设 X 为赋范空间, 求证: X 为 Banach 空间当且仅当 X 的单位球面
SX={x∈X:∥x∥=1}
为完备度量空间.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
证明:
⇒ 设 X 是 Banach 空间,即 X 完备。范数映射 f(x)=∥x∥ 是连续的,而 SX=f−1({1}),{1} 是 R 中的闭集,因此 SX 是 X 的闭子集。完备度量空间的闭子集仍是完备的,故 SX 作为度量子空间是完备的。
⇐ 假设 SX 完备。任取 X 中的柯西列 (xn),欲证 (xn) 收敛。
考虑实数序列 (∥xn∥),由不等式 ∣∥xn∥−∥xm∥∣≤∥xn−xm∥ 知它是 R 中的柯西列。R 完备,故存在极限 a=limn→∞∥xn∥≥0。
情形 1:a=0。此时对任意 ε>0,存在 N 使得 n≥N 时 ∥xn∥<ε,从而 ∥xn−0∥<ε,即 xn→0,序列收敛。
情形 2:a>0。因 a>0,可取 N0 使得当 n≥N0 时 ∥xn∥≥a/2>0。定义 yn=∥xn∥xn(n≥N0),则 yn∈SX。下证 (yn)n≥N0 是 SX 中的柯西列。
对任意 m,n≥N0,有
∥yn−ym∥=∥xn∥xn−∥xm∥xm≤∥xn∥1−∥xm∥1⋅∥xn∥+∥xm∥1∥xn−xm∥.
由于 (∥xn∥) 收敛于 a>0,故存在 M>0 使 supn∥xn∥≤M,且 infn≥N0∥xn∥≥a/2,从而 ∥xm∥1≤a2。又 (∥xn∥) 是柯西列,所以 (∥xn∥1) 也是柯西列(因为它收敛于 1/a)。给定 ε>0,存在 N≥N0,当 m,n≥N 时,
∥xn∥1−∥xm∥1<2Mε,∥xn−xm∥<4εa.
于是
∥yn−ym∥≤2Mε⋅M+a2⋅4εa=2ε+2ε=ε.
故 (yn) 是柯西列。由 SX 完备,存在 y∈SX 使得 yn→y。
现 ∥xn∥→a,yn→y,从而
∥xn−ay∥≤∥xn−∥xn∥yn∥+∥∥xn∥yn−ay∥≤∥xn∥∥yn−y∥+∣∥xn∥−a∣⋅∥y∥→0,
即 xn→ay。因此 (xn) 收敛。
综合情形 1 和 2,X 中任意柯西列均收敛,故 X 是 Banach 空间。
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