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习题 2.13

为定义在 上, 满足 的连续函数全体, 令 求证: 上的范数, 且 为 Banach 空间.

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明


1. 上的范数

首先, 是线性空间:若 (或 ),则 连续,且

其次,验证 是良定义的。对 ,由 知存在 使当 。在紧集 上连续函数 必达到最大值 。若 ,显然最大值存在。若 ,则因外部 (取 足够大使 ),可知整体上确界 必在 内达到,故最大值存在且有限。因此定义合理。

现验证范数公理:

  • 正定性 显然;若 ,则 对所有 ,即 ;反之
  • 齐次性:对任意标量
  • 三角不等式

上的范数。


2. 是 Banach 空间

是 Cauchy 列,即对任意 ,存在 使得当
则对每个固定的 ,数列 是 Cauchy 数列,由 (或 )的完备性,存在极限 。由一致 Cauchy 条件可得一致收敛:对上述 ,当 时,
,即 一致收敛于

一致收敛保持连续性,所以 是连续函数。还需证明 ,即 。给定 ,取 使 。因 ,存在 使得当 。于是当 时,
,因此

综上, 中任意 Cauchy 列都收敛到 中的一个元素,所以空间是完备的,即 Banach 空间。