Completeness of Lp Spaces
완비성
Def 노음선형공간 X에서 함수열의 수렴 fn→f 은 다음과 같이 정의한다.
nlim∥f−fn∥=0
마찬가지로, 함수열 fn이 코시수열임은 다음과 같이 정의한다.
∀ϵ>0,∃N∈Ns.t.∥fn−fm∥<ϵfor∀m,n≥N
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 fn에 대해 ∑k=1∞ϵk<∞,∀ϵk>0 인 실수열 ϵk 가 존재하여,
∥fk+1−fk∥≤ϵk2
를 만족한다면 함수열 fn을 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.
- fn이 rapidly Cauchy이면 위 정의의 조건을 만족하는 양의 실수열 ϵk가 존재한다. 이때,
따라서, fn은 코시수열이다.
2. 자연수열 {nk}를
∥fnk+1−fnk∥≤1/2k
를 만족하도록 잡으면 {fnk}는 rapidly Cauchy 임을 알 수 있다.
리즈-피셔 정리Riesz-Fischer THM
- Lp(E) 는 바나흐 공간이다.
- fn→f 이면 E의 거의 모든 점에서 f로 점별수렴하는 {fn}의 부분수열이 존재한다.
THM7 Lp(E)에서 fn 이 f로 E의 거의 모든 점에서 점별수렴하면,
함수열 fn의 f로의 수렴과 limn∫E∣fn∣p=∫E∣f∣p 임은 동치이다.
Dense
NLS X의 부분집합 F,G⊂X 에 대해 F⊆G 를 만족한다고 하자.
Def Dense(조밀성)
다음 조건을 만족할 때 F가 G 에서 조밀하다고 한다.
임의의 함수 g∈G, 임의의 실수 ϵ>0 에 대해 다음을 만족하는 F 에서의 함수 f 가 존재한다.
∥f−g∥<ϵ i.e. nlimfn=g
조밀성과 관련하여, 앞서 살펴본 Simple Approximation Lemma와 르벡 지배수렴정리를 이용하면 다음 명제를 생각할 수 있다.
Prop Lp(E) 공간의 단순함수들로 이루어진 부분공간은 Lp(E) 에서 조밀하다.
또한, [a,b]에서의 계단함수들로 이루어진 부분공간은 Lp[a,b] 의 단순함수들의 부분공간에서 조밀하므로 Lp[a,b] 에서도 조밀하다.
Separability
Def NLS X에 대해, X에서 조밀한 X의 가산부분집합이 존재한다면 X를 separable 하다고 정의한다.
THM 11
NLS Lp(E) (p<∞) 는 separable하다.
pf. 유계닫힌구간 [a,b]에 대해 S[a,b] 를 구간에서의 계단함수들의 모임으로 정의하자.
또한, S[a,b]의 계단함수 중 유리수 함수값을 가지고 [a,b]의 분할 P={x0…xn} 이 존재하여 각 xk들이 유리수임을 만족하는 계단함수들의 모임을 S′[a,b] 라고 두자. 이때, 유리수의 조밀성으로부터 S′[a,b] 역시 S[a,b]에서 조밀함을 알 수 있다.
또한, 다음과 같은 포함관계
S′[a,b]⊆S[a,b]⊆Lp[a,b]
로부터 S′[a,b] 가 Lp[a,b]에서 조밀함을 알 수 있다.
각 자연수 n에 대해 함수족 Fn을 [−n,n] 밖에서는 소멸(vanish)하고, [−n,n] 에서는 S′[a,b] 에 속하는 함수들의 모임으로 정의하자. 또한, F=∪n∈NFn 으로 두면 F는 Lp(R)에 속한 함수들의 가산집합이다.
단조수렴정리에 의해 임의의 f∈Lp(R) 에 대해
n→∞lim∫[−n,n]∣f∣p=∫R∣f∣p
이므로 F 는 가산집합이며 Lp(R)에서 조밀하다.
임의의 가측집합 E에 대해 함수족 F의 각 함수들을 E로 제한시키면 이는 Lp(E)에서 조밀하다. 따라서 Lp(E) 는 separable 하다.
반면, p=∞ 인 경우 L∞ 는 separable 하지 않는데, 이는 다음과 같은 방법으로 증명가능하다.
pf. 만약 separable 하다고 가정하자. 그러면 가산함수족 fn∈N 이 존재하여 L∞[a,b]에서 조밀하다.
이때 임의의 x∈[a,b] 에 대해
∥χ[a,x]−fη(x)∥∞<1/2
인 자연수 η(x) 를 잡자.(ϵ=1/2)
이때, a≤x1<x2≤b 인 x1,x2 에 대해
∥χ[a,x1]−χ[a,x2]∥∞=1
이므로 (Characteristic function의 함수값과 노음의 정의에 의해),
η는 [a,b] 에서 자연수로의 일대일 대응이어야 한다.(노음에서의 삼각부등식이 등식조건으로 변경되므로)
그러나 구간 [a,b]는 불가산집합이므로 이는 모순이다.
References
- Royden, H., & Fitzpatrick, P. M. (2010). Real analysis. China Machine Press.