设 1≤p<∞, M⊂ℓp. 求证: M 为相对紧集当且仅当 M 为有界集, 且任取 ε>0, 存
在 N≥1, 使得任给 {xn}∈M, 都有 ∑n=N∞∣xn∣p<ε.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
设 1≤p<∞,M⊂ℓp。以下证明 M 是相对紧的当且仅当 M 有界且满足一致尾小条件:对任意 ε>0,存在 N∈N 使得对任意 x=(xn)∈M 有
n=N∑∞∣xn∣p<ε.
由于 ℓp 是完备的度量空间,集合相对紧等价于完全有界(即预紧)。以下证明均使用这一等价性质。
设 M 相对紧,则 M 完全有界且显然有界。任取 ε>0,令 δ=ε1/p/2。由完全有界性,存在有限子集 F⊂M 使得
M⊂y∈F⋃B(y,δ).
对每个 y∈F,因 y∈ℓp,故存在 Ny 使得
∥y>Ny∥p=(n=Ny∑∞∣yn∣p)1/p<δ.
取 N=maxy∈FNy,则对任意 y∈F 有 ∥y>N∥p<δ。
对任意 x∈M,选取 y∈F 满足 ∥x−y∥p<δ,则
∥x>N∥p≤∥(x−y)>N∥p+∥y>N∥p≤∥x−y∥p+∥y>N∥p<δ+δ=2δ=ε1/p.
从而
n=N∑∞∣xn∣p=∥x>N∥pp<ε.
故一致尾小条件成立。
假设 M 有界,且对任意 ε>0 存在 N 使得
n=N∑∞∣xn∣p<ε(∀x∈M).
欲证 M 完全有界。给定 ε>0,取 N 使得对一切 x∈M 有
n=N∑∞∣xn∣p<(2ε)p,
即 ∥x>N∥p<ε/2。
考虑投影 PN:ℓp→RN(或 CN),PN(x)=(x1,…,xN),并令 MN=PN(M)。因 M 有界,存在 R>0 使 ∥x∥p≤R 对所有 x∈M 成立,于是对任意 y∈MN 有
∥y∥p=(n=1∑N∣yn∣p)1/p≤∥x∥p≤R,
故 MN 是有限维空间 RN 中的有界集。有限维空间中的有界集完全有界,因此存在有限个点 z(1),…,z(m)∈RN 使得
MN⊂j=1⋃mBRN(z(j),ε/2),
其中 BRN 表示 RN 中以 ℓp-范数度量的球。
对每个 j,定义 x(j)∈ℓp 为
x(j)=(z1(j),…,zN(j),0,0,…).
现在验证 {x(j)}j=1m 构成 M 的一个 ε-网。任取 x∈M,令 y=PN(x)∈MN,则存在 j 使得 ∥y−z(j)∥p<ε/2。于是
∥x−x(j)∥p≤∥PN(x)−z(j)∥p+∥x>N∥p<2ε+2ε=ε,
其中第一个不等式利用了三角不等式:将 x−x(j) 分解为前 N 坐标之差(尾部为零)与尾部 x>N 之和。
因此 M 完全有界,从而相对紧。
综上,命题得证。