设 X 为赋范空间,M 为 X 的非空凸子集。给定 x0∈/M,∃y1=y2 为 M 中的两个最佳逼近元。求证:
- 最佳逼近元组成凸子集
- 存在 z1,z2∈X,z1=z2,∥z1∥=∥z2∥=1 且 ∥λz1+(1−λ)z2∥=1,∀λ∈[0,1]
- 存在 f∈X′,∥f∥=1,f(z1)=f(z2)=1
- X 不是内积空间
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令 ρ=∥x0−y1∥=∥x0−y2∥
∀λ∈[0,1],
∥x0−[λy1+(1−λy2)]∥=∥λ(x0−y1)+(1−λ)(x0−y2)∥≤λ∥x0−y1∥+(1−λ)∥x0−y2∥=λρ+(1−λρ)=ρ
而由于 M 为凸集,故 λy1+(1−λy2)∈M,故 ∥x0−[λy1+(1−λy2)]∥≥ρ
因此 ∥x0−[λy1+(1−λy2)]∥=ρ
故 λy1+(1−λy2) 也是 x0 在 M 中的最佳逼近元
故 x0 在 M 中的最佳逼近元是 X 中的凸子集
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令 z1=ρx0−y1,z2=ρx0−y2。则 ∥z1−z2∥=ρ1∥y2−y1∥=0,故 z1=z2。而
∥z1∥=ρx0−y1=ρ1∥x0−y1∥=ρ1ρ=1,∥z2∥=⋯=1
∥λz1+(1−λ)z2∥=ρ1∥λ(x0−y1)+(1−λ)(x0−y2)∥=ρ1∥x0−[λy1+(1−λy2)]∥=ρ1ρ=1
因此 z1,z2 即为所求
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因为 2z1+z2=1
故由 Hahn-Banach 定理,存在 f∈X′,满足 ∥f∥=1 且 f(2z1+z2)=2z1+z2=1
故 f(z1)+f(z2)=2
而 ∣f(z1)∣≤∥f∥∥z1∥=1,∣f(z2)∣≤∥f∥∥z2∥=1
令 f(z1)=α1+iβ1,f(z2)=α2+iβ2,αi,βi∈R
则 α1+α2+i(β1+β2)=2,即 α1+α2=2,β1+β2=0
由 ∣f(z1)∣≤1 知 ∣αi∣≤1,又 α1+α2=2
可知 α1=α2=1,故 β1=β2=0
即 f(z1)=f(z2)=1
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内积空间需满足 ∀x,y∈X,均有 ∥x+y∥2+∥x−y∥2=2(∥x∥2+∥y∥2)
取 x=2z1+z2,y=2z1−z2,则 x+y=z1,x−y=z2
则 ∥x+y∥2+∥x−y∥2=∥z1∥2+∥z2∥2=1+1=2
而 ∥x∥=∥21z1+(1−21)z2∥=1
且由于 z1=z2,故 ∥y∥2>0,,故
故
2(∥x∥2+∥y∥2)=2(1+∥y∥2)>2(1+0)=2=∥x+y∥2+∥x−y∥2
故平行四边形等式不成立
故 X 不为内积空间