设 X 为可分 Banach 空间, M⊂X′ 为有界集. 求证: M 中任意序列均有子列弱星收敛到 X′ 中某元.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
证明:设 X 是可分 Banach 空间,M⊂X′ 为有界集。任取序列 {fn}⊂M,需证存在子列 {fnk} 及 f∈X′,使得对任意 x∈X 有 fnk(x)→f(x)(即弱∗收敛)。
1. 准备工作
因 X 可分,存在可数稠密子集 {x1,x2,…}⊂X。又 M 有界,故存在常数 C>0,使得 ∥fn∥≤C 对所有 n 成立。
2. 对角线法选取子列
考虑数列 {fn(x1)},它是有界数列(∣fn(x1)∣≤C∥x1∥),从而存在收敛子列。记该子列为 {f1,k}k=1∞,即 {f1,k} 是 {fn} 的子列且 limk→∞f1,k(x1) 存在。
对 x2,从 {f1,k} 中又可取出子列 {f2,k},使得 limk→∞f2,k(x2) 存在,且由于 {f2,k} 是 {f1,k} 的子列,它在 x1 上依然收敛。
依此类推,对每个 m∈N,可构造子列 {fm,k}k=1∞,满足:
- {fm,k} 是 {fm−1,k} 的子列(约定 {f0,k}={fk}),
- 对每个 i=1,…,m,极限 limk→∞fm,k(xi) 存在。
现取对角线子列 gk=fk,k(k≥1)。对任意固定的 i∈N,当 k≥i 时,gk 属于第 i 次抽取的子列 {fi,k} 中,因此 {gk(xi)} 收敛。于是,子列 {gk} 在稠密子集 {xi} 上逐点收敛。
3. 证明 {gk} 在每点 x∈X 收敛
任取 x∈X 和 ε>0。由稠密性,存在 xi 使得 ∥x−xi∥<3Cε。因为 {gk(xi)} 收敛,故是 Cauchy 列,存在 N,当 k,l≥N 时
∣gk(xi)−gl(xi)∣<3ε.
于是对 k,l≥N,
∣gk(x)−gl(x)∣≤∣gk(x)−gk(xi)∣+∣gk(xi)−gl(xi)∣+∣gl(xi)−gl(x)∣≤∥gk∥∥x−xi∥+3ε+∥gl∥∥x−xi∥≤C⋅3Cε+3ε+C⋅3Cε=ε.
所以 {gk(x)} 是 Cauchy 数列,从而收敛。记
f(x)=k→∞limgk(x),x∈X.
4. 验证 f∈X′
- 线性:对任意 x,y∈X 和 α,β∈K,
f(αx+βy)=k→∞limgk(αx+βy)=k→∞lim(αgk(x)+βgk(y))=αf(x)+βf(y).
- 有界性:对任意 x∈X,
∣f(x)∣=k→∞lim∣gk(x)∣≤k→∞liminf∥gk∥∥x∥≤C∥x∥,
故 ∥f∥≤C,从而 f∈X′。
5. 弱∗收敛性
由 f 的定义,对任意 x∈X 有 gk(x)→f(x),即子列 {gk} 弱∗收敛于 f。
综上,M 中任意序列都存在弱∗收敛子列,且极限属于 X′。