Folgenraum

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Ein Folgenraum ist ein in der Mathematik betrachteter Vektorraum, dessen Elemente Zahlenfolgen sind. Viele in der Funktionalanalysis auftretende Vektorräume sind Folgenräume oder können durch solche repräsentiert werden. Zu den Beispielen zählen u.a. die wichtigen Räume wie \ell^\infty aller beschränkten Folgen oder c_0 aller gegen 0 konvergenten Folgen. Die Folgenräume bieten vielfältige Möglichkeiten zur Konstruktion von Beispielen und können daher auch als eine Spielwiese für Funktionalanalytiker betrachtet werden.

Einführung[Bearbeiten]

Mit \omega wird der Vektorraum aller Folgen in \mathbb K (= \mathbb R oder \mathbb C) bezeichnet. Folgen können komponentenweise addiert und mit reellen bzw. komplexen Zahlen multipliziert werden. Sind etwa (x_n)_n = (x_1,x_2,x_3,\ldots) und (y_n)_n = (y_1,y_2,y_3,\ldots) solche Folgen und ist \alpha\in {\mathbb K}, so ist

(x_n)_n + (y_n)_n := (x_n+y_n)_n = (x_1+y_1,x_2+y_2,x_3+y_3,\ldots)
\alpha \cdot (x_n)_n := (\alpha x_n)_n = (\alpha x_1, \alpha x_2, \alpha x_3, \ldots).

Es ist klar, dass \omega mit diesen Operationen ein \mathbb K-Vektorraum ist. Folgenräume sind Unterräume dieses Vektorraums, die, um eine Mindestreichhaltigkeit zu sichern, alle Folgen e^{(n)}, die an der n-ten Stelle 1 und sonst überall 0 sind, enthalten.

Der kleinste Folgenraum ist damit der von den Folgen e^{(n)} erzeugte Unterraum. Dieser wird mit c_{00} bezeichnet und besteht aus allen Folgen, die nur an endlichen vielen Stellen von 0 verschieden sind. Man nennt ihn daher auch den Raum der endlichen Folgen, wobei man sich jede endliche Folge durch Nullen zu einer unendlichen Folge fortgesetzt denkt. Also sind Folgenräume Unterräume von \omega, die c_{00} enthalten.

Der Umstand, dass die Elemente eines Folgenraums Folgen sind, die man als Elemente eines Vektorraums auch einfach Punkte oder Vektoren nennt, kann zu Missverständnissen führen. Insbesondere wenn man Folgen in solchen Räumen betrachtet, hat man es mit Folgen von Folgen zu tun.

Im Folgenden werden Normen bzw. Systeme von Normen oder Halbnormen auf Folgenräumen definiert. Dadurch erhält man normierte Räume bzw. lokalkonvexe Räume.

c0 und c[Bearbeiten]

Die wohl bekanntesten Folgenräume sind der Raum c_0 aller gegen 0 konvergenten Folgen und der Raum c aller konvergenten Folgen. Betrachtet man auf diesen Räumen die Supremumsnorm, d. h. \|(x_n)_n\|_{\ell^\infty} := \sup_{n\in {\mathbb N}}|x_n|, so erhält man Banachräume. Der Raum c_0 ist ein Unterraum von c der Kodimension 1. Bezeichnet e die konstante Folge, die an jeder Stelle gleich 1 ist, so gilt c = c_0 \oplus {\mathbb K}\cdot e. Mit der komponentenweise erklärten Multiplikation sind c_0 und c Banachalgebren, sogar C*-Algebren. Weiter kann man zeigen, dass c_{00} in c_0 dicht liegt. Beide Räume sind damit separabel, denn die Menge aller endlichen Folgen mit Werten aus \mathbb Q bzw. {\mathbb Q}+i{\mathbb Q} ist abzählbar und dicht.

ℓ p [Bearbeiten]

Es sei \ell^\infty der Raum der beschränkten Folgen mit der Supremumsnorm. Für 0 < p < \infty sei

\ell^p := \{(x_n)_n \in \omega;\, \sum_{n=1}^\infty |x_n|^p < \infty \}.

Ist 0 < p < 1, so erhält man durch die Definition \textstyle d_p((x_n)_n, (y_n)_n) := \sum_{n=1}^\infty |x_n-y_n|^p eine Metrik, die \ell^p zu einem vollständigen topologischen Vektorraum macht, der kein normierter Raum ist. Für 1 \le p < \infty wird durch

\|(x_n)_n\|_{\ell^p} := \left( \sum_{n=1}^\infty |x_n|^p \right)^{\frac{1}{p}}

die p-Norm definiert (dazu benötigt man die Minkowski-Ungleichung), die \ell^p zu einem Banachraum macht. Der Unterraum c_{00} liegt dicht und es folgt die Separabilität von \ell^p für p<\infty. Der Raum \ell^\infty ist nicht separabel. Ist nämlich A\subset \mathbb N, so sei \chi_A die Folge, die an jeder Komponente aus A gleich 1 und sonst 0 ist. Dann haben die überabzählbar vielen Folgen \chi_A paarweise den \ell^\infty-Abstand 1 voneinander, weshalb \ell^\infty nicht separabel sein kann.

Die \ell^p-Räume sind ein Spezialfall der allgemeineren Lp-Räume, wenn man das Zählmaß auf dem Raum \mathbb N betrachtet.

Unter den \ell^p-Räumen befindet sich der Hilbertraum \ell^2; nach dem Satz von Fischer-Riesz ist das bis auf isometrische Isomorphie der einzige unendlich-dimensionale separable Hilbertraum. Alle \ell^p-Räume sind mit der komponentenweisen Multiplikation Banachalgebren, \ell^2 ist eine H*-Algebra, \ell^\infty eine C*-Algebra, sogar eine von-Neumann-Algebra.

Dualität[Bearbeiten]

Man sagt, der normierte Folgenraum E hat den normierten Folgenraum F als Dualraum, wenn folgendes gilt:

  1. Für alle (x_n)_n \in E und (y_n)_n\in F ist  \sum_{n=1}^\infty |x_n y_n| < \infty
  2. Jedes y=(y_n)_n definiert durch \phi_y((x_n)_n) := \sum_{n=1}^\infty x_n y_n ein stetiges lineares Funktional auf E.
  3. Die Abbildung \phi: F \rightarrow E\,', y\mapsto \phi_y ist surjektiv und isometrisch.

Da Isometrie Injektivität impliziert, ist \phi insbesondere ein isometrischer Isomorphismus.

In diesem Sinne liegen folgende Dualitäten vor:

  • c_0\,' = \ell^1, c\,' = \ell^1
  • \ell^1\,' = \ell^{\infty}
  • Ist 1 < p,q < \infty und \tfrac{1}{p}+\tfrac{1}{q} = 1, so ist \ell^p\,' = \ell^q.

Lokalkonvexe Räume[Bearbeiten]

Rein algebraisch hat man die Isomorphien \textstyle c_{00} \cong \bigoplus_{n=1}^\infty {\mathbb K} und \textstyle \omega \cong \prod_{n=1}^\infty {\mathbb K}. Damit kann man auf c_{00} die Summentopologie, das heißt die Finaltopologie aller Inklusionen {\mathbb K}^n \subset c_{00}, definieren, was diesen Raum zu einem (LF)-Raum macht. \omega wird durch die Produkttopologie, d.h. durch die Topologie der komponentenweisen Konvergenz, zu einem lokalkonvexen Raum.

Die oben definierte Dualität für normierte Folgenräume lässt sich auf lokalkonvexe Räume verallgemeinern, wenn man Punkt 3 durch die folgende Forderung ersetzt:

Dann gilt c_{00}' \,= \omega und \omega\,' = c_{00}.

Köthe-Räume[Bearbeiten]

Die folgende auf Gottfried Köthe zurückgehende Konstruktion von lokalkonvexen Folgenräumen bietet ein reichhaltiges Arsenal an Beispielen.

Unter einer Köthe-Matrix versteht man eine unendliche Matrix A = (a_{n,m})_{n,m} mit folgenden Eigenschaften:

  • a_{n,m} \ge 0 für alle Matrixelemente und zu jedem n gibt es ein m mit a_{n,m} > 0.
  • a_{n,m} \le a_{n,m+1} für alle Indizes n,m.

Mit diesen Daten werden nun die folgenden Räume definiert, wobei 1 \le p <\infty sei:

\lambda^p(A) := \{(x_n)_n \in \omega: \|(x_n)_n\|_m := (\sum_{n=1}^\infty |x_n\cdot a_{n,m}|^p)^\frac{1}{p} < \infty\,\,\forall  m\in{\mathbb N}\}

\lambda^\infty(A) := \{(x_n)_n \in \omega: \|(x_n)_n\|_m := \sup_{n\in{\mathbb N}}|x_n|\cdot a_{n,m} < \infty \,\,\forall m\in{\mathbb N}\}

c_0(A) := \{(x_n)_n \in \lambda^\infty: \lim_{n\to\infty} |x_n|\cdot a_{n,m} = 0 \,\,\forall m\in{\mathbb N}\}.

Diese Räume heißen die durch die Köthe-Matrix definierten Köthe-Räume (oder auch Köthesche Stufenräume), die Normen \|\cdot\|_m heißen die zugehörigen kanonischen Normen. Jeder dieser Räume wird mit dem System der kanonischen Normen ein lokalkonvexer Raum, sogar ein Fréchet-Raum.

Wählt man als Köthe-Matrix die Matrix I, die an jeder Komponente gleich 1 ist, so erhält man die oben definierten normierten Räume zurück: \lambda^p(I) = \ell^p, c_0(I) = c_0. Indem man Köthe-Matrizen wählt, deren Matrix-Elemente ein bestimmtes Wachstumsverhalten zeigen, kann man Beispiele für ganz andere Raumklassen konstruieren.

So gilt z.B.:

Für eine Köthe-Matrix A = (a_{n,m})_{n,m} sind folgende Aussagen äquivalent:

  • Für jedes p\in [1,\infty] ist \lambda^p(A) ein Montel-Raum.
  • c_0(A) ist eine Montel-Raum.
  • Zu jeder unendlichen Teilmenge N\subset \mathbb N und jedem m\in \mathbb N gibt es ein k\in \mathbb N, so dass \inf_{n\in N}\frac{a_{n,m}}{a_{n,k}} = 0.

Für eine Köthe-Matrix A = (a_{n,m})_{n,m} sind folgende Aussagen äquivalent:

  • Für jedes p\in [1,\infty] ist \lambda^p(A) ein Schwartz-Raum.
  • Zu jedem m\in \mathbb N gibt es ein k \ge m, so dass \lim_{n\to\infty}\frac{a_{n,m}}{a_{n,k}} = 0.

Für eine Köthe-Matrix A = (a_{n,m})_{n,m} sind folgende Aussagen äquivalent:

  • Für jedes p\in [1,\infty] ist \lambda^p(A) ein nuklearer Raum.
  • c_0(A) ist eine nuklearer Raum.
  • Zu jedem m\in \mathbb N gibt es ein k \ge m, so dass \sum_{n=1}^{\infty}\frac{a_{n,m}}{a_{n,k}} < \infty.

Als Anwendung dieser Aussagen kann man durch Wahl einer geeigneten Köthe-Matrix Beispiele für Montel-Räume konstruieren, die keine Schwartz-Räume sind. Derartige Beispiele sind sehr wichtig, um etwas Ordnung in den Zoo der lokalkonvexen Räume zu bringen.

Für die Matrix A=(n^m)_{n,m} nennt man s := \lambda^1(A) den Raum der schnell fallenden Folgen. Dieser Raum s spielt eine wichtige Rolle in der Theorie der nuklearen Räume, denn nach dem Satz von Kōmura-Kōmura ist dieser Raum ein Generator aller nuklearen Räume.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Klaus Floret, Joseph Wloka: Einführung in die Theorie der lokalkonvexen Räume. Springer, Berlin u. a. 1968, (Lecture Notes in Mathematics 56).
  • H. Jarchow: Locally Convex Spaces. Teubner, Stuttgart 1981, ISBN 3-519-02224-9, (Mathematische Leitfaden).
  • Reinhold Meise, Dietmar Vogt: Einführung in die Funktionalanalysis. Vieweg, Braunschweig u. a. 1992, ISBN 3-528-07262-8, (Vieweg-Studium. Aufbaukurs Mathematik 62), Inhalt.