设 C0(R) 为定义在 R 上, 满足 lim∣t∣→∞∣x(t)∣=0 的连续函数全体, 令
∥x∥∞=t∈Rmax∣x(t)∣,x∈C0(R).
求证: ∥∥∞ 为 C0(R) 上的范数, 且 (C0(R),∥⋅∥∞) 为 Banach 空间.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
证明
首先,C0(R) 是线性空间:若 x,y∈C0(R),α,β∈R(或 C),则 αx+βy 连续,且
∣t∣→∞lim∣αx(t)+βy(t)∣≤∣α∣∣t∣→∞lim∣x(t)∣+∣β∣∣t∣→∞lim∣y(t)∣=0,
故 αx+βy∈C0(R)。
其次,验证 ∥x∥∞=maxt∈R∣x(t)∣ 是良定义的。对 x∈C0(R),由 lim∣t∣→∞∣x(t)∣=0 知存在 R>0 使当 ∣t∣>R 时 ∣x(t)∣≤1。在紧集 [−R,R] 上连续函数 ∣x∣ 必达到最大值 M。若 M=0 则 x≡0,显然最大值存在。若 M>0,则因外部 ∣x(t)∣≤M/2(取 R 足够大使 ∣t∣>R 时 ∣x(t)∣≤M/2),可知整体上确界 M 必在 [−R,R] 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:∥x∥∞≥0 显然;若 ∥x∥∞=0,则 ∣x(t)∣=0 对所有 t,即 x=0;反之 x=0 时 ∥x∥∞=0。
- 齐次性:对任意标量 α,
∥αx∥∞=tmax∣αx(t)∣=∣α∣tmax∣x(t)∣=∣α∣∥x∥∞.
- 三角不等式:
∥x+y∥∞=tmax∣x(t)+y(t)∣≤tmax(∣x(t)∣+∣y(t)∣)≤tmax∣x(t)∣+tmax∣y(t)∣=∥x∥∞+∥y∥∞.
故 ∥⋅∥∞ 是 C0(R) 上的范数。
设 {xn}⊂C0(R) 是 Cauchy 列,即对任意 ε>0,存在 N 使得当 m,n≥N 时
∥xn−xm∥∞=t∈Rsup∣xn(t)−xm(t)∣<ε.
则对每个固定的 t∈R,数列 {xn(t)} 是 Cauchy 数列,由 R(或 C)的完备性,存在极限 x(t)。由一致 Cauchy 条件可得一致收敛:对上述 ε,当 n≥N 时,
∣xn(t)−x(t)∣=m→∞lim∣xn(t)−xm(t)∣≤ε,∀t,
故 ∥xn−x∥∞≤ε,即 xn 一致收敛于 x。
一致收敛保持连续性,所以 x 是连续函数。还需证明 x∈C0(R),即 lim∣t∣→∞∣x(t)∣=0。给定 ε>0,取 N 使 ∥xN−x∥∞<ε/2。因 xN∈C0(R),存在 M>0 使得当 ∣t∣>M 时 ∣xN(t)∣<ε/2。于是当 ∣t∣>M 时,
∣x(t)∣≤∣x(t)−xN(t)∣+∣xN(t)∣<2ε+2ε=ε.
故 lim∣t∣→∞∣x(t)∣=0,因此 x∈C0(R)。
综上,C0(R) 中任意 Cauchy 列都收敛到 C0(R) 中的一个元素,所以空间是完备的,即 Banach 空间。