開映射定理

開映射定理

泛函分析中,開映射定理是一個基本的結果,它說明如果巴拿赫空間之間的連續線性運算元是滿射的,那么它就是一個開映射。更加精確地:該定理的證明用到了貝爾綱定理,X和Y的完備性都是十分重要的。如果僅僅假設X或Y是賦范空間,那么定理的結論就不一定成立。然而,如果X和Y是弗雷歇空間,那么定理的結論仍然成立。

基本介紹

結果,證明,推廣,

結果

開映射定理有一些重要的結果:
1.如果
是巴拿赫空間XY之間的雙射連續線性運算元,那么逆運算元
也是連續的。(Rudin 1973, 推論2.12) ;
2.如果
是巴拿赫空間XY之間的線性運算元,且如果對於X內的每一個序列(
),只要xn → 0且
就有
,那么A就是連續的(閉圖像定理)。(Rudin 1973, 定理2.15)。

證明

我們需要證明,如果
巴拿赫空間之間的連續線性滿射,那么
就是一個開映射。為此,只需證明
內的單位球映射到
的原點的一個鄰域。
分別為
內的單位球。那么
是單位球的倍數
的序列的交集,
,且由於
是滿射,
根據貝爾綱定理,巴拿赫空間
不能是可數個無處稠密集的並集,故存在
,使得
閉包具有非空的內部。因此,存在一個開球
,其中心為
,半徑
,包含在
的閉包內。如果
,那么
位於
內,因此是
極限點,根據加法的連續性,它們的差
的極限點。根據A的線性,這意味著任何
都位於
的閉包內,其中
。於是可以推出,對於任何
和任何
,都存在某個
,滿足:
(1)
固定
。根據(!),存在某個
,滿足
||yAx1||<δ / 2。定義序列
如下。假設:
根據(1),我們可以選擇
,使得:
因此
滿足(2)。
從(2)的第一個不等式可知,
是一個柯西序列,且由於
是完備的,
收斂於某個
。根據(2),序列
趨於
,因此根據A的連續性,有
。而且:
這表明每一個
都屬於
,或等價地,
內的單位球的像
包含了Y內的開球
。因此,
內0的鄰域,定理得證。

推廣

的局部凸性不是十分重要的,但完備性則是:當
是F空間時,定理仍然成立。更進一步,這個定理可以用以下的方法與貝爾綱定理結合(Rudin, 定理2.11):
為F空間,
拓撲向量空間。如果
是一個連續線性運算元,那么要么
內的貧集,要么
。在後一個情況中,
是開映射,
也是
空間。 更進一步,在這個情況中,如果
,那么
有一個標準分解,形如下式:
其中
子空間
商空間(也是
空間)。商映射
是開放的,且映射
拓撲向量空間同構(Dieudonné, 12.16.8)。

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