Teorema Lax–Milgram dan Latihan

Batas sumber. Bagian ini mengikat funct_anal.tex baris 1744-2180 pada sumber beku.

Teorema Lax–Milgram

Definisi. Misalkan HH suatu ruang Hilbert atas ℂ\mathbb{C}. Suatu bentuk sesquilinear terbatas (atau kontinu) pada HH adalah pemetaan B:H×H→ℂB:H\times H \rightarrow \mathbb{C} sedemikian sehingga

  1. Untuk setiap u∈Hu\in H, pemetaan v↦B(u,v)v \mapsto B(u,v) bersifat konjugat-linear.

  2. Untuk setiap v∈Hv\in H, pemetaan u↦B(u,v)u \mapsto B(u,v) bersifat linear.

  3. Terdapat konstanta CC sedemikian sehingga |B(u,v)|≤C∥u∥∥v∥\displaystyle\left| B(u,v) \right| \leq C \|u\|\,\|v\| untuk setiap (u,v)∈H×H\displaystyle(u,v) \in H \times H, dengan ∥⋅∥\|\cdot\| menyatakan norma yang diinduksi oleh hasil kali skalar ⟨⋅,⋅⟩\left\langle{\cdot},{\cdot}\right\rangle pada HH.

Bentuk sesquilinear terbatas BB disebut simetris jika B(u,v)=B(v,u)¯\displaystyle B(u,v) = \overline{B(v,u)} untuk setiap u,v∈Hu,v \in H.

Bentuk sesquilinear terbatas BB disebut koersif jika terdapat konstanta positif cc sedemikian sehingga Re⁡B(u,u)≥c∥u∥2\displaystyle\operatorname{Re}B(u,u) \geq c \|u\|^2 untuk setiap u∈Hu \in H. Pada kasus real, yakni ketika HH suatu ruang Hilbert atas ℝ\mathbb{R} dan B:H×H→ℝB:H\times H\rightarrow\mathbb{R} suatu bentuk bilinear terbatas, syarat ini cukup ditulis sebagai B(u,u)≥c∥u∥2\displaystyle B(u,u) \geq c \|u\|^2.

Proposisi 4.5.2. Misalkan HH suatu ruang Hilbert dan KK suatu himpunan bagian tak kosong, konveks, dan tertutup dari HH. Untuk setiap w∈Hw\in H, terdapat unsur tunggal u∈Ku \in K sedemikian sehingga

∥w−u∥=minv∈K∥w−v∥.\|w-u\| = \min_{v\in K} \|w-v\| \ . Selain itu, uu merupakan unsur tunggal di KK yang memenuhi

Re⁡⟨w−u,v−u⟩≤0\operatorname{Re}\left\langle{w-u},{v-u}\right\rangle \leq 0 untuk setiap v∈Kv \in K.

Bukti. (i) Karena w−Kw-K merupakan himpunan bagian tak kosong, konveks, dan tertutup dari HH, menurut Teorema 4.1.7 himpunan ini mempunyai unsur tunggal dengan norma terkecil. Jika ŭ∈w−K\breve{u} \in w-K adalah unsur tersebut, maka u=w−ŭu=w-\breve{u}.

(ii) Andaikan uu memenuhi (4.5.1) dan ambil v∈Kv \in K. Misalkan vt=(1−t)u+tv\displaystyle v_t=(1-t)u+tv untuk 0≤t≤10\leq t\leq1. Karena KK konveks, kita mempunyai vt∈Kv_t\in K untuk setiap t∈[0,1]t\in[0,1]. Jadi,

∥w−u∥2≤∥w−vt∥2=∥(w−u)−t(v−u)∥2=∥w−u∥2−2tRe⁡⟨w−u,v−u⟩+t2∥u−v∥2.\begin{aligned} \|w-u\|^2 &\leq \|w-v_t\|^2 = \|(w-u)-t(v-u)\|^2 \\ &= \|w-u\|^2 - 2t \operatorname{Re}\left\langle{w-u},{v-u}\right\rangle + t^2 \|u-v\|^2 \ . \end{aligned} Akibatnya,

2Re⁡⟨w−u,v−u⟩≤t∥u−v∥22\operatorname{Re}\left\langle{w-u},{v-u}\right\rangle \leq t \|u-v\|^2 untuk 0<t≤10<t\leq1. Dengan mengambil limit t→0t\rightarrow0, kita memperoleh (4.5.2).

Sebaliknya, jika u∈Ku\in K memenuhi (4.5.2), maka

∥w−u∥2−∥w−v∥2=∥w−u∥2−∥(w−u)+(u−v)∥2=−2Re⁡⟨w−u,u−v⟩−∥u−v∥2=2Re⁡⟨w−u,v−u⟩−∥u−v∥2≤0\begin{aligned} &\|w-u\|^2 - \|w-v\|^2 = \|w-u\|^2 - \|(w-u)+(u-v)\|^2 \\ &\qquad = -2 \operatorname{Re}\left\langle{w-u},{u-v}\right\rangle - \|u-v\|^2 = 2 \operatorname{Re}\left\langle{w-u},{v-u}\right\rangle - \|u-v\|^2\leq0 \end{aligned} untuk v∈Kv\in K. Jadi, (4.5.1) dipenuhi.

Ketunggalan uu yang memenuhi (4.5.2) mengikuti dari ketunggalan uu yang memenuhi (4.5.1). Jika terdapat dua unsur berbeda u1u_1 dan u2u_2 di KK yang memenuhi (4.5.2), keduanya juga harus memenuhi (4.5.1) karena (4.5.1) dan (4.5.2) ekuivalen. Hal ini bertentangan dengan ketunggalan unsur bernorma terkecil dalam w−Kw-K. ◻

Catatan. Ketunggalan unsur uu yang memenuhi (4.5.2) juga dapat dibuktikan secara langsung. Andaikan terdapat u1,u2∈Ku_1,u_2\in K sedemikian sehingga Re⁡⟨w−u1,v−u1⟩≤0\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w-u_1},{v-u_1}\right\rangle\leq0 dan Re⁡⟨w−u2,v−u2⟩≤0\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w-u_2},{v-u_2}\right\rangle\leq0 untuk setiap v∈Kv\in K. Substitusikan v=u2v=u_2 ke dalam ketaksamaan pertama dan v=u1v=u_1 ke dalam ketaksamaan kedua, lalu jumlahkan kedua ketaksamaan yang dihasilkan. Kita memperoleh ⟨u1−u2,u1−u2⟩≤0\displaystyle\left\langle{u_1-u_2},{u_1-u_2}\right\rangle\leq0. Jadi, u1=u2u_1=u_2.

Teorema 4.5.4. Misalkan B:H×H→ℂB:H\times H\rightarrow\mathbb{C} suatu bentuk sesquilinear terbatas dan koersif pada ruang Hilbert HH. Selain itu, misalkan KK suatu himpunan bagian tak kosong, konveks, dan tertutup dari HH. Maka, untuk setiap ũ∈H*\displaystyle\tilde{u}\in H^\ast, terdapat u∈Ku\in K tunggal sedemikian sehingga

Re⁡B(v−u,u)≥Re⁡ũ(v−u)\operatorname{Re}B(v-u,u) \geq \operatorname{Re}\tilde{u}(v-u) untuk setiap v∈Kv\in K. Selain itu, jika bentuk sesquilinear BB juga simetris, maka uu merupakan unsur tunggal di KK sedemikian sehingga

12B(u,u)−Re⁡ũ(u)=minv∈K{12B(v,v)−Reũ(v)}.\frac{1}{2}B(u,u) - \operatorname{Re}\tilde{u}(u) = \min_{v\in K} \left\{ \frac{1}{2}B(v,v) - \operatorname{Re}\tilde{u}(v) \right\} \ .

Bukti. (i) Karena v↦B(v,u)v\mapsto B(v,u) merupakan fungsional linear terbatas pada HH untuk setiap u∈Hu\in H, kita dapat menggunakan Teorema Representasi Riesz untuk mendefinisikan pemetaan tunggal A:H→HA:H\rightarrow H sedemikian sehingga B(v,u)=⟨v,Au⟩\displaystyle B(v,u)=\left\langle{v},{Au}\right\rangle untuk setiap v∈Hv\in H. Dengan kata lain, AuAu adalah unsur tunggal di HH yang memenuhi hubungan tersebut.

Sekarang kita membuktikan bahwa AA merupakan pemetaan linear terbatas dan injektif.

  1. Menurut definisi AA, untuk a1,a2∈ℂa_1,a_2\in\mathbb{C} dan u1,u2∈Hu_1,u_2\in H kita mempunyai

    ⟨v,A(a1u1+a2u2)⟩=B(v,a1u1+a2u2)=a1¯B(v,u1)+a2¯B(v,u2)=a1¯⟨v,Au1⟩+a2¯⟨v,Au2⟩=⟨v,a1Au1+a2Au2⟩\begin{aligned} \left\langle{v},{A\left(a_1u_1+a_2u_2\right)}\right\rangle &=B(v,a_1u_1+a_2u_2)=\overline{a_1}B(v,u_1)+\overline{a_2}B(v,u_2) \\ &=\overline{a_1}\left\langle{v},{Au_1}\right\rangle+\overline{a_2}\left\langle{v},{Au_2}\right\rangle =\left\langle{v},{a_1Au_1+a_2Au_2}\right\rangle \end{aligned} untuk setiap v∈Hv\in H. Oleh karena representasi unsur H*H^\ast oleh unsur HH dalam Teorema Representasi Riesz bersifat tunggal, A(a1u1+a2u2)=a1Au1+a2Au2A(a_1u_1+a_2u_2)=a_1Au_1+a_2Au_2. Jadi, AA merupakan pemetaan linear.

  2. Karena

    ∥Au∥2=⟨Au,Au⟩=B(Au,u)=|B(Au,u)|≤C∥u∥∥Au∥\|Au\|^2=\left\langle{Au},{Au}\right\rangle=B(Au,u)=|B(Au,u)| \leq C\|u\|\,\|Au\| untuk setiap u∈Hu\in H, dengan CC konstanta dalam definisi bentuk sesquilinear terbatas, kita memperoleh

    ∥Au∥≤C∥u∥\|Au\|\leq C\|u\| untuk setiap u∈Hu\in H. Dengan demikian, norma operator terinduksi dari AA memenuhi ∥A∥≤C\|A\|\leq C, sehingga AA merupakan pemetaan linear terbatas.

  3. Sifat koersif BB menunjukkan bahwa AA injektif. Memang, untuk setiap u1,u2∈Hu_1,u_2\in H kita mempunyai

    Re⁡⟨u1−u2,A(u1−u2)⟩=Re⁡B(u1−u2,u1−u2)≥c∥u1−u2∥2,\operatorname{Re}\left\langle{u_1-u_2},{A(u_1-u_2)}\right\rangle = \operatorname{Re}B(u_1-u_2,u_1-u_2) \geq c\|u_1-u_2\|^2, dengan cc konstanta dalam definisi bentuk sesquilinear terbatas yang koersif. Jika Au1=Au2Au_1=Au_2, maka

    0=Re⁡⟨u1−u2,A(u1−u2)⟩≥c∥u1−u2∥2.0=\operatorname{Re}\left\langle{u_1-u_2},{A(u_1-u_2)}\right\rangle\geq c\|u_1-u_2\|^2 \ . Jadi, u1=u2u_1=u_2.

(ii) Menurut Teorema Representasi Riesz, Teorema 4.1.9, terdapat ŭ∈H\breve{u}\in H tunggal sedemikian sehingga ũ(v)=⟨v,ŭ⟩\displaystyle\tilde{u}(v)=\left\langle{v},{\breve{u}}\right\rangle untuk setiap v∈Hv\in H.

Membuktikan keberadaan u∈Ku\in K tunggal yang memenuhi (4.5.3) ekuivalen dengan membuktikan keberadaan u∈Ku\in K tunggal yang memenuhi

Re⁡⟨v−u,Au⟩≥Re⁡⟨v−u,ŭ⟩\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{Au}\right\rangle\geq\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{\breve{u}}\right\rangle untuk setiap v∈Kv\in K. Misalkan pp suatu bilangan positif. Keberadaan dan ketunggalan u∈Ku\in K yang memenuhi (4.5.7) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan u∈Ku\in K yang memenuhi

Re⁡⟨v−u,(pŭ−pAu+u)−u⟩≤0\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{\left(p\breve{u}-pAu+u\right)-u}\right\rangle\leq0 untuk setiap v∈Kv\in K.

Misalkan P:H→KP:H\rightarrow K adalah fungsi yang didefinisikan oleh P(w)=u\displaystyle P(w)=u, dengan uu memenuhi (4.5.2). Karena uu tunggal, fungsi PP terdefinisi dengan baik. Dengan demikian, keberadaan dan ketunggalan u∈Ku\in K yang memenuhi (4.5.8) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan titik tetap uu dari

F:K→Kv↦P(pŭ−pAv+v).\begin{aligned} F:K&\rightarrow K \\ v&\mapsto P(p\breve{u}-pAv+v). \end{aligned} Untuk membuktikan pernyataan terakhir ini, cukup dibuktikan bahwa FF merupakan kontraksi ketat pada himpunan tertutup KK. Kita sekarang membuktikannya dengan memilih konstanta pp yang sesuai.

Pertama, kita buktikan bahwa ∥P(w1)−P(w2)∥≤∥w1−w2∥\|P(w_1)-P(w_2)\|\leq\|w_1-w_2\| untuk setiap w1,w2∈Hw_1,w_2\in H. Unsur P(w1)P(w_1) dan P(w2)P(w_2) masing-masing didefinisikan oleh Re⁡⟨w1−P(w1),v−P(w1)⟩≤0\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w_1-P(w_1)},{v-P(w_1)}\right\rangle\leq0 dan Re⁡⟨w2−P(w2),v−P(w2)⟩≤0\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w_2-P(w_2)},{v-P(w_2)}\right\rangle\leq0 untuk setiap v∈Kv\in K. Substitusikan v=P(w2)v=P(w_2) ke dalam ketaksamaan pertama dan v=P(w1)v=P(w_1) ke dalam ketaksamaan kedua, lalu jumlahkan. Kita memperoleh

Re⁡⟨w1−P(w1),P(w2)−P(w1)⟩+Re⁡⟨w2−P(w2),P(w1)−P(w2)⟩=Re⁡⟨−w1+w2+P(w1)−P(w2),P(w1)−P(w2)⟩≤0⇔⟨P(w1)−P(w2),P(w1)−P(w2)⟩=Re⁡⟨P(w1)−P(w2),P(w1)−P(w2)⟩≤Re⁡⟨w1−w2,P(w1)−P(w2)⟩.\begin{aligned} &\operatorname{Re}\left\langle{w_1-P(w_1)},{P(w_2)-P(w_1)}\right\rangle +\operatorname{Re}\left\langle{w_2-P(w_2)},{P(w_1)-P(w_2)}\right\rangle \\ &\qquad\qquad =\operatorname{Re}\left\langle{-w_1+w_2+P(w_1)-P(w_2)},{P(w_1)-P(w_2)}\right\rangle\leq0 \\ &\qquad\Leftrightarrow \left\langle{P(w_1)-P(w_2)},{P(w_1)-P(w_2)}\right\rangle =\operatorname{Re}\left\langle{P(w_1)-P(w_2)},{P(w_1)-P(w_2)}\right\rangle \\ &\qquad\qquad \leq\operatorname{Re}\left\langle{w_1-w_2},{P(w_1)-P(w_2)}\right\rangle. \end{aligned} Jadi,

∥P(w1)−P(w2)∥2=⟨P(w1)−P(w2),P(w1)−P(w2)⟩≤Re⁡⟨w1−w2,P(w1)−P(w2)⟩≤∥w1−w2∥∥P(w1)−P(w2)∥,\begin{aligned} \|P(w_1)-P(w_2)\|^2 &=\left\langle{P(w_1)-P(w_2)},{P(w_1)-P(w_2)}\right\rangle \\ &\leq\operatorname{Re}\left\langle{w_1-w_2},{P(w_1)-P(w_2)}\right\rangle \leq\|w_1-w_2\|\,\|P(w_1)-P(w_2)\|, \end{aligned} dengan ketaksamaan terakhir berasal dari ketaksamaan Schwarz. Oleh karena itu, ∥P(w1)−P(w2)∥≤∥w1−w2∥\displaystyle\|P(w_1)-P(w_2)\|\leq\|w_1-w_2\|.

Akibatnya,

∥F(v1)−F(v2)∥2=∥P(pŭ−pAv1+v1)−P(pŭ−pAv2+v2)∥2≤∥p(Av2−Av1)−(v2−v1)∥2=p2∥Av2−Av1∥2−2pRe⁡⟨Av2−Av1,v2−v1⟩+∥v2−v1∥2≤p2C2∥v2−v1∥2−2pc∥v2−v1∥2+∥v2−v1∥2=(p2C2−2pc+1)∥v2−v1∥2\begin{aligned} \|F(v_1)-F(v_2)\|^2 &=\|P(p\breve{u}-pAv_1+v_1)-P(p\breve{u}-pAv_2+v_2)\|^2 \\ &\leq\|p(Av_2-Av_1)-(v_2-v_1)\|^2 \\ &=p^2\|Av_2-Av_1\|^2-2p\operatorname{Re}\left\langle{Av_2-Av_1},{v_2-v_1}\right\rangle +\|v_2-v_1\|^2 \\ &\leq p^2C^2\|v_2-v_1\|^2-2pc\|v_2-v_1\|^2 +\|v_2-v_1\|^2 \\ &=(p^2C^2-2pc+1)\|v_2-v_1\|^2 \end{aligned} untuk setiap v1,v2∈Kv_1,v_2\in K, dengan (4.5.5) dan (4.5.6) digunakan pada ketaksamaan terakhir. Pilih 0<p<2c/C2\displaystyle 0<p<2c/C^2. Karena 0<c≤C0<c\leq C, kita mempunyai

0≤p2C2−2pc+1<1.0\leq p^2C^2-2pc+1<1. Memang, p(pC2−2c)<0p(pC^2-2c)<0, sedangkan nilai minimum ekspresi kuadrat tersebut ialah 1−c2/C2≥01-c^2/C^2\geq0. Jadi, FF merupakan kontraksi ketat pada KK dengan faktor kontraksi p2C2−2pc+1<1\sqrt{p^2C^2-2pc+1}<1.

(iii) Jika BB juga merupakan bentuk sesquilinear terbatas yang simetris, keberadaan dan ketunggalan u∈Ku\in K yang memenuhi (4.5.3) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan u∈Ku\in K yang memenuhi (4.5.4).

Misalkan

⟨v,u⟩B=B(v,u)\left\langle{v},{u}\right\rangle_B=B(v,u) untuk setiap u,v∈Hu,v\in H. Karena BB merupakan bentuk sesquilinear terbatas yang koersif dan simetris pada HH, ⟨⋅,⋅⟩B\left\langle{\cdot},{\cdot}\right\rangle_B merupakan hasil kali skalar pada HH yang ekuivalen dengan hasil kali skalar baku pada HH; yakni, ⟨⋅,⋅⟩B\left\langle{\cdot},{\cdot}\right\rangle_B dan ⟨⋅,⋅⟩\left\langle{\cdot},{\cdot}\right\rangle mendefinisikan topologi yang sama pada HH. Karena itu, Teorema Representasi Riesz memberikan ǔ∈H\check{u}\in H tunggal sedemikian sehingga ũ(v)=⟨v,ǔ⟩B\displaystyle\tilde{u}(v)=\left\langle{v},{\check{u}}\right\rangle_B untuk setiap v∈Hv\in H. Dengan demikian, (4.5.3) menjadi

Re⁡⟨v−u,ǔ−u⟩B≤0\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{\check{u}-u}\right\rangle_B\leq0 untuk setiap v∈Kv\in K.

Menurut Proposisi 4.5.2, keberadaan dan ketunggalan u∈Ku\in K yang memenuhi (4.5.9) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan u∈Ku\in K yang memenuhi

∥ǔ−u∥B=minv∈K∥ǔ−v∥B,\|\check{u}-u\|_B=\min_{v\in K}\|\check{u}-v\|_B, dengan ∥v∥B=B(v,v)\|v\|_B=\sqrt{B(v,v)} untuk v∈Hv\in H. Hal ini ekuivalen dengan keberadaan v∈Kv\in K tunggal sedemikian sehingga pemetaan

v↦B(ǔ−v,ǔ−v)=B(ǔ,ǔ)−2Re⁡B(v,ǔ)+B(v,v)v\mapsto B(\check{u}-v,\check{u}-v)=B(\check{u},\check{u}) -2\operatorname{Re}B(v,\check{u})+B(v,v) mencapai minimumnya, yang pada gilirannya ekuivalen dengan keberadaan v∈Kv\in K tunggal sedemikian sehingga pemetaan

v↦−2Re⁡B(v,ǔ)+B(v,v)=B(v,v)−2Re⁡ũ(v)v\mapsto-2\operatorname{Re}B(v,\check{u})+B(v,v) =B(v,v)-2\operatorname{Re}\tilde{u}(v) mencapai minimumnya. Inilah (4.5.4). ◻

Korolari 4.5.5. Misalkan B:H×H→ℂB:H\times H\rightarrow\mathbb{C} suatu bentuk sesquilinear terbatas dan koersif pada ruang Hilbert HH. Maka, untuk setiap ũ∈H*\displaystyle\tilde{u}\in H^\ast, terdapat u∈Hu\in H tunggal sedemikian sehingga

B(v,u)=ũ(v)B(v,u)=\tilde{u}(v) untuk setiap v∈Hv\in H. Selain itu, jika bentuk sesquilinear BB juga simetris, maka uu merupakan unsur tunggal di HH sedemikian sehingga

12B(u,u)−Re⁡ũ(u)=minv∈H{12B(v,v)−Reũ(v)}.\frac{1}{2}B(u,u)-\operatorname{Re}\tilde{u}(u)=\min_{v\in H}\left\{ \frac{1}{2}B(v,v)-\operatorname{Re}\tilde{u}(v)\right\} \ .

Bukti. Ini adalah Teorema Stampacchia dengan K=HK=H. Untuk membuktikan (4.5.10), perhatikan bahwa (4.5.3) sekarang menyatakan bahwa terdapat u∈Hu\in H tunggal sedemikian sehingga Re⁡B(v−u,u)≥Re⁡ũ(v−u)\displaystyle\operatorname{Re}B(v-u,u)\geq\operatorname{Re}\tilde{u}(v-u) untuk setiap v∈Hv\in H. Karena H−u=HH-u=H, pernyataan tersebut ekuivalen dengan keberadaan u∈Hu\in H tunggal sedemikian sehingga

Re⁡B(v,u)≥Re⁡ũ(v)\operatorname{Re}B(v,u)\geq\operatorname{Re}\tilde{u}(v) untuk setiap v∈Hv\in H.

Jika v=wv=w dalam (4.5.12), kita memperoleh

Re⁡B(w,u)≥Re⁡ũ(w).\operatorname{Re}B(w,u)\geq\operatorname{Re}\tilde{u}(w) \ . Jika v=−wv=-w dalam (4.5.12), kita memperoleh Re⁡B(−w,u)≥Re⁡ũ(−w)\operatorname{Re}B(-w,u)\geq\operatorname{Re}\tilde{u}(-w). Oleh karena itu,

Re⁡B(w,u)=−Re⁡B(−w,u)≤−Re⁡ũ(−w)=Re⁡ũ(w).\operatorname{Re}B(w,u)=-\operatorname{Re}B(-w,u)\leq-\operatorname{Re}\tilde{u}(-w)=\operatorname{Re}\tilde{u}(w) \ . (4.5.13) dan (4.5.14) mengakibatkan Re⁡B(w,u)=Re⁡ũ(w)\displaystyle\operatorname{Re}B(w,u)=\operatorname{Re}\tilde{u}(w) untuk setiap w∈Hw\in H. Jadi, w↦B(w,u)w\mapsto B(w,u) dan ũ\tilde{u} menyatakan fungsional linear yang sama 1. Dengan demikian, (4.5.10) berlaku.

Jika u′≠uu'\neq u memenuhi B(v,u′)=ũ(v)B(v,u')=\tilde{u}(v) untuk setiap v∈Hv\in H, maka (4.5.12) juga dipenuhi dengan u′u' menggantikan uu. Hal ini bertentangan dengan ketunggalan uu yang memenuhi (4.5.12).

Jelas bahwa (4.5.11) adalah (4.5.4) dengan K=HK=H. ◻

Catatan 4.5.6. Jika kita hanya memerlukan keberadaan dan ketunggalan u∈Hu\in H yang memenuhi (4.5.10), terdapat pembuktian singkat yang hampir sama dengan bagian pertama pembuktian Teorema 4.5.4.

Menurut Teorema Representasi Riesz, terdapat ŭ∈H\breve{u}\in H tunggal sedemikian sehingga ũ(v)=⟨v,ŭ⟩\displaystyle\tilde{u}(v)=\left\langle{v},{\breve{u}}\right\rangle untuk setiap v∈Hv\in H.

Serupa dengan itu, karena v↦B(v,u)v\mapsto B(v,u) merupakan fungsional linear terbatas pada HH untuk setiap u∈Hu\in H, Teorema Representasi Riesz mendefinisikan pemetaan tunggal A:H→HA:H\rightarrow H sedemikian sehingga B(v,u)=⟨v,Au⟩\displaystyle B(v,u)=\left\langle{v},{Au}\right\rangle untuk setiap v∈Hv\in H. Dengan kata lain, AuAu adalah unsur tunggal di HH yang memenuhi hubungan tersebut.

Untuk membuktikan keberadaan dan ketunggalan u∈Hu\in H yang memenuhi (4.5.10), cukup dibuktikan bahwa AA merupakan bijeksi linear dari HH ke dirinya sendiri. Unsur uu yang diminta dalam (4.5.10) ialah A−1(ŭ)\displaystyle A^{-1}(\breve{u}). Bagian pertama pembuktian Teorema 4.5.4 telah menunjukkan bahwa AA merupakan pemetaan linear terbatas dan injektif. Sifat koersif BB mengakibatkan A(H)A(H) tertutup, seperti yang sekarang kita jelaskan. Jika {Auj}j=1∞\displaystyle\{Au_j\}_{j=1}^\infty konvergen ke w∈Hw\in H, maka

∥Auj∥∥uj∥≥|⟨uj,Auj⟩|=|B(uj,uj)|≥c∥uj∥2\|Au_j\|\,\|u_j\|\geq|\left\langle{u_j},{Au_j}\right\rangle|=|B(u_j,u_j)| \geq c\|u_j\|^2 untuk j≥1j\geq1. Jadi, ∥Auj∥≥c∥uj∥\displaystyle\|Au_j\|\geq c\|u_j\| untuk setiap jj. Dengan menerapkan ketaksamaan yang sama pada uj−uku_j-u_k, kita memperoleh ∥A(uj−uk)∥≥c∥uj−uk∥\|A(u_j-u_k)\|\geq c\|u_j-u_k\|. Karena {Auj}j=1∞\displaystyle\{Au_j\}_{j=1}^\infty konvergen, barisan ini merupakan barisan Cauchy; akibatnya, {uj}j=1∞\displaystyle\{u_j\}_{j=1}^\infty juga merupakan barisan Cauchy dalam ruang Hilbert HH. Jadi, barisan {uj}j=1∞\displaystyle\{u_j\}_{j=1}^\infty konvergen. Misalkan uu limit barisan tersebut. Karena AA kontinu, kita mempunyai

w=limj→∞Auj=A(limj→∞uj)=A(u).w=\lim_{j\rightarrow\infty}Au_j =A\left(\lim_{j\rightarrow\infty}u_j\right)=A(u) \ . Jadi, w∈A(H)w\in A(H).

Terakhir, citra AA rapat dalam HH. Andaikan w∈A(H)⟂\displaystyle w\in A(H)^\perp. Maka

c∥w∥2≤|B(w,w)|=|⟨w,Aw⟩|=0.c\|w\|^2\leq|B(w,w)|=|\left\langle{w},{Aw}\right\rangle|=0 \ . Karena ℛ(A)\mathcal{R}(A) tertutup dan rapat dalam HH, kita memperoleh A(H)=HA(H)=H.

Catatan 4.5.7. Pemetaan solusi

T:H*→Hũ↦u\begin{aligned} T:H^\ast&\rightarrow H \\ \tilde{u}&\mapsto u \end{aligned} yang didefinisikan oleh (4.5.10) dalam Akibat 4.5.5 merupakan pemetaan konjugat-linear terbatas (dan merupakan pemetaan linear pada kasus real). Kita menunjukkannya sebagai komposisi suatu pemetaan linear terbatas dengan suatu pemetaan konjugat-linear terbatas.

Misalkan R:H*→H\displaystyle R:H^\ast\rightarrow H adalah pemetaan konjugat-linear terbatas yang memetakan ũ\tilde{u} ke unsur tunggal R(ũ)R(\tilde{u}) dari Teorema Representasi Riesz, sehingga ũ(v)=⟨v,R(ũ)⟩\tilde{u}(v)=\left\langle{v},{R(\tilde{u})}\right\rangle untuk setiap v∈Hv\in H. Kita mempunyai ∥R∥=1\|R\|=1 karena ∥ũ∥=∥R(ũ)∥\|\tilde{u}\|=\|R(\tilde{u})\| untuk setiap ũ∈H*\displaystyle\tilde{u}\in H^\ast. Misalkan A:H→HA:H\rightarrow H adalah pemetaan linear terbatas yang didefinisikan dalam Catatan 4.5.6. Karena AA merupakan bijeksi linear dari HH ke HH, Teorema Pemetaan Terbuka menyatakan bahwa A−1\displaystyle A^{-1} kontinu. Akhirnya, T=A−1∘R\displaystyle T=A^{-1}\circ R, sehingga TT konjugat-linear dan terbatas.

Latihan

Masalah yang kami sarankan hanya mencakup ruang L2\displaystyle L^2, khususnya deret Fourier klasik. Untuk latihan mengenai teori umum analisis fungsional, pembaca sebaiknya merujuk buku-buku seperti Br; ReeSim; Ru; RuFA. Beberapa buku tentang persamaan diferensial parsial dalam bibliografi memuat bagian mengenai analisis fungsional beserta sejumlah latihan dasar. Secara umum, bagian-bagian tersebut bukan pengganti buku analisis fungsional yang baik. Ada satu pengecualian: Br menyajikan pengantar yang baik terhadap hasil-hasil penting analisis fungsional dan juga memuat banyak latihan, dengan solusi terperinci bagi banyak di antaranya. Kami sangat menyarankan buku ini.

Latihan yang disarankan:

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.


  1. Re⁡B(w,u)=Re⁡ũ(w)\displaystyle\operatorname{Re}B(w,u)=\operatorname{Re}\tilde{u}(w) untuk setiap w∈Hw\in H jika dan hanya jika Re⁡B(iw,u)=Re⁡ũ(iw)\displaystyle\operatorname{Re}B(iw,u)=\operatorname{Re}\tilde{u}(iw) untuk setiap w∈Hw\in H, jika dan hanya jika Re⁡(iB(w,u))=Re⁡(iũ(w))\displaystyle\operatorname{Re}(iB(w,u))=\operatorname{Re}(i\tilde{u}(w)) untuk setiap w∈Hw\in H, jika dan hanya jika Im⁡B(w,u)=Im⁡ũ(w)\displaystyle\operatorname{Im}B(w,u)=\operatorname{Im}\tilde{u}(w) untuk setiap w∈Hw\in H.↩︎

← Kembali ke Program Matematika