék anyagának elsajátítása.
Megállapodunk abban, hogy ebben a részbenvektortérenmindenüttvalósvagykomp- lexvektorteret értünk. A topologikus vektorterek elmélete általánosíthatóR-től és C-től különböző topologikus ferdetestekfeletti vektorterek esetére is, de ez az általánosítás csak az analitikus számelmélet általunk nem érintett területén érdekes.
Lokálisan konvex terek típusai
Mackey-tér infrahordós tér↑
ր տ
félreflexív tér hordós tér bornologikus tér
տ ր տ ր տ
reflexív tér ultrabornologikus tér metrizálható tér
↑ ↑ ↑
Montel-tér Fréchet-tér normálható tér
տ ր
Banach-tér Hilbert-tér↑
Az összes itt álló lokálisan konvex teretszeparáltnaktekintjük; de az infrahordós, hordós, bornologikus és ultrabornologikus tereket értelmezzük nem szeparált esetben is.
1. fejezet
Topologikus vektorterek
1.1. Lineáris topológiák tulajdonságai
1.1.1. Definíció. Legyen E vektortér K felett. Egy E feletti T topológiát lineárisnak mondunk, ha teljesülnek rá az alábbiak.
(EVTI) Az E ×E → E; (x, y) 7→ x+y leképezés folytonos a T ×T és T topológiák szerint.
(EVTII) A K×E → E; (α, x) 7→ α.x leképezés folytonos az EK ×T és T topológiák szerint, ahol EK az euklidészi topológia K felett.
Az (E,T) párt topologikus vektortérnek nevezzük, ha E vektortér és T lineáris topológia E felett. Azt mondjuk, hogy az (E,T ) topologikus vektortér szeparált, ha T Hausdorff-topológia.
A szokásos jelölési konvenciónak megfelelően a topologikus vektortereket rendszerint egyetlen szimbólummal, az alaphalmaz jelével jelöljük, feltéve, hogy ez nem okozhat félreértést.
A definícióból azonnal következik, hogy ha E topologikus vektortér, A, B ⊆ E és H ⊆K, akkor
A+B ⊆A+B, H.A⊆H.A.
Valóban, az s : E ×E → E; (x, y) 7→ x+y leképezés folytonos, ezért a folytonosság topologikus jellemzése alapján
A+B =shA×Bi=shA×Bi ⊆shA×Bi=A+B.
Hasonlóan, az m : K×E → E; (α, x) 7→ α.x leképezés folytonos, ezért a folytonosság topologikus jellemzése alapján
H.A=mhH×Ai=mhH×Ai ⊆mhH×Ai=H.A.
Ha E topologikus vektortér K felett, akkor minden z ∈E és λ∈K\ {0} esetén az E →E; x7→λ.x+z
leképezés homeomorfizmus, hiszen a topologikus vektorterek definíciója alapján ez foly- tonos függvények kompozíciója, és ez a függvény bijekció, amelynek inverze megegyezik az
E →E; x7→λ−1.(x−z)
függvénnyel, amely szintén folytonos. Speciálisan, a λ := 1 választással kapjuk, hogy az E feletti lineáris topológia transzláció-invariáns, vagyis ha x ∈ E tetszőleges pont és B az x-nek környezetbázisa E-ben, akkor bármely E ∋ y-ra az {y−x+V|V ∈ B} halmaz az y-nak környezetbázisa. Ezért egy E feletti lineáris topológiát egyértelműen meghatározza az E bármely pontjának bármely környezetbázisa. Az E-ben algebrai szempontból kitüntetett elem a0vektor, ezért azE feletti lineáris topológiák előállítása, valamint azok tulajdonságai szempontjából döntő jelentőségű annak kiderítése, hogy a 0 vektor lineáris topológiák szerinti környezetbázisai milyen tulajdonságúak? Ehhez először bevezetünk két halmaztípust vektorterekben.
1.1.2. Definíció. Legyen E vektortér K felett.
– Azt mondjuk, hogy az A⊆E halmaz kiegyensúlyozott, ha mindenx∈A és minden λ ∈K esetén, ha |λ| ≤1, akkor λ.x∈A.
– Azt mondjuk, hogy az A ⊆ E halmaz elnyeli a B ⊆ E halmazt, ha létezik olyan α ∈ R+, hogy minden λ ∈ K esetén, ha |λ| ≥ α, akkor B ⊆ λ.A. Azt mondjuk, hogy az A⊆E halmaz elnyelő, ha A elnyeli az E minden egy elemű részhalmazát; tehát, ha minden E ∋ x-hez van olyan α ∈ R+, hogy minden λ ∈ K esetén, ha |λ| ≥ α, akkor x∈λ.A.
Megjegyzések. Legyen E vektortér Kfelett.
1) Könnyen látható, hogy ha A ⊆ E tetszőleges halmaz, akkor a B1(0;K).A halmaz kiegyensúlyozott, tartalmazza A-t, és részhalmaza az E minden olyan kiegyensúlyozott részhalmazának, amely az A halmazt tartalmazza. Ha A ⊆ E, akkor a B1(0;K).A hal- mazt az A kiegyensúlyozott burkánaknevezzük, és az eq(A) szimbólummal jelöljük.
2) Topologikus vektortér kiegyensúlyozott részhalmazának a lezártja kiegyensúlyozott, mert ha A kiegyensúlyozott halmaz az E topologikus vektortérben, akkor B1(0;K).A⊆ B1(0;K).A=A.
3) Ha Akiegyensúlyozott halmaz E-ben, akkor −A=A, vagyis azA halmazszimmetri- kus. Azonban általában léteznek szimmetrikus, de nem kiegyensúlyozott halmazok.
4) Nyilvánvaló, hogy az E minden elnyelő részhalmazának eleme a 0 vektor. Továbbá,
az E minden olyan részhalmaza elnyelő, amely tartalmaz elnyelő halmazt.
5) Ha A ⊆ E kiegyensúlyozott halmaz és B ⊆ E, akkor az "A elnyeli B-t" kijelentés azzal ekvivalens, hogy "létezik olyan α ∈ R+, hogy B ⊆ α.A". Valóban, ha A elnyeli B-t, akkor legyen α ∈ R+ olyan, hogy minden λ ∈ K számra, |λ| ≥ α esetén B ⊆ λ.A;
ekkor az α ∈ R+ számra B ⊆ α.A teljesül. Megfordítva, legyen α ∈ R+ olyan, hogy B ⊆α.A. Ekkor λ ∈K és |λ| ≥ α esetén B ⊆ α.A=λ. α
λ.A ⊆λ.A, mert α λ
≤1 és A kiegyensúlyozott; tehát A elnyeli a B halmazt. Ebből az is látható, hogy az A ⊆ E kiegyensúlyozott halmaz pontosan akkor elnyelő, ha minden E ∋ x-hez létezik olyan α ∈R+, hogy x∈α.A.
6) Nyilvánvaló, hogy azE kiegyensúlyozott részhalmazai tetszőleges nem üres rendszeré- nek a metszete kiegyensúlyozott halmaz. Továbbá, az E elnyelő részhalmazai tetszőleges nem üres végesrendszerének a metszete elnyelő halmaz.
7) Ha A kiegyensúlyozott és elnyelő halmaz azE vektortérben, és(λn)n∈N olyan sorozat K-ban, amelyre sup
n∈N|λn| = +∞, akkor E = S
n∈Nλn.A. Legyen ugyanis x ∈ E rögzített.
Az A halmaz elnyelő, ezért van olyan λ ∈ K, hogy x ∈ λ.A. A sup
n∈N|λn| = +∞ feltétel alapján van olyan n ∈ N, hogy |λn| ≥ |λ|. Ekkor az A halmaz kiegyensúlyozottsága és
λ
λn
≤1miatt x∈λ.A=λn. λ λn
.A⊆λn.A.
1.1.3. Tétel. Legyen E vektortér. Ha T lineáris topológia E felett és B a 0 vektornak környezetbázisa a T topológia szerint, akkor B-re teljesülnek a következők.
(EVI) Minden V ∈B halmaz elnyelő, és V-hez létezik olyan W ∈B, hogy eq(W)⊆V. (EVII)Minden B∋V-hez és K\ {0} ∋λ-hoz létezik olyan W ∈B, hogy W ⊆λ.V. (EVIII) Minden V ∈B halmazhoz létezik olyan W ∈B, hogy W +W ⊆V.
Megfordítva, ha B olyan rács, amelynek minden V elemére V ⊆ E, továbbá B-re teljesülnek az (EVI), (EVII)és(EVIII)tulajdonságok, akkor létezik E felett egyetlen olyan T lineáris topológia, amelyre B a 0-nak környezetbázisa T szerint.
Bizonyítás. (I) Legyen T lineáris topológia E felett ésB a0 vektornak környezetbázisa T szerint.
Legyen V környezete 0-nakT szerint ésx∈E. Az(EVTII)alapján a K→E; λ7→λ.x leképezés folytonos a 0-ban a EK és T topológiák szerint, és a 0-hoz 0-t rendel, ezért a V-hez létezik olyan δ ∈ R+, hogy Bδ(0;K).x ⊆ V. Világos, hogy ekkor 1
δ ∈ R+ olyan, hogy minden λ∈K esetén, ha |λ| ≥ 1
δ, akkor x∈ λ.V, tehát V elnyeli az {x} halmazt.
Legyen V környezete 0-nakT szerint. Az(EVTII) alapján aK×E →E; (λ, x)7→λ.x
leképezés a (0,0) pontban folytonos az EK × T és T topológiák szerint, valamint ehhez a 0-t rendeli, ezért létezik olyan δ ∈ R+ és a 0-nak olyan U környezete T szerint, hogy Bδ(0;K).U ⊆ V. Nyilvánvaló, hogy Bδ(0;K).U kiegyensúlyozott halmaz E-ben, és tartalmazza δ.U-t, így környezete a 0-nak T szerint. Ugyanakkor B a 0-nak környezetbázisa T szerint, így van olyan W ∈ B, hogy W ⊆ δ.U; ekkor eq(W) ⊆ eq(δ.U) ⊆ eq(Bδ(0;K).U) = Bδ(0;K).U ⊆ V. Ezzel megmutattuk, hogy B-re (EVI) teljesül.
Legyen V környezete 0-nak T szerint és λ ∈ K \ {0}. Az (EVTII) alapján az E → E; x 7→ λ−1.x leképezés folytonos (lineáris operátor) a T topológia szerint, és a 0-hoz 0-t rendel, így a V-hez létezik a 0-nak olyan U környezete, amelyre λ−1.U ⊆V, vagyis U ⊆ λ.V. Ugyanakkor B a 0-nak környezetbázisa T szerint, így van olyan W ∈B, hogy W ⊆U; ekkor W ⊆λ.V. Ezzel igazoltuk, hogy B-re(EVII) teljesül.
LegyenV környezete0-nakT szerint. Az(EVTI)alapján azE×E →E; (x, y)7→x+y leképezés folytonos a (0,0)pontban a T ×T ésT topológia szerint, és a (0,0)-hoz0-t rendel, így léteznek a0-nak olyanU1ésU2 környezeteiT -szerint, amelyekreU1+U2 ⊆V. Ekkor U1∩U2 a0-nak környezeteT szerint, ésBa0-nak környezetbázisa T szerint, így van olyanW ∈B, hogyW ⊆U1∩U2; ekkorW+W ⊆U1+U2 ⊆V. Ezzel megmutattuk, hogy B-re(EVIII) teljesül.
(II) Legyen Bolyan rács, amelynek minden V elemére V ⊆E, továbbáB-re teljesülnek az (EVI), (EVII) és(EVIII) tulajdonságok. Értelmezzük a
T :={ Ω∈P(E)| (∀ x∈Ω)(∃ V ∈B) :x+V ⊆Ω }
halmazt; megmutatjuk, hogy T olyan lineáris topológia E felett, amely szerint B a 0- nak környezetbázisa.
Nyilvánvaló, hogy E ∈ T , tehát T -re (OI) teljesül. Legyen (Ωi)i∈I nem üres véges rendszer T -ben, és x ∈ T
i∈IΩi. Ekkor van olyan (Vi)i∈I rendszer, amelyre minden i ∈ I esetén Vi ∈Bésx+Vi ⊆Ωi. ABhalmaz rács, ezért van olyan V ∈B, hogyV ⊆ T
i∈IVi. Ekkor x +V ⊆ T
i∈IΩi, következésképpen T
i∈IΩi ∈ T , vagyis T -re (OII) teljesül. Ha (Ωi)i∈I tetszőleges rendszer T -ben és x ∈ S
i∈IΩi, akkor van olyan j ∈ I, hogy x ∈ Ωj, így létezik olyan V ∈B, hogy x+V ⊆Ωj ⊆ S
i∈IΩi; tehát S
i∈IΩi ∈T , vagyis T -re(OIII) teljesül. Ez azt jelenti, hogy T topológiaE felett. (Látható, hogy ennek bizonyításához nem használtuk fel az (EVI), (EVII) és (EVIII) tulajdonságok egyikét sem; csak az volt lényeges, hogy Bolyan rács, amelynek minden V elemére V ⊆E.)
Bebizonyítjuk, hogy a B halmaz környezetbázisa 0-nak a T topológia szerint. Ehhez azt kell igazolni, hogy minden V ∈ B halmaz a 0-nak könyezete a T topológia szerint, valamint a 0 vektor T topológia szerinti bármely U környezetéhez van olyan V ∈ B, hogy V ⊆U.
Legyen V ∈ B rögzített, és értelmezzük az Ω := {x ∈ E|(∃ U ∈ B) : x +U ⊆ V} halmazt. Ha x ∈ Ω és U ∈ B olyan, hogy x+U ⊆ V, akkor x = x+ 0 ∈ x+U ⊆ V, mert az (EVI) szerint U elnyelő halmaz, tehát 0 ∈ U. Ez azt jelenti, hogy Ω ⊆ V. Továbbá, Ω ∈ T, mert ha x ∈ Ω és U ∈ B olyan halmaz, hogy x+U ⊆ V, akkor az (EVIII) alapján létezik olyan W ∈ B, hogy W +W ⊆ U, és ekkor x+W ⊆ Ω, hiszen minden x+W ∋ y-ra y+W ⊆ (x+W) +W = x+ (W +W) ⊆ x+U ⊆ V. Ezért Ω ∈ T, és nyilvánvaló, hogy 0 ∈Ω, tehát V a 0-nak környezete a T topológia szerint.
Megfordítva, ha U a 0-nak környezete a T topológia szerint, akkor létezik olyan Ω ∈ T , hogy 0 ∈ Ω ⊆ U, tehát a T definíciója alapján van olyan V ∈ B, amelyre V = 0 + V ⊆ Ω ⊆ U. Ezzel megmutattuk, hogy B a 0-nak környezetbázisa a T topológia szerint.
Megmutatjuk, hogy ha x ∈ E és Ω ∈ T, akkor x+ Ω ∈ T . Valóban, ha y ∈ x+ Ω tetszőleges, akkor y−x ∈ Ω, tehát van olyan V ∈ B, amelyre (y −x) + V ⊆ Ω, így y +V ⊆ x+ Ω. Ez azt jelenti, hogy x ∈ E esetén az E → E; y 7→ x+y leképezés homeomorfizmus a T topológia szerint, tehát minden E ∋ x-re az {x+V|V ∈ B} halmaz környezetbázisa x-nek a T topológia szerint. Azt kell még igazolni, hogy T lineáris topológia E felett.
Legyen (x0, y0) ∈E ×E és V ∈ B rögzített. Az (EVIII) alapján létezik olyan W ∈B, hogy W +W ⊆V. Ekkor x0 +W azx0-nak ésy0+W azy0-nak környezeteT szerint, és
(x0+W) + (y0+W) = (x0 +y0) + (W +W)⊆(x0+y0) +V.
Ez azt jelenti, hogy azE×E →E; (x, y)7→x+yfüggvény a (tetszőleges)(x0, y0)∈E×E pontban folytonos a T ×T ésT topológiák szerint.
Legyen (λ0, x0)∈K×E és V ∈B rögzített. Az (EVIII) alapján létezik olyan W′ ∈B, hogy W′ + W′ ⊆ V. A W′-höz ismét az (EVIII) alapján létezik olyan W ∈ B, hogy W +W ⊆ W′. Ekkor teljesül az, hogy W +W +W = W +W +W + 0 ⊆ (W +W) + (W +W) ⊆ W′ +W′ ⊆ V, mert 0 ∈ W. Ha λ0 6= 0, akkor az (EVII)-t alkalmazva λ−01-re és W-re kapjuk olyanU′ ∈Bhalmaz létezését, amelyre U′ ⊆λ−01.W, vagyis λ0.U′ ⊆ W. Ha λ0 = 0, akkor bármely U′ ∈ B halmazra λ0.U′ = {0} ⊆ W. Vehetünk tehát olyan U′ ∈ Bhalmazt, amelyre λ0.U′ ⊆W. Az (EVI)alapján W elnyeli az x0 pontot, tehát létezik olyan α ∈ R+, hogy minden K ∋ λ-ra, ha |λ| ≥ α, akkor x0 ∈ λ.W. Legyen r := min(1,1/α). Ekkor r ∈]0,1] olyan valós szám, hogy minden K ∋ λ-ra, ha |λ| ≤ r, akkor λ.x0 ∈ W, vagyis Br(0;K).x0 ⊆ W. Végül, az (EVI) alapján van olyan U′′ ∈ B, hogy B1(0;K).U′′ ⊆ W. A B halmaz rács, ezért vehetünk olyan U ∈ B halmazt, hogy U ⊆ U′ ∩U′′. Ekkor (λ, x) ∈ Br(λ0;K)×(x0 +U) esetén
|λ−λ0| ≤r≤1 ésx−x0 ∈U ⊆U′∩U′′, tehát
λ.x =λ0.x0 + (λ−λ0).x0+λ0.(x−x0) + (λ−λ0).(x−x0)∈
∈λ0.x0 +Br(0;K).x0+λ0.U′+B1(0;K).U′′ ⊆λ0.x0+W +W+W ⊆λ0.x0+V, ami azt jelenti, hogy a K×E → E; (λ, x) 7→ λ.x leképezés folytonos a (tetszőleges) (λ0, x0)∈K×E pontban a EK×T és T topológiák szerint.
Tehát T olyan lineáris topológiaE felett, amely szerint Ba 0-nak környezetbázisa. Ha T ′ szintén olyan lineáris topológia E felett, amely szerint B a 0-nak környezetbázisa, akkor a 0 vektor környezetei a T és T′ topológiák szerint megegyeznek, ezért a T és T ′ linearitása folytán T =T′.
Megjegyezzük, hogy ha E vektortér és B olyan rács, amelynek minden V elemére V ⊆ E, és V kiegyensúlyozott, akkor az (EVI) feltétel nyilvánvalóan azzal ekvivalens, hogy aB minden eleme elnyelő halmaz. Speciálisan, haBolyan rács, amelynek minden V elemére V ⊆E, és V kiegyensúlyozott és elnyelő, akkor az (EVII)és(EVIII) feltételek együttes teljesülése szükséges és elégséges olyanE feletti lineáris topológia egyértelműen létezéséhez, amely szerint Ba 0-nak környezetbázisa.
Példák (lineáris topológiákra).
1) Ha E vektortér, akkor az E feletti antidiszkrét topológia nyilvánvalóan lineáris, mert bármely topologikus térből antidiszkrét térbe érkező bármely függvény folytonos. Ezzel szemben vektortér felett a diszkrét topológia csak akkor lineáris, ha a tér nulla dimenziós, hiszen ha a {0} halmaz környezete a 0-nak, akkor {0} elnyelő és kiegyensúlyozott, így minden x∈E vektorhoz van olyan α∈R+, amelyre x∈α.{0}={0}.
2) Legyen E vektortér és pfélnorma E felett. Ekkor a
dp :E×E →R+; (x, y)7→p(x−y)
leképezés félmetrika E felett, és könnyen látható, hogy a dp által generált Td
p topológia lineáris, mert ha x, y, x′, y′ ∈E és λ, λ′ ∈K, akkor
p((x′ +y′)−(x+y)) =p((x′−x) + (y′−y))≤p(x′−x) +p(y′ −y), p(λ′.x′−λ.x)≤ |λ′−λ|p(x) +|λ|p(x′−x) +|λ′−λ|p(x′−x),
és ezekből az egyenlőtlenségekből következik (EVTI) és (EVTII). A jelölések egysze- rűsítése céljából a Td
p topológiát Tp-vel jelöljük. Ha R ⊆ R+ tetszőleges olyan nem üres halmaz, amelyre inf(R) = 0, akkor a {Br(0;dp)|r ∈ R} halmaz környezetbázisa a 0-nak a Tp topológia szerint, tehát erre a halmazra teljesülnek az (EVI), (EVII) és (EVIII) tulajdonságok. Azt mondjuk, hogy az E vektortér feletti T lineáris topológia félnormálható, ha létezik olyan pfélnormaE felett, amelyreT =Tp. Az mondjuk, hogy az E vektortér feletti T lineáris topológia normálható, ha létezik olyan k · k norma E felett, amelyre T =Tk·k.
3) Legyen (T,R, θ) mértéktér, F normált tér és p ∈]0,1[ tetszőleges valós szám.
Értelmezzük az Fp
F(T,R, θ) :=
f ∈F(T;F)
Z
T
∗kfkp d|θ|<+∞
függvényhalmazt, továbbá legyen
dθ,p :FFp(T,R, θ)×FFp(T,R, θ)→R+; (f, g)7→
Z
T
∗kf−gkp d|θ|.
(Vigyázzunk arra, hogy itt nem veszünk 1/p-edik hatványt!) EkkorFp
F(T,R, θ)lineáris altere a F(T;F) függvénytérnek, és dθ,p olyan félmetrika FFp(T,R, θ) felett, amely lineáris topológiát generál.
1.1.4. Állítás. Minden topologikus vektortér reguláris topologikus tér.
Bizonyítás. Legyen E topologikus vektortér, x ∈ E és V környezete x-nek. Azt kell igazolni, hogy létezik x-nek olyan zárt környezete, amely részhalmaza V-nek. Ehhez vegyük a 0-nak olyan U környezetét, hogy x +U ⊆ V, és legyen W a 0-nak olyan környezete, amelyre W −W ⊆ U. Megmutatjuk, hogy x+W ⊆ V. Valóban, ha z ∈ x+W, akkor(z+W)∩(x+W)6=∅, mertz+W az-nek környezete; tehát léteznek olyan x′, z′ ∈W pontok, hogyz+z′ =x+x′, vagyisz =x+(x′−z′)∈x+(W−W)⊆x+U ⊆V. Ez azt jelenti, hogy x+W olyan zárt környezete x-nek, hogy x+W ⊆V.
1.1.5. Következmény. HaE topologikus vektortér ésBa0-nak környezetbázisaE-ben, akkor T
V∈BV ={0}.
Bizonyítás. Ha V ∈B, akkor az előző állítás szerint van olyanW zárt környezete 0-nak, hogy W ⊆V; ekkor {0} ⊆W =W ⊆V. Ebből következik, hogy {0} ⊆ T
V∈B
V.
Legyen x∈E \ {0}; ekkor van olyan W ∈B, hogy 0∈/ x+W. A W ∩(−W) halmaz a 0-nak környezete, tehát van olyanV ∈B, hogyV ⊆W∩(−W). Ekkor0∈x−V esetén
−V ⊆W miatt 0∈x+W teljesülne, ami lehetetlen. Ezért 0∈/ x−V, így x /∈ V ∈B.
Ez azt jelenti, hogy T
V∈BV ⊆ {0}.
1.1.6. Tétel. (Topologikus vektortér szeparáltságának jellemzése) HaE topolo- gikus vektortér, akkor a következő állítások ekvivalensek.
(i) Az E topologikus tér Hausdorff-tér (vagyis E szeparált topologikus vektortér).
(ii) Az E topologikus tér T1-tér.
(iii) Az E topologikus tér T0-tér.
(iv) A {0} halmaz zárt E-ben.
(v) A 0 minden B környezetbázisára E-ben T
V∈BV ={0}. (v)′ A 0-nak létezik olyan B környezetbázisa E-ben, amelyre T
V∈BV ={0}.
Bizonyítás. Nyilvánvaló, hogy (i)⇒(ii) és (ii)⇒(iii) teljesül (tetszőleges E topologikus térre).
(iii)⇒(iv) Tegyük fel, hogy az E topologikus tér T0-tér, és legyen x ∈ E\ {0}. Ekkor x 6= 0, ezért létezik x-nek olyan V környezete, hogy 0 ∈/ V, vagy létezik 0-nak olyan V környezete, hogy x /∈ V. Az első esetben V ⊆ E \ {0}, vagyis x belső pontja az E \ {0} halmaznak. A második esetben vegyük a 0-nak olyan W környezetét, amely szimmetrikus és W ⊆V. Ekkor x+W olyan környezete x-nek, hogy x+W ⊆E\ {0}, mert ha 0 ∈ x+W teljesülne, akkor létezne olyan y ∈ W, hogy 0 = x +y, vagyis x = −y ∈ −W =W ⊆V, holott x /∈ V. Tehát a második esetben is belső pontja x az E\ {0} halmaznak. Ez azt jelenti, hogy E\ {0} nyílt halmaz, vagyis (iv) teljesül.
(iv)⇒(v) Az előző következmény alapján a 0minden B környezetbázisára T
V∈BV ={0}, tehát, ha (iv) teljesül, akkor T
V∈BV ={0}. (v)⇒(v)′ Nyilvánvaló.
(v)′ ⇒(i) Legyenek x, y ∈ E és x 6= y. Rögzítsük a 0-nak olyan B környezetbázisát, amelyre T
V∈BV = {0}. A feltevés szerint y − x 6= 0, ezért van olyan V ∈ B, hogy y−x /∈ V. Legyen W olyan környezete a 0-nak, amelyre W −W ⊆ V. Ekkor x+W és y+W diszjunkt halmazok, mert ha (x+W)∩(y+W) 6= ∅, akkor léteznek olyan x′, y′ ∈ W vektorok, hogy x+x′ = y+y′, vagyis y −x = x′ − y′ ∈ W − W ⊆ V, holott y−x /∈V. Tehátx+W olyan környezete x-nek ésy+W olyan környezete y-nak, amelyek nem metszik egymást, így E Hausdorff-tér.
1.2. A legnagyobb lineáris topológia jellemzése
Ha E vektortér és V ⊆ E, akkor a (Vn)n∈N halmazsorozatot iterációval értelmezzük úgy, hogy V0 := {0}, és minden N ∋ n-re n+1V = Vn +V; tehát V1 = V, V2 = V +V, V3 =V +V +V, s.í.t.
1.2.1. Állítás. Ha E topologikus vektortér, akkor minden N ∋ n-hez és a 0 minden V környezetéhez létezik a 0-nak olyan W zárt és kiegyensúlyozott környezete, amelyre Wn ⊆V.
Bizonyítás. Az állítást teljes indukcióval bizonyítjuk. Han = 0 ésV a0-nak környezete, akkor bármely W ⊆ E halmazra (például a W :=E zárt és kiegyensúlyozott halmazra is) W0 :={0} ⊆V.
Ha V a 0-nak környezete, akkor az E regularitása folytán létezik a 0-nak olyan V′ zárt környezete, hogy V′ ⊆ V. Az (EVI) alapján a 0-nak létezik olyan U környezete, hogy eq(U) = B1(0;K).U ⊆ V′. Ha W jelöli az eq(U) kiegyensúlyozott halmaz lezártját, akkor W olyan zárt és kiegyensúlyozott környezete 0-nak, hogy W1 :=W ⊆U, tehát az állítás igaz, az n= 1 esetben.
Tegyük fel, hogyn ∈N+olyan, amelyre teljesül az állítás, és legyen V a0-nak tetszőleges környezete. Az (EVIII) alapján a 0-nak létezik olyan V1 környezete, hogy V1+V1 ⊆ V. Az indukciós hipotézist alkalmazva V1-re kapjuk, hogy a 0-nak létezik olyan V2 zárt és kiegyensúlyozott környezete, amelyre Vn2 ⊆ V1. Most ismét az indukciós hipotézist alkalmazzuk aV1∩V2környezetre; tehát vesszük a0-nak olyanW zárt és kiegyensúlyozott környezetét, amelyre Wn ⊆ V1 ∩ V2. Ekkor W ⊆ V2 miatt Wn ⊆ Vn2 ⊆ V1, továbbá W ⊆nW−1+W =:Wn ⊆V1, ígyn+1W :=Wn +W ⊆V1+V1 ⊆V.
1.2.2. Lemma. Legyen E vektortér és V ⊆ E. Akkor és csak akkor létezik olyan E feletti lineáris topológia, amely szerint V a 0-nak környezete, ha létezik az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan (Wn)n∈N sorozata, hogyW0+W0 ⊆V és minden N∋n-re Wn+1+Wn+1 ⊆Wn.
Bizonyítás. (I) Legyen V a0-nak környezete azE feletti T lineáris topológia szerint. A kiválasztási axiómával kombinált rekurzió-tétel alkalmazásával igazoljuk, hogy létezik a 0 vektor T topológia szerinti kiegyensúlyozott környezeteinek olyan (Wn)n∈N sorozata, hogy W0 +W0 ⊆V és minden N∋n-reWn+1+Wn+1 ⊆Wn.
A 0 vektor T topológia szerinti környezetszűrőjére (EVI) és (EVIII) teljesül, ezért van olyanW0kiegyensúlyozott környezete0-nak, hogyW0+W0 ⊆V. Tegyük fel, hogyn∈N és(Wk)0≤k≤n a0kiegyensúlyozott környezeteinek olyan rendszere, hogy W0+W0 ⊆V és minden k < ntermészetes számraWk+1+Wk+1⊆Wk. AWnhalmaz a 0-nak környezete aT lineáris topológia szerint, ezért van olyanWn+1kiegyensúlyozott környezete a0-nak, hogyWn+1+Wn+1 ⊆Wn. Ekkor(Wk)0≤k≤n+1 a0kiegyensúlyozott környezeteinek olyan rendszere, hogyW0+W0 ⊆V és mindenk < n+1természetes számraWk+1+Wk+1 ⊆Wk. Ezért létezik a 0 vektor T topológia szerinti kiegyensúlyozott környezeteinek olyan (Wn)n∈N sorozata, hogy W0+W0 ⊆ V és minden N ∋n-re Wn+1 +Wn+1 ⊆ Wn; ekkor minden N ∋ n-re a Wn halmaz elnyelő, tehát a (Wn)n∈N halmazsorozat eleget tesz a követelményeknek.
(II) Legyen (Wn)n∈N az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan sorozata, hogy W0 +W0 ⊆V és minden N∋n-reWn+1+Wn+1 ⊆Wn. Vegyünk egy K\ {0}-ban
haladó (λm)m∈N zérussorozatot, és legyen
B:={λm.Wn |(m, n)∈N×N}.
AB(megszámlálható) halmaz minden eleme0-t tartalmazó részhalmazaE-nek, továbbá B rács is, mert ha (m, n),(m′, n′) ∈ N × N és (k, p) ∈ N × N olyan pár, hogy
|λk| ≤min(|λm|,|λm′|)és p≥max(n, n′), akkor λk.Wp ⊆(λk.Wn)∩(λk.Wn′) = λm. λk
λm
.Wn ∩ λm′. λk
λm′
.Wn′ ⊆
⊆(λm.Wn)∩(λm′.Wn′),
hiszen a (Wi)i∈N halmazsorozat monoton fogyó és mindegyik tagja kiegyensúlyozott hal- maz.
A B halmazra teljesülnek az (EVI), (EVII) és (EVIII) tulajdonságok. Valóban, a B minden eleme kiegyensúlyozott és elnyelő halmaz, ezért B-re (EVI) igaz. Ha m, n ∈ N és λ ∈ K\ {0}, akkor lim
k→∞λk = 0 miatt van olyan k ∈ N, hogy |λk| ≤ |λλm|, tehát a λk.Wn∈B halmazra
λk.Wn = (λλm). λk
λλm
.Wn⊆(λλm).Wn=λ.(λm.Wn),
hiszen Wnkiegyensúlyozott halmaz. Ezért B-re(EVII) is teljesül. Ham, n∈N, akkor a λm.Wn+1 ∈Bhalmazra
λm.Wn+1+λm.Wn+1 =λm.(Wn+1+Wn+1)⊆λm.Wn
teljesül, így B-re (EVIII) is igaz. Tehát 1.1.3. alapján egyértelműen létezik olyan E feletti T lineáris topológia, amely szerint B a 0-nak környezetbázisa. Továbbá, W0 =W0+{0} ⊆W0+W0 ⊆V ésλ0.W0 ∈B, ígyλ0 6= 0 miatt W0 a0-nak környezete T szerint. Ezért a V halmaz is környezete a 0-nakT szerint.
1.2.3. Állítás. Ha E vektortér, akkor létezik E felett legnagyobb lineáris topológia, és ha B jelöli azon V ⊆E halmazok halmazát, amelyekhez létezik az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan (Wn)n∈N sorozata, hogyW0+W0 ⊆V és minden N∋n-re Wn+1 +Wn+1 ⊆ Wn, akkor B a 0-nak környezetszűrője a legnagyobb E feletti lineáris topológia szerint.
Bizonyítás. A Bhalmaz olyan rács, amelynek minden eleme 0-t tartalmazó részhalmaza E-nek. Valóban, ha V, V′ ∈ B és (Wn)n∈N, valamint (Wn′)n∈N az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan sorozata, hogy W0+W0 ⊆V, W0′ +W0′ ⊆ V′ és minden N ∋n-reWn+1+Wn+1 ⊆ Wn, Wn+1′ +Wn+1′ ⊆Wn′, akkor a kiegyensúlyozott és elnyelő halmazokból álló(Wn∩Wn′)n∈Nhalmazsorozatra teljesül az, hogy(W0∩W0′)+(W0∩W0′)⊆
V ∩V′, valamint minden N ∋ n-re (Wn+1 ∩Wn+1′ ) + (Wn+1 ∩Wn+1′ ) ⊆ Wn∩Wn′, így V ∩V′ ∈B.
A definíció alapján triviális, hogy V ∈B és V ⊆V′ ⊆E esetén V′ ∈ B, ezért B szűrő E felett.
Ha V ∈Bés (Wn)n∈Naz E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan sorozata, hogy W0 +W0 ⊆ V és minden N ∋ n-re Wn+1 +Wn+1 ⊆ Wn, akkor minden m ∈ N esetén Wm ∈B, hiszen (Wm+n+1)n∈N az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan sorozata, hogy Wm+1 +Wm+1 ⊆ Wm és minden N ∋ n-re Wm+n+2 +Wm+n+2 ⊆ Wm+n+1, tehát Wm ∈ B. Ebből bebizonyítjuk, hogy B-re az (EVI), (EVII) és (EVIII) tulajdonságok teljesülnek.
Legyen V ∈ B, és (Wn)n∈N az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan sorozata, hogy W0 + W0 ⊆ V és minden N ∋ n-re Wn+1 + Wn+1 ⊆ Wn. Ekkor W0 ⊆ V és W0 elnyelő, így V is elnyelő, továbbá W0 ∈ B és W0 kiegyensúlyozott, így B-re (EVI) teljesül. Ha λ ∈ K\ {0}, akkor (λ.Wn)n∈N az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan sorozata, hogy λ.W0 +λ.W0 ⊆ λ.V és minden N ∋ n- re λ.Wn+1 + λ.Wn+1 ⊆ λ.Wn, tehát λ.V ∈ B, vagyis B-re (EVII) teljesül. Végül, W0+W0 ⊆V és W0 ∈B, tehát B-re(EVIII) is teljesül.
Jelölje T azt az E feletti lineáris topológiát, amely szerint B a 0-nak környezetbázisa (valójában akörnyezetszűrője). HaT′ lineáris topológiaEfelett ésV a0-nak környezete T ′ szerint, akkor az előző lemma alapján létezik az E kiegyensúlyozott és elnyelő részhalmazainak olyan (Wn)n∈N sorozata, hogy W0 +W0 ⊆ V és minden N ∋ n-re Wn+1+Wn+1 ⊆Wn, ígyV ∈B, vagyisV a 0-nak környezete T szerint. Ez azt jelenti, hogy T minden E feletti lineáris topológiánál nagyobb-egyenlő.
Később meg fogjuk mutatni, hogy ha E vektortér, akkor az E feletti legnagyobb lineáris topológia Hausdorff-topológia, mert nagyobb-egyenlő a legnagyobb E feletti lokálisan konvex topológiánál, amely Hausdorff-topológia (4.1.3.).
1.3. Lineáris operátor és lineáris funkcionál folytonossága
1.3.1. Állítás. Legyenek E és F topologikus vektorterek, valamint u : E → F lineáris operátor. A következő állítások ekvivalensek.
(i) u folytonos.
(ii) u folytonos a 0 pontban.
(iii) Létezik olyan x∈E, hogy u folytonos az x pontban.
Bizonyítás. Világos, hogy (i)⇒(ii) és (ii)⇒(iii) teljesül (tetszőleges E és F topologikus terekre). A (iii)⇒(i) bizonyításához legyen x0 ∈E olyan pont, amelyben ufolytonos, és
legyen x ∈ E tetszőleges. Vegyük az u(x) ∈ F vektornak tetszőleges V környezetét, és legyen W olyan környezete a 0-nak F-ben, amelyre u(x) +W ⊆ V. Ekkor u(x0) +W környezete u(x0)-nak F-ben, tehát az u függvény x0 pontbeli folytonossága miatt van olyan U′ környezete az x0-nak E-ben, hogy uhU′i ⊆u(x0) +W. Ha U olyan környezete a 0-nak E-ben, hogy x0 + U ⊆ U′, akkor uhx + Ui = u(x − x0) + uhx0 + Ui ⊆ u(x−x0) +uhU′i ⊆u(x−x0) +u(x0) +W =u(x) +W, így ufolytonos azxpontban.
1.3.2. Jelölés. Legyenek E és F topologikus vektorterek. Az E → F folytonos lineáris operátorok halmazát L(E;F)jelöli. Az E →Kfolytonos lineáris funkcionálok halmazát E′ jelöli, és E′-t az E topologikus duálisának nevezzük.
Megjegyezzük, hogy ha E és F topologikus vektorterek, akkor L(E;F) lineáris altere az F(E;F) függvénytérnek. Valóban, ha s : F × F → F az összeadás- függvény, akkor az F-re vonatkozó (EVTI)szerint sa szorzattopológia szerint folytonos, továbbá u, v ∈ L(E;F) esetén az (u, v) : E → F ×F; x 7→ (u(x), v(x)) függvény is folytonos, hiszen a komponens-függvényei folytonosak, valamint u+v =s◦(u, v), ezért u+v ∈L(E;F). Továbbá, haλ ∈Késhλ :F →F; y7→λ.y, akkor azF-re vonatkozó (EVTII) szerint hλ ∈L(F;F), ezért minden u∈L(E;F)esetén λ.u=hλ◦u folytonos lineáris operátor.
Emlékeztetünk arra, hogy haE vektortér Kfelett, akkor E∗ jelöli azE →Klineáris funkcionálok vektorterét, tehát, ha E topologikus vektortér, akkor E′ ⊆ E∗; és itt még Banach-terek esetében sincs általában egyenlőség.
1.3.3. Állítás. (Lineáris funkcionál folytonosságának jellemzése) HaE topologi- kus vektortér és u∈E∗, akkor a következő állítások ekvivalensek.
(i) u∈E′.
(ii) Ker(u) zárt lineáris altér E-ben.
(iii) Létezik a 0-nak olyan V környezete E-ben, amelyre uhVi korlátos halmaz K-ban.
Bizonyítás. (i)⇒(ii) Ha ufolytonos, akkor a {0} ⊆Kzárt halmazuáltal létesített inverz képe, vagyis Ker(u)szükségképpen zárt.
(ii)⇒(iii) Tegyük fel, hogy Ker(u) zárt és u 6= 0. Ekkor E \ Ker(u) nem üres nyílt halmaz, tehát, ha x ∈ E \ Ker(u) rögzített pont, akkor létezik a 0-nak olyan V kiegyensúlyozott környezete, hogy x+V ⊆ E \Ker(u), vagyis (x+V)∩Ker(u) = ∅. Állítjuk, hogy ha x és V ilyen tulajdonságú objektumok, akkor uhVi korlátos halmaz K-ban. Az állítással ellentétben tegyük fel, hogy uhVi nem korlátos K-ban. Ekkor λ ∈ K esetén van olyan y ∈ V, hogy |λ| < |u(y)|, tehát a V kiegyensúlyozottsága folytán λ
u(y).y ∈ V és u λ
u(y).y = λ. Tehát az indirekt feltevésből következik, hogy uhVi=K. Ezért a−u(x)∈Kszámhoz is van olyany∈V, amelyreu(y) =−u(x), vagyis x+y ∈(x+V)∩Ker(u), ami ellentmond annak, hogy (x+V)∩Ker(u) =∅. (iii)⇒(i)
