Mathematics
Completeness of Lp Spaces
Completeness of $L^p$ Spaces 완비성 Def 노음선형공간 X에서 함수열의 수렴 $fn \to f$ 은 다음과 같이 정의한다. $$ \limn\Vert f-fn\Vert = 0 $$ 마찬가지로, 함수열 $fn$이 코시수열임은 다음과 같이 정의한다. $\forall\epsilon>0,\; \exists N \in \mathbb{N}\quad s.t. \\ \Vert f...
Completeness of Spaces
완비성
Def 노음선형공간 X에서 함수열의 수렴 은 다음과 같이 정의한다.
마찬가지로, 함수열 이 코시수열임은 다음과 같이 정의한다.
완비성Completeness의 정의
노음선형공간(이하 NLS) X의 모든 코시 수열이 X의 함수로 수렴할 때 X를 완비공간이라고 한다. 이때 완비노음공간을 바나하 공간(Banach Space) 라고도 부른다.
또한, 이와 더불어 빠른(?)코시수열 (정확한 한국어 번역을 찾지 못했다.) rapid(fast) Cauchy Sequence를 다음과 같이 정의한다.
Def NLS X의 함수열 에 대해 인 실수열 가 존재하여,
를 만족한다면 함수열 을 rapidly Cauchy 하다고 정의한다.
Rapidly Cauchy인 함수열과 코시함수열 사이에는 다음과 같은 관계가 존재한다.
Prop
- NLS X에서의 모든 Rapidly Cauchy 함수열은 코시수열이다.
- 모든 코시수열은 Rapidly Cauchy 한 부분수열을 가진다.
pf.
- 이 rapidly Cauchy이면 위 정의의 조건을 만족하는 양의 실수열 가 존재한다. 이때,
따라서, 은 코시수열이다. 2. 자연수열 {}를
를 만족하도록 잡으면 {}는 rapidly Cauchy 임을 알 수 있다.
리즈-피셔 정리Riesz-Fischer THM
- 는 바나흐 공간이다.
- 이면 E의 거의 모든 점에서 로 점별수렴하는 {}의 부분수열이 존재한다.
THM7 에서 이 로 E의 거의 모든 점에서 점별수렴하면,
함수열 의 로의 수렴과 임은 동치이다.
Dense
NLS X의 부분집합 에 대해 를 만족한다고 하자. Def Dense(조밀성) 다음 조건을 만족할 때 가 에서 조밀하다고 한다.
임의의 함수 , 임의의 실수 에 대해 다음을 만족하는 에서의 함수 가 존재한다.
조밀성과 관련하여, 앞서 살펴본 Simple Approximation Lemma와 르벡 지배수렴정리를 이용하면 다음 명제를 생각할 수 있다.
Prop 공간의 단순함수들로 이루어진 부분공간은 에서 조밀하다.
또한, 에서의 계단함수들로 이루어진 부분공간은 의 단순함수들의 부분공간에서 조밀하므로 에서도 조밀하다.
Separability
Def NLS X에 대해, X에서 조밀한 X의 가산부분집합이 존재한다면 X를 separable 하다고 정의한다.
THM 11
NLS 는 separable하다.
pf. 유계닫힌구간 에 대해 를 구간에서의 계단함수들의 모임으로 정의하자.
또한, 의 계단함수 중 유리수 함수값을 가지고 의 분할 이 존재하여 각 들이 유리수임을 만족하는 계단함수들의 모임을 라고 두자. 이때, 유리수의 조밀성으로부터 역시 에서 조밀함을 알 수 있다. 또한, 다음과 같은 포함관계로부터 가 에서 조밀함을 알 수 있다.
각 자연수 n에 대해 함수족 을 밖에서는 소멸(vanish)하고, 에서는 에 속하는 함수들의 모임으로 정의하자. 또한, 으로 두면 는 에 속한 함수들의 가산집합이다.
단조수렴정리에 의해 임의의 에 대해이므로 는 가산집합이며 에서 조밀하다. 임의의 가측집합 에 대해 함수족 의 각 함수들을 로 제한시키면 이는 에서 조밀하다. 따라서 는 separable 하다.
반면, 인 경우 는 separable 하지 않는데, 이는 다음과 같은 방법으로 증명가능하다.
pf. 만약 separable 하다고 가정하자. 그러면 가산함수족 이 존재하여 에서 조밀하다.
이때 임의의 에 대해인 자연수 를 잡자.(=1/2) 이때, 인 에 대해
이므로 (Characteristic function의 함수값과 노음의 정의에 의해),
는 에서 자연수로의 일대일 대응이어야 한다.(노음에서의 삼각부등식이 등식조건으로 변경되므로) 그러나 구간 는 불가산집합이므로 이는 모순이다.
References
- Royden, H., & Fitzpatrick, P. M. (2010). Real analysis. China Machine Press.