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习题 4.38

设 为自反 Banach 空间, 为 的闭线性子空间. 求证: 也为自反 Banach 空间.

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明.
设 为自反 Banach 空间, 为闭线性子空间. 记 与 分别为典范嵌入: 已知 是等距同构, 是等距嵌入. 要证 自反, 只需证 是满射.

令 为包含映射, 则 为线性等距. 其对偶算子 定义为 即 . 由 Hahn–Banach 定理, 任意 均可延拓为 上的有界线性泛函, 故 是满射.

考虑 的双重对偶算子 : 为线性等距嵌入. 直接计算可知下图交换: 即对任意 和 , 故 .

任取 , 令 . 由于 自反, 存在唯一 使得 . 以下证明 且 .

第一步: .
对任意 满足 (即 ), 有 若 , 因 闭, 由 Hahn–Banach 定理存在 使 但 , 矛盾. 故 .

第二步: .
对任意 , 由 满射, 取 满足 . 则 因为 且 , 有 . 于是 即 .

因此 是满射, 从而为等距同构. 故 是自反 Banach 空间.