泛函分析把数学分析中的“函数”看作空间中的点,把微分、积分和极限过程看作空间之间的算子。它研究的核心对象是无限维线性空间及其上的连续线性算子。

为了讨论无限维空间,首先需要把 Rn\mathbb R^n 中的距离、收敛、连续和紧致等概念推广到抽象集合。本篇从度量空间开始,整理后续泛函分析反复使用的基本语言。

除非特别说明:

  • 标量域 K\mathbb K 表示 R\mathbb R 或 C\mathbb C;
  • X,YX,Y 表示非空集合;
  • 本文只讨论由度量定义的拓扑,不展开一般拓扑空间理论。

1. 泛函分析研究什么

1.1 从有限维到无限维

有限维空间中的向量通常写成

x=(x1,…,xn)∈Kn.x=(x_1,\ldots,x_n)\in\mathbb K^n.

在泛函分析中,一个“向量”也可以是一列数或一个函数,例如

x=(x1,x2,…),f:[a,b]→K.x=(x_1,x_2,\ldots),\qquad f:[a,b]\to\mathbb K.

这些对象仍然可以相加和数乘,因此组成线性空间;再赋予合适的距离或范数后,就可以讨论收敛和连续。

1.2 三类基本对象

泛函分析主要研究:

  1. 空间:度量空间、赋范线性空间、Banach 空间和 Hilbert 空间;
  2. 算子:从一个空间映到另一个空间的映射,特别是线性算子;
  3. 泛函:取值为标量的算子,即形如 f:X→Kf:X\to\mathbb K 的映射。

例如,对连续函数 φ\varphi 定义

F(φ)=∫abφ(t) dt,F(\varphi)=\int_a^b\varphi(t)\,dt,

则 FF 是函数空间上的线性泛函。


2. 度量空间

2.1 度量

定义(度量)
设 XX 为非空集合。映射

d:X×X→[0,+∞)d:X\times X\to[0,+\infty)

称为 XX 上的度量,如果对任意 x,y,z∈Xx,y,z\in X 都满足:

  1. 非负性:d(x,y)≥0d(x,y)\ge0;

  2. 正定性:d(x,y)=0⟺x=yd(x,y)=0\Longleftrightarrow x=y;

  3. 对称性:d(x,y)=d(y,x)d(x,y)=d(y,x);

  4. 三角不等式:

    d(x,z)≤d(x,y)+d(y,z).d(x,z)\le d(x,y)+d(y,z).

二元组 (X,d)(X,d) 称为度量空间。

度量描述空间中两点之间的距离。集合相同而度量不同,得到的收敛和连续概念也可能不同。

2.2 常见度量

例 1:实数上的通常度量

d(x,y)=∣x−y∣.d(x,y)=|x-y|.

例 2:Euclid 度量

对 x,y∈Knx,y\in\mathbb K^n,

d2(x,y)=(∑k=1n∣xk−yk∣2)1/2.d_2(x,y) = \left(\sum_{k=1}^n|x_k-y_k|^2\right)^{1/2}.

例 3:离散度量

在任意非空集合 XX 上定义

d(x,y)={0,x=y,1,x≠y.d(x,y)= \begin{cases} 0,&x=y,\\ 1,&x\ne y. \end{cases}

则 dd 是度量。在离散度量下,每个单点集都是开集,点列收敛当且仅当它最终恒等于极限。

例 4:连续函数之间的距离

对 f,g∈C[a,b]f,g\in C[a,b],定义

d∞(f,g)=max⁡x∈[a,b]∣f(x)−g(x)∣.d_\infty(f,g) =\max_{x\in[a,b]}|f(x)-g(x)|.

它衡量两个函数在整个区间上的最大偏差。相对于这一度量的收敛就是一致收敛。

2.3 度量的有界化

若 dd 是 XX 上的度量,则

ρ(x,y)=d(x,y)1+d(x,y)\rho(x,y)=\frac{d(x,y)}{1+d(x,y)}

也是度量,并且总有 0≤ρ(x,y)<10\le\rho(x,y)<1。

dd 与 ρ\rho 产生相同的开集和收敛点列。这说明“空间的度量有界”不等于“空间本身在原度量下有界”,也说明不同度量可以描述相同的拓扑结构。


3. 开球、邻域与有界集

3.1 开球与闭球

设 (X,d)(X,d) 为度量空间,x0∈Xx_0\in X,r>0r>0。

定义(开球)

B(x0,r)={x∈X:d(x,x0)<r}.B(x_0,r)=\{x\in X:d(x,x_0)<r\}.

定义(闭球)

B‾(x0,r)={x∈X:d(x,x0)≤r}.\overline B(x_0,r)=\{x\in X:d(x,x_0)\le r\}.

x0x_0 称为球心,rr 称为半径。

“闭球”按不等式 d(x,x0)≤rd(x,x_0)\le r 定义。它在度量空间中确实是闭集,但未必等于开球 B(x0,r)B(x_0,r) 的闭包。

例如在至少含两个点的离散度量空间中,

B(x0,1)={x0},B(x0,1)‾={x0},B(x_0,1)=\{x_0\},\qquad \overline{B(x_0,1)}=\{x_0\},

但

B‾(x0,1)=X.\overline B(x_0,1)=X.

3.2 邻域

定义(邻域)
若集合 U⊆XU\subseteq X 包含某个开球 B(x,r)B(x,r),则称 UU 是点 xx 的一个邻域。

邻域不要求自身是开集;它只需要在 xx 附近包含一个足够小的开球。

3.3 有界集与直径

定义(有界集)
若存在 x0∈Xx_0\in X 和 R>0R>0,使

A⊆B(x0,R),A\subseteq B(x_0,R),

则称 A⊆XA\subseteq X 有界。

定义(直径)

diam⁡A=sup⁡{d(x,y):x,y∈A}.\operatorname{diam}A =\sup\{d(x,y):x,y\in A\}.

非空集合 AA 有界,当且仅当 diam⁡A<∞\operatorname{diam}A<\infty。


4. 开集与闭集

4.1 开集

定义(开集)
集合 G⊆XG\subseteq X 称为开集,如果对任意 x∈Gx\in G,都存在 r>0r>0,使

B(x,r)⊆G.B(x,r)\subseteq G.

空集和 XX 都是开集。

定理(开集的运算)

  1. 任意多个开集的并集是开集;
  2. 有限多个开集的交集是开集。

无限多个开集的交集未必是开集。例如在 R\mathbb R 中,

⋂n=1∞(−1n,1n)={0}.\bigcap_{n=1}^{\infty}\left(-\frac1n,\frac1n\right)=\{0\}.

4.2 闭集

定义(闭集)
集合 F⊆XF\subseteq X 称为闭集,如果其补集 X∖FX\setminus F 是开集。

定理(闭集的运算)

  1. 任意多个闭集的交集是闭集;
  2. 有限多个闭集的并集是闭集。

一个集合可以既开又闭。例如 ∅\varnothing 和 XX 总是既开又闭;在离散度量空间中,每个子集都既开又闭。

4.3 相对开集与相对闭集

设 A⊆XA\subseteq X。在 AA 上使用限制度量

dA(x,y)=d(x,y),x,y∈A,d_A(x,y)=d(x,y),\qquad x,y\in A,

就得到子空间 (A,dA)(A,d_A)。

集合 G⊆AG\subseteq A 在子空间 AA 中是开集,当且仅当存在 XX 中的开集 UU,使

G=A∩U.G=A\cap U.

相对闭集也有类似结论:F⊆AF\subseteq A 在 AA 中闭,当且仅当 F=A∩CF=A\cap C,其中 CC 在 XX 中闭。


5. 内部、闭包与边界

5.1 内点与内部

定义(内点)
若存在 r>0r>0 使 B(x,r)⊆AB(x,r)\subseteq A,则称 xx 是 AA 的内点。

AA 的所有内点组成的集合称为 AA 的内部,记作

A∘或int⁡A.A^\circ\quad\text{或}\quad\operatorname{int}A.

A∘A^\circ 是包含于 AA 的最大开集,并且

A 是开集⟺A=A∘.A\text{ 是开集}\Longleftrightarrow A=A^\circ.

5.2 聚点与闭包

定义(聚点)
若点 xx 的每个邻域都包含 AA 中异于 xx 的点,则称 xx 是 AA 的聚点。

AA 的所有聚点组成的集合记作 A′A'。

定义(闭包)
AA 的闭包 A‾\overline A 是包含 AA 的最小闭集。

在度量空间中,

A‾=A∪A′.\overline A=A\cup A'.

并且

x∈A‾⟺∀r>0, B(x,r)∩A≠∅.x\in\overline A \Longleftrightarrow \forall r>0,\ B(x,r)\cap A\ne\varnothing.

定理(闭集的点列判定)

F 是闭集⟺F 中每个收敛点列的极限仍属于 F.F\text{ 是闭集} \Longleftrightarrow \text{$F$ 中每个收敛点列的极限仍属于 $F$}.

5.3 边界

定义(边界)

∂A=A‾∖A∘.\partial A=\overline A\setminus A^\circ.

等价地,x∈∂Ax\in\partial A 当且仅当 xx 的每个邻域既与 AA 相交,也与 X∖AX\setminus A 相交。

常用关系为

A‾=A∘∪∂A,∂A=A‾∩X∖A‾.\overline A=A^\circ\cup\partial A,\qquad \partial A=\overline A\cap\overline{X\setminus A}.

6. 点列收敛

6.1 收敛

定义(点列收敛)
设 {xn}⊆X\{x_n\}\subseteq X,x∈Xx\in X。若对任意 ε>0\varepsilon>0,都存在 N∈N+N\in\mathbb N_+,使得当 n≥Nn\ge N 时,

d(xn,x)<ε,d(x_n,x)<\varepsilon,

则称 {xn}\{x_n\} 收敛到 xx,记作

xn→x.x_n\to x.

定理(极限的唯一性)
度量空间中的收敛点列至多有一个极限。

定理(收敛点列有界)
每个收敛点列的值域都是有界集。

6.2 子列

若 n1<n2<⋯n_1<n_2<\cdots,则 {xnk}\{x_{n_k}\} 称为 {xn}\{x_n\} 的子列。

定理
若 xn→xx_n\to x,则每个子列也收敛到 xx:

xnk→x.x_{n_k}\to x.

反过来,如果一个点列的任意子列都能再抽出一个收敛到同一点 xx 的子列,则原点列收敛到 xx。

6.3 不同度量下的收敛

设 dd 和 ρ\rho 是 XX 上的两个度量。如果存在常数 c,C>0c,C>0,使

c d(x,y)≤ρ(x,y)≤C d(x,y),c\,d(x,y)\le\rho(x,y)\le C\,d(x,y),

则 dd 与 ρ\rho 称为 Lipschitz 等价度量。此时两种度量具有相同的收敛点列、Cauchy 点列、开集和闭集。


7. 连续映射

7.1 点处连续

定义(连续)
设 (X,dX)(X,d_X)、(Y,dY)(Y,d_Y) 为度量空间,f:X→Yf:X\to Y。若对任意 ε>0\varepsilon>0,都存在 δ>0\delta>0,使得

dX(x,x0)<δ⟹dY(f(x),f(x0))<ε,d_X(x,x_0)<\delta \Longrightarrow d_Y(f(x),f(x_0))<\varepsilon,

则称 ff 在 x0x_0 处连续。

若 ff 在每一点都连续,则称 ff 是连续映射。

7.2 连续性的等价刻画

定理
对映射 f:X→Yf:X\to Y,以下条件等价:

  1. ff 连续;
  2. 对 YY 中任意开集 GG,原像 f−1(G)f^{-1}(G) 在 XX 中开;
  3. 对 YY 中任意闭集 FF,原像 f−1(F)f^{-1}(F) 在 XX 中闭;
  4. 若 xn→xx_n\to x,则 f(xn)→f(x)f(x_n)\to f(x)。

第四条称为连续性的点列判定。

7.3 一致连续与 Lipschitz 连续

定义(一致连续)
若对任意 ε>0\varepsilon>0,存在与点 xx 无关的 δ>0\delta>0,使对任意 x,y∈Xx,y\in X,

dX(x,y)<δ⟹dY(f(x),f(y))<ε,d_X(x,y)<\delta \Longrightarrow d_Y(f(x),f(y))<\varepsilon,

则称 ff 一致连续。

定义(Lipschitz 连续)
若存在常数 L≥0L\ge0,使

dY(f(x),f(y))≤LdX(x,y),d_Y(f(x),f(y))\le Ld_X(x,y),

则称 ff 为 Lipschitz 映射。

三者的关系是

Lipschitz 连续⟹一致连续⟹连续.\text{Lipschitz 连续} \Longrightarrow \text{一致连续} \Longrightarrow \text{连续}.

反向一般不成立。

7.4 等距映射与同胚

定义(等距映射)
若

dY(f(x),f(y))=dX(x,y)d_Y(f(x),f(y))=d_X(x,y)

对任意 x,y∈Xx,y\in X 成立,则称 ff 为等距映射。等距映射必为单射。

定义(同胚)
若 f:X→Yf:X\to Y 是双射,并且 ff 与 f−1f^{-1} 都连续,则称 ff 为同胚。

同胚保持开集、闭集、紧致性和连通性等拓扑性质;等距映射还保持距离、Cauchy 性和完备性。


8. 稠密集与可分空间

8.1 稠密集

定义(稠密)
若 A⊆XA\subseteq X 满足

A‾=X,\overline A=X,

则称 AA 在 XX 中稠密。

等价地,AA 稠密当且仅当每个非空开球都与 AA 相交。

例如:

Q‾=R,\overline{\mathbb Q}=\mathbb R,

所以 Q\mathbb Q 在 R\mathbb R 中稠密。

8.2 可分空间

定义(可分空间)
若度量空间 XX 含有可数稠密子集,则称 XX 可分。

Rn\mathbb R^n 是可分空间,因为 Qn\mathbb Q^n 是其可数稠密子集。

可分性意味着整个空间可以由可数多个点任意精细地逼近。它在构造基、研究弱拓扑和把紧致性转化为序列性质时十分重要。

8.3 距离函数

设 A⊆XA\subseteq X 非空,定义点 xx 到集合 AA 的距离为

d(x,A)=inf⁡a∈Ad(x,a).d(x,A)=\inf_{a\in A}d(x,a).

定理

∣d(x,A)−d(y,A)∣≤d(x,y).|d(x,A)-d(y,A)|\le d(x,y).

因此函数 x↦d(x,A)x\mapsto d(x,A) 是 11-Lipschitz 连续的。

并且

d(x,A)=0⟺x∈A‾.d(x,A)=0 \Longleftrightarrow x\in\overline A.

只有当 AA 闭时,才能进一步推出 x∈Ax\in A。


9. 概念之间的区别

概念核心含义是否依赖度量的具体数值
开集每一点附近都含有小开球只依赖度量产生的拓扑
闭集包含自身所有极限点只依赖拓扑
有界集能被某个有限半径球包含依赖具体度量
稠密集闭包等于整个空间只依赖拓扑
连续保持点列极限或开集原像只依赖拓扑
一致连续同一个 δ\delta 对所有点有效依赖度量
等距完全保持两点距离依赖具体度量

特别需要注意:

  • 开集不一定有界,有界集也不一定开或闭;
  • 闭集不等于紧集;
  • 连续不等于一致连续;
  • d(x,A)=0d(x,A)=0 不保证存在 a∈Aa\in A 使 d(x,a)=0d(x,a)=0,除非 AA 闭。

10. 本篇要点

  1. 度量把距离、邻域、收敛和连续推广到抽象集合。
  2. 开集由开球刻画,闭集可由补集或收敛点列刻画。
  3. 闭包是包含集合的最小闭集,内部是包含于集合的最大开集。
  4. 度量空间中的点列极限具有唯一性。
  5. 连续性可以用 ε\varepsilon-δ\delta、开集原像或点列极限等价刻画。
  6. 一致连续比连续更强,Lipschitz 连续又比一致连续更强。
  7. 可分空间含有可数稠密子集,可以由可数信息逼近整个空间。
  8. 拓扑性质只依赖开集结构,有界性、Cauchy 性和一致连续性还依赖具体度量。

下一篇将整理Cauchy 点列、完备空间、完备化、压缩映射与紧致性。


参考教材

  1. 张恭庆、林源渠,《泛函分析讲义》,北京大学出版社。
  2. 夏道行、吴卓人、严绍宗、舒五昌,《实变函数论与泛函分析》,高等教育出版社。
  3. Erwin Kreyszig, Introductory Functional Analysis with Applications.
  4. John B. Conway, A Course in Functional Analysis, 2nd ed.