赋范空间中的向量可以比较大小和距离,但空间未必包含所有 Cauchy 点列的极限。完备性保证在空间内部进行极限运算不会产生“跑到空间外”的对象。

完备的赋范线性空间称为 Banach 空间。它是泛函分析最基本的工作环境:一致有界原理、开映射定理和闭图像定理等核心结果都以 Banach 空间为自然假设。

本文集中整理 Banach 空间及其典型例子。LpL^p 空间已经在实变函数系列中详细介绍,这里只说明它在泛函分析中的位置,不再重复测度、积分与对偶理论。

本文约定 K=R\mathbb K=\mathbb R 或 C\mathbb C,并令

N+={1,2,3,…}.\mathbb N_+=\{1,2,3,\ldots\}.

1. Banach 空间

1.1 定义

定义(Banach 空间)
若赋范空间 (X,∥⋅∥)(X,\|\cdot\|) 关于范数诱导的度量

d(x,y)=∥x−y∥d(x,y)=\|x-y\|

是完备度量空间,则称 XX 是 Banach 空间。

也就是说,对 XX 中任意 Cauchy 点列 {xn}\{x_n\},都存在 x∈Xx\in X,使

∥xn−x∥→0.\|x_n-x\|\to0.

1.2 有限维空间

定理
每个有限维赋范空间都是 Banach 空间。

因此有限维空间中的完备性不依赖范数的选择。无限维赋范空间则可能完备,也可能不完备。

1.3 等价范数与完备性

若 ∥⋅∥a\|\cdot\|_a 与 ∥⋅∥b\|\cdot\|_b 是等价范数,则

(X,∥⋅∥a) 完备⟺(X,∥⋅∥b) 完备.(X,\|\cdot\|_a)\text{ 完备} \Longleftrightarrow (X,\|\cdot\|_b)\text{ 完备}.

所以等价范数不会改变 Banach 空间性质。


2. Banach 空间的判定

2.1 绝对收敛级数判据

定理(Banach 空间的级数判据)
赋范空间 XX 是 Banach 空间,当且仅当对任意序列 {xn}⊆X\{x_n\}\subseteq X,

∑n=1∞∥xn∥<∞\sum_{n=1}^{\infty}\|x_n\|<\infty

都能推出向量级数

∑n=1∞xn\sum_{n=1}^{\infty}x_n

在 XX 中收敛。

这常被概括为:

Banach 空间中绝对收敛推出收敛.\text{Banach 空间中绝对收敛推出收敛}.

2.2 闭子空间

定理
设 XX 是 Banach 空间,M⊆XM\subseteq X 是线性子空间。则

M 是 Banach 空间⟺M 在 X 中闭.M\text{ 是 Banach 空间} \Longleftrightarrow M\text{ 在 }X\text{ 中闭}.

因此判断一个具体子空间是否完备,常常可以转化为判断它是否闭。

2.3 乘积空间

若 X1,…,XnX_1,\ldots,X_n 都是 Banach 空间,则有限乘积

X1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n

在范数

∥(x1,…,xn)∥=max⁡1≤k≤n∥xk∥\|(x_1,\ldots,x_n)\| = \max_{1\le k\le n}\|x_k\|

下是 Banach 空间。

在有限乘积上改用范数和

∑k=1n∥xk∥\sum_{k=1}^n\|x_k\|

或其他等价乘积范数,不改变完备性。


3. 序列空间

3.1 ℓp\ell^p 空间

设 1≤p<∞1\le p<\infty。定义

ℓp={x=(xn)n≥1:∑n=1∞∣xn∣p<∞},\ell^p = \left\{ x=(x_n)_{n\ge1}: \sum_{n=1}^{\infty}|x_n|^p<\infty \right\},

并定义范数

∥x∥p=(∑n=1∞∣xn∣p)1/p.\|x\|_p = \left( \sum_{n=1}^{\infty}|x_n|^p \right)^{1/p}.

定理
对每个 1≤p<∞1\le p<\infty,ℓp\ell^p 都是 Banach 空间。

三角不等式来自离散形式的 Minkowski 不等式。

3.2 ℓ∞\ell^\infty 空间

定义所有有界标量序列组成的空间

ℓ∞={x=(xn):sup⁡n≥1∣xn∣<∞},\ell^\infty = \left\{ x=(x_n): \sup_{n\ge1}|x_n|<\infty \right\},

范数为

∥x∥∞=sup⁡n≥1∣xn∣.\|x\|_\infty=\sup_{n\ge1}|x_n|.

定理
ℓ∞\ell^\infty 是 Banach 空间。

3.3 cc、c0c_0 与 c00c_{00}

定义

c={x=(xn):xn 收敛},c=\{x=(x_n):x_n\text{ 收敛}\}, c0={x=(xn):xn→0},c_0=\{x=(x_n):x_n\to0\},

以及

c00={x=(xn):xn 只有有限个非零项}.c_{00} = \{x=(x_n):x_n\text{ 只有有限个非零项}\}.

这些空间都使用最大范数

∥x∥∞=sup⁡n∣xn∣.\|x\|_\infty=\sup_n|x_n|.

它们满足

c00⊆c0⊆c⊆ℓ∞.c_{00}\subseteq c_0\subseteq c\subseteq\ell^\infty.

定理

  1. c0c_0 和 cc 是 ℓ∞\ell^\infty 的闭子空间,因此都是 Banach 空间;
  2. c00c_{00} 在 c0c_0 中稠密;
  3. c00c_{00} 不是完备空间,其完备化是 c0c_0。

3.4 坐标向量

令

en=(0,…,0,1,0,…),e_n=(0,\ldots,0,1,0,\ldots),

其中第 nn 项为 11。

对 x=(xn)∈ℓpx=(x_n)\in\ell^p,1≤p<∞1\le p<\infty,有

x=∑n=1∞xnenx=\sum_{n=1}^{\infty}x_ne_n

并且级数在 ℓp\ell^p 范数下收敛。

对 x∈c0x\in c_0,同一展开在最大范数下收敛。

但对常值序列

1=(1,1,…)∈ℓ∞,\mathbf 1=(1,1,\ldots)\in\ell^\infty,

其截断序列与 1\mathbf 1 的最大范数距离始终为 11。所以 c00c_{00} 在 ℓ∞\ell^\infty 中不稠密。


4. 序列空间的包含关系

4.1 不同 ℓp\ell^p 之间的包含

定理
对序列空间,若

1≤p<q≤∞,1\le p<q\le\infty,

则

ℓp⊆ℓq\ell^p\subseteq\ell^q

并且

∥x∥q≤∥x∥p.\|x\|_q\le\|x\|_p.

这个方向与有限测度空间上的 LpL^p 包含关系相反,不能混淆。

4.2 典型序列

考虑

xn=1nα.x_n=\frac1{n^\alpha}.

则

x∈ℓp⟺αp>1.x\in\ell^p \Longleftrightarrow \alpha p>1.

特别地,

(1n)∈ℓp(p>1),\left(\frac1n\right)\in\ell^p \quad(p>1),

但

(1n)∉ℓ1.\left(\frac1n\right)\notin\ell^1.

另一方面,1/n→01/n\to0,所以该序列总属于 c0c_0。

4.3 有限支撑序列的稠密性

定理

c00‾ ∥⋅∥p=ℓp,1≤p<∞,\overline{c_{00}}^{\,\|\cdot\|_p}=\ell^p, \qquad 1\le p<\infty,

以及

c00‾ ∥⋅∥∞=c0.\overline{c_{00}}^{\,\|\cdot\|_\infty}=c_0.

因此有限支撑序列可以逼近每个有限指数 ℓp\ell^p 序列和每个零收敛序列,但不能逼近一般有界序列。


5. 序列空间的可分性

5.1 ℓp\ell^p 与 c0c_0

定理

  1. 当 1≤p<∞1\le p<\infty 时,ℓp\ell^p 可分;
  2. c0c_0 可分;
  3. cc 可分。

可以取所有有限支撑且坐标属于 Q\mathbb Q 或 Q+iQ\mathbb Q+i\mathbb Q 的序列作为可数稠密集。

5.2 ℓ∞\ell^\infty

定理
ℓ∞\ell^\infty 不可分。

直观上,对每个只取 00 和 11 的序列,都得到 ℓ∞\ell^\infty 中的一个点;任意两个不同的这种序列之间的最大范数距离都是 11。这样的点有不可数多个,不可能由可数集合稠密逼近。


6. 有界函数空间

6.1 B(S)B(S)

设 SS 为任意非空集合。定义

B(S)={f:S→K:f 有界},B(S) = \{f:S\to\mathbb K:f\text{ 有界}\},

并赋予上确界范数

∥f∥∞=sup⁡x∈S∣f(x)∣.\|f\|_\infty=\sup_{x\in S}|f(x)|.

定理
B(S)B(S) 是 Banach 空间。

其完备性的核心是:一致 Cauchy 的有界函数列逐点存在极限,而且收敛实际上是一致的,极限仍然有界。

6.2 Cb(S)C_b(S)

若 SS 是拓扑空间,定义

Cb(S)={f:S→K:f 连续且有界}.C_b(S) = \{f:S\to\mathbb K:f\text{ 连续且有界}\}.

在上确界范数下,Cb(S)C_b(S) 是 B(S)B(S) 的闭子空间,因此是 Banach 空间。

这里使用了连续函数列一致收敛时,其极限仍连续这一结论。


7. 连续函数空间

7.1 C(K)C(K)

设 KK 是紧空间。每个连续函数 f:K→Kf:K\to\mathbb K 都有界,因此定义

C(K)={f:K→K:f 连续}C(K)=\{f:K\to\mathbb K:f\text{ 连续}\}

和范数

∥f∥∞=max⁡x∈K∣f(x)∣.\|f\|_\infty=\max_{x\in K}|f(x)|.

定理
C(K)C(K) 在上确界范数下是 Banach 空间。

特别地,

C[a,b]C[a,b]

是 Banach 空间。

7.2 一致范数的含义

在 C(K)C(K) 中,

∥fn−f∥∞→0\|f_n-f\|_\infty\to0

等价于 fnf_n 一致收敛到 ff。

因此 C(K)C(K) 的完备性正是:

连续函数的一致 Cauchy 列一致收敛到连续函数。

7.3 多项式子空间

设 P[a,b]\mathcal P[a,b] 是 [a,b][a,b] 上所有多项式组成的空间,并使用上确界范数。

由 Weierstrass 逼近定理,

P[a,b]‾ ∥⋅∥∞=C[a,b].\overline{\mathcal P[a,b]}^{\,\|\cdot\|_\infty} =C[a,b].

因此 P[a,b]\mathcal P[a,b] 在 C[a,b]C[a,b] 中稠密,但不是闭集,也不是 Banach 空间;其完备化是 C[a,b]C[a,b]。


8. 可微函数空间

8.1 Cm[a,b]C^m[a,b]

定义

Cm[a,b]={f:[a,b]→K:f,f′,…,f(m) 连续}.C^m[a,b] = \{f:[a,b]\to\mathbb K: f,f',\ldots,f^{(m)}\text{ 连续}\}.

赋予范数

∥f∥Cm=∑k=0m∥f(k)∥∞.\|f\|_{C^m} = \sum_{k=0}^m\|f^{(k)}\|_\infty.

定理
Cm[a,b]C^m[a,b] 在 ∥⋅∥Cm\|\cdot\|_{C^m} 下是 Banach 空间。

也可以使用等价范数

∥f∥Cm′=max⁡0≤k≤m∥f(k)∥∞.\|f\|'_{C^m} = \max_{0\le k\le m}\|f^{(k)}\|_\infty.

8.2 为什么只用一致范数不够

C1[−1,1]C^1[-1,1] 如果只赋予

∥f∥∞=max⁡x∈[−1,1]∣f(x)∣\|f\|_\infty =\max_{x\in[-1,1]}|f(x)|

就不是完备空间。

例如

fn(x)=x2+1nf_n(x)=\sqrt{x^2+\frac1n}

属于 C1[−1,1]C^1[-1,1],并且

∥fn−∣x∣∥∞=1n→0.\|f_n-|x|\|_\infty=\frac1{\sqrt n}\to0.

但极限函数 ∣x∣|x| 在 x=0x=0 处不可微,不属于 C1[−1,1]C^1[-1,1]。

这说明空间是否完备不仅取决于元素集合,也取决于所选范数。∥⋅∥C1\|\cdot\|_{C^1} 同时控制函数和导数,能够阻止上述极限离开空间。


9. LpL^p 空间在泛函分析中的位置

LpL^p 空间的定义、Hölder 不等式、Minkowski 不等式、完备性、稠密性和对偶性已经在实变函数 07:LpL^p 空间中整理。

这里只记录泛函分析中最常使用的结论。

Riesz–Fischer 完备性定理
对任意测度空间和

1≤p≤∞,1\le p\le\infty,

LpL^p 都是 Banach 空间。

其中:

  • LpL^p 的元素是几乎处处相等意义下的等价类;
  • 1≤p<∞1\le p<\infty 时使用积分范数;
  • p=∞p=\infty 时使用本质上确界范数;
  • L2L^2 的标准范数来自内积,因此 L2L^2 还是 Hilbert 空间;
  • 一般 p≠2p\ne2 时,LpL^p 的标准范数不来自内积。

泛函分析后续讨论对偶空间、弱收敛和自反性时,会直接使用这些结论。


10. 常见 Banach 空间对照

空间元素范数是否可分
ℓp, 1≤p<∞\ell^p,\ 1\le p<\inftypp 次可和序列$\left(\sumx_n
ℓ∞\ell^\infty有界序列$\sup_nx_n
c0c_0收敛到 00 的序列$\sup_nx_n
cc收敛序列$\sup_nx_n
B(S)B(S)SS 上有界函数$\sup_{x\in S}f(x)
C(K)C(K)紧空间上的连续函数$\max_{x\in K}f(x)
Cm[a,b]C^m[a,b]mm 次连续可微函数∑k=0m∥f(k)∥∞\sum_{k=0}^m\|f^{(k)}\|_\infty是
LpL^p可测函数的等价类LpL^p 范数依赖测度空间

表中的可分性结论需要相应的常见假设。例如一般测度空间上的 LpL^p 未必可分,而 Euclid 空间中 Lebesgue 测度下的有限指数 LpL^p 通常可分。


11. 常见非完备空间

11.1 有限支撑序列

c00c_{00} 在最大范数下不完备,其完备化为 c0c_0。

11.2 多项式空间

P[a,b]\mathcal P[a,b] 在一致范数下不完备,其完备化为 C[a,b]C[a,b]。

11.3 使用过弱范数的可微函数空间

C1[a,b]C^1[a,b] 在 ∥⋅∥∞\|\cdot\|_\infty 下不完备,但在

∥f∥C1=∥f∥∞+∥f′∥∞\|f\|_{C^1} =\|f\|_\infty+\|f'\|_\infty

下完备。

这些例子体现了同一种现象:Cauchy 点列的极限存在于更大的空间中,却不再满足原空间的额外条件。


12. 概念辨析

12.1 Banach 空间与有限维空间

每个有限维赋范空间都是 Banach 空间,但 Banach 空间可以是无限维的,例如 ℓp\ell^p、C[a,b]C[a,b] 和 LpL^p。

12.2 完备与紧致

Banach 空间只要求 Cauchy 点列收敛,不要求每个有界点列都有收敛子列。

无限维 Banach 空间的闭单位球完备且有界,但不紧。

12.3 ℓp\ell^p 与 LpL^p

  • ℓp\ell^p 使用可数求和,可以看作计数测度下的 LpL^p;
  • 一般 LpL^p 使用积分;
  • 对序列空间,p<qp<q 时 ℓp⊆ℓq\ell^p\subseteq\ell^q;
  • 对有限测度空间,p<qp<q 时通常是 Lq⊆LpL^q\subseteq L^p。

12.4 完备性依赖范数

同一个线性空间在一个范数下可能完备,在另一个不等价范数下可能不完备。

但等价范数总是同时完备或同时不完备。


13. 本篇要点

  1. Banach 空间是完备的赋范线性空间。
  2. 一个赋范空间是 Banach 空间,当且仅当绝对收敛的向量级数总收敛。
  3. Banach 空间的线性子空间完备,当且仅当它是闭子空间。
  4. ℓp\ell^p、ℓ∞\ell^\infty、c0c_0 和 cc 都是 Banach 空间,c00c_{00} 不是。
  5. 当 p<qp<q 时有 ℓp⊆ℓq\ell^p\subseteq\ell^q,这一方向不能与有限测度空间上的 LpL^p 混淆。
  6. B(S)B(S)、Cb(S)C_b(S) 和 C(K)C(K) 在上确界范数下都是 Banach 空间。
  7. Cm[a,b]C^m[a,b] 需要使用同时控制各阶导数的范数才能保证完备。
  8. 每个 LpL^p 都是 Banach 空间,而标准范数只有在 p=2p=2 时来自内积。

至此,泛函分析第一部分已经完成:

度量空间⟶完备性与紧致性⟶赋范线性空间⟶Banach 空间.\text{度量空间} \longrightarrow \text{完备性与紧致性} \longrightarrow \text{赋范线性空间} \longrightarrow \text{Banach 空间}.

下一篇将进入第二部分,整理有界线性算子、算子范数以及算子空间。


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.
  5. Walter Rudin, Functional Analysis, 2nd ed.