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习题 2.17

为赋范空间, 求证: 为 Banach 空间当且仅当 的单位球面 为完备度量空间.

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明

是 Banach 空间,即 完备。范数映射 是连续的,而 中的闭集,因此 的闭子集。完备度量空间的闭子集仍是完备的,故 作为度量子空间是完备的。

假设 完备。任取 中的柯西列 ,欲证 收敛。

考虑实数序列 ,由不等式 知它是 中的柯西列。 完备,故存在极限

情形 1。此时对任意 ,存在 使得 ,从而 ,即 ,序列收敛。

情形 2。因 ,可取 使得当 。定义 ),则 。下证 中的柯西列。

对任意 ,有 由于 收敛于 ,故存在 使 ,且 ,从而 。又 是柯西列,所以 也是柯西列(因为它收敛于 )。给定 ,存在 ,当 时, 于是 是柯西列。由 完备,存在 使得

,从而 。因此 收敛。

综合情形 1 和 2, 中任意柯西列均收敛,故 是 Banach 空间。