C[a,b] 上的线性泛函 f 称为正泛函, 如果任取 x∈C[a,b] 满足任取 t∈[a,b], x(t)≥0, 都有 f(x)≥0. 求证: f 为正线性泛函当且仅当 f 为连续线性泛函且 ∥f∥=f(1), 此处 1∈C[a,b] 表示 [a,b] 上恒为 1 的连续函数.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
证明:设 C[a,b] 为区间 [a,b] 上的实值连续函数空间,赋予上确界范数 ∥x∥=maxt∈[a,b]∣x(t)∣,f:C[a,b]→R 为线性泛函。
(⇒) 设 f 为正线性泛函。
由于常数函数 1 满足 1(t)≡1≥0,故 f(1)≥0。
对任意 x∈C[a,b],记 M=∥x∥。则对每个 t∈[a,b] 有 −M≤x(t)≤M,从而
M−x(t)≥0,M+x(t)≥0.
由正性得
f(M−x)=Mf(1)−f(x)≥0,f(M+x)=Mf(1)+f(x)≥0,
故
−Mf(1)≤f(x)≤Mf(1),即∣f(x)∣≤f(1)∥x∥.
因此 f 有界(连续),且 ∥f∥≤f(1)。另一方面,由范数定义,
∣f(1)∣≤∥f∥⋅∥1∥=∥f∥,
而 ∣f(1)∣=f(1),所以 ∥f∥=f(1)。
(⇐) 设 f 连续且 ∥f∥=f(1)。
若 ∥f∥=0,则 f=0,显然为正泛函。下设 ∥f∥>0,从而 f(1)=∥f∥>0。
用反证法。假设存在 x0∈C[a,b] 满足 x0(t)≥0 (∀t),但 f(x0)<0。由于 f(x0)<0,x0 不恒为零,故 M:=∥x0∥>0。取 λ=1/M,构造
y=1−λx0.
因为 0≤λx0(t)≤1,所以 0≤y(t)≤1,从而 ∥y∥≤1。
计算
f(y)=f(1)−λf(x0)=∥f∥−λf(x0).
由于 f(x0)<0,−λf(x0)>0,于是 f(y)>∥f∥。但由范数定义,对任意 ∥z∥≤1 应有 ∣f(z)∣≤∥f∥,特别地 ∣f(y)∣=f(y)>∥f∥,矛盾。
因此假设不成立,故对一切非负连续函数 x 都有 f(x)≥0,即 f 为正线性泛函。
综上,f 为正线性泛函当且仅当 f 连续且 ∥f∥=f(1)。