Topologischer Vektorraum

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Ein topologischer Vektorraum ist ein Vektorraum, auf dem neben seiner algebraischen auch noch eine damit verträgliche topologische Struktur definiert ist.

Sei  K \in \{\R,\C \} . Ein K-Vektorraum E, der zugleich topologischer Raum ist, heißt topologischer Vektorraum, wenn folgende Verträglichkeitsaxiome gelten:

Bemerkungen:

  • Manchmal wird auch zusätzlich gefordert, dass E ein Kolmogoroff-Raum (d.h. T0-Raum) ist, also verschiedene Punkte stets topologisch unterscheidbar sind. Daraus folgt für topologische Vektorräume bereits die Hausdorffeigenschaft (d.h. T2-Raum).
  • Ist der topologische Vektorraum ein Hausdorff-Raum, so sind die Abbildungen, die eine Verschiebung um einen bestimmten Vektor oder eine Streckung um einen Skalar darstellen, Homöomorphismen. In diesem Fall reicht es, topologische Eigenschaften des Raumes im Ursprung zu betrachten, da jede Menge homöomorph in den Ursprung verschoben werden kann.
  • (E,+) ist eine topologische Gruppe.
  • Es ist wichtig, dass die beiden genannten Abbildungen nicht nur komponentenweise stetig sind.

Beispiele[Bearbeiten]

  • Die Menge \textstyle \ell^p := \{(x_n)_n\in{\mathbb K}^{\mathbb N};\,\sum_{n=1}^\infty |x_n|^p < \infty\} ist ein Vektorraum, der für 0<p<1 mit der Metrik \textstyle d_p((x_n)_n,(y_n)_n):=\sum_{n=1}^\infty |x_n - y_n|^p zu einem topologischen Vektorraum wird, der nicht lokalkonvex ist.
  • Allgemeiner seien (X,\mu) ein Maßraum und 0<p<1. Dann macht die Metrik \textstyle d_p(f,g):=\int_X|f(x)-g(x)|^p \mathrm d\mu(x) den Lp-Raum L^p(X,\mu) zu einem topologischen Vektorraum, der im Allgemeinen nicht lokalkonvex ist. Ist X={\mathbb N} und \mu das Zählmaß, so erhält man das obige Beispiel \ell^p. Der Raum L^p([0,1]) besitzt außer dem Nullfunktional kein weiteres stetiges lineares Funktional.

Topologische Eigenschaften[Bearbeiten]

  • Jeder topologische Vektorraum ist als abelsche, topologische Gruppe ein uniformer Raum. Damit ist er insbesondere stets ein R0-Raum und erfüllt das Trennungsaxiom T3 (in der Bedeutung, dass T0 nicht miteingeschlossen ist). Mittels dieser uniformen Struktur kann man Vollständigkeit und gleichmäßige Stetigkeit definieren. Jeder topologische Vektorraum kann vervollständigt werden und lineare stetige Abbildungen zwischen topologischen Vektorräumen sind gleichmäßig stetig.
  • In lokalkonvexen hausdorffschen topologischen Vektorräumen gilt der Satz von Hahn-Banach, sodass die Existenz „vieler“ stetiger linearer Funktionale gesichert ist. Diese Tatsache erlaubt es, für solche Räume eine reichhaltige Dualitätstheorie aufzustellen, die für allgemeine topologische Vektorräume in dieser Form nicht gilt. Im Extremfall, wie im obigen Beispiel L^p([0,1]), ist das Nullfunktional das einzige stetige lineare Funktional.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Helmut H. Schaefer: Topological Vector Spaces. Springer, New York u. a. 1971, ISBN 0-387-98726-6.
  • Hans Jarchow: Locally Convex Spaces. Teubner, Stuttgart 1981, ISBN 3-519-02224-9.