设 X 为赋范空间,f 为 X 上给定的非零有界线性泛函,令 E={x∈X:f(x)=∥f∥},求证:
- E 为 X 的非空凸子集
- 若 dim(X)≥2,则 f 为满射但不为单射,进而证明 E 不为有界集
- x∈Einf∥x∥=1
先证 E 非空。
由 f 为非零有界线性泛函,故 ∃x0∈X,f(x0)=0,再令 x1=f(x0)x0∥f∥,则 f(x1)=∥f∥,故 x1∈E,故 E 非空。
再证 E 为凸集。
取 x,y∈E,λ∈[0,1],则有
f(λx+(1−λ)y)=λf(x)+(1−λ)f(y)=λ∥f∥+(1−λ)∥f∥=∥f∥
故 λx+(1−λ)y∈E,故 E 为凸集。
dim(X)≥2,故 ∃x1,x2∈X,x1=x2,且 x1,x2 线性无关。
类似 1.,可构造 x1,x2 对应的 x1′,x2′∈E,且 x1′,x2′ 线性无关。
f(x1′−x2′)=f(x1′)−f(x2′)=∥f∥−∥f∥=0,故 x1′−x2′∈N(f),且 x1′−x2′=0,故 f 不为单射。
再证 f 为满射。
取 x0∈X 使得 f(x0)=0,则 ∀k∈K,f(f(x0)kx0)=k,故 f 为满射。
再证 E 不为有界集。
由 dim(X)≥2,故可取线性无关的 x1,x2∈X,且可适当选取使 f(x1)=0。
若 f(x2)=0,则 ∀x∈E,∀λ∈K,f(x+λx2)=f(x)+λf(x2)=∥f∥+0=∥f∥,故 x+λx2∈E,且 ∥x+λx2∥=∥x∥+∣λ∣∥x2∥ 可以任意大,故 E 不为有界集。
若 f(x2)=0,则 f(x1−f(x2)f(x1)x2)=0,可类似上面的证明,故 E 不为有界集。
∀x∈E,有
f(x)∥f∥1≤∥f∥∥x∥≤∥f∥∥x∥≤∥x∥
故 x∈Einf∥x∥≥1。