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习题 4.25

为可分 Banach 空间, 为有界集. 求证: 中任意序列均有子列弱星收敛到 中某元.

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明:设 是可分 Banach 空间, 为有界集。任取序列 ,需证存在子列 ,使得对任意 (即弱收敛)。

1. 准备工作
可分,存在可数稠密子集 。又 有界,故存在常数 ,使得 对所有 成立。

2. 对角线法选取子列
考虑数列 ,它是有界数列(),从而存在收敛子列。记该子列为 ,即 的子列且 存在。

,从 中又可取出子列 ,使得 存在,且由于 的子列,它在 上依然收敛。

依此类推,对每个 ,可构造子列 ,满足:

  • 的子列(约定 ),
  • 对每个 ,极限 存在。

现取对角线子列 )。对任意固定的 ,当 时, 属于第 次抽取的子列 中,因此 收敛。于是,子列 在稠密子集 上逐点收敛。

3. 证明 在每点 收敛
任取 。由稠密性,存在 使得 。因为 收敛,故是 Cauchy 列,存在 ,当 于是对 所以 是 Cauchy 数列,从而收敛。记

4. 验证

  • 线性:对任意
  • 有界性:对任意 ,从而

5. 弱收敛性
的定义,对任意 ,即子列 收敛于

综上, 中任意序列都存在弱收敛子列,且极限属于