Teorema Lax–Milgram dan Latihan
Batas sumber. Bagian ini mengikat
funct_anal.tex baris 1744-2180 pada sumber beku.
Teorema Lax–Milgram
Definisi. Misalkan suatu ruang Hilbert atas . Suatu bentuk sesquilinear terbatas (atau kontinu) pada adalah pemetaan sedemikian sehingga
Untuk setiap , pemetaan bersifat konjugat-linear.
Untuk setiap , pemetaan bersifat linear.
Terdapat konstanta sedemikian sehingga untuk setiap , dengan menyatakan norma yang diinduksi oleh hasil kali skalar pada .
Bentuk sesquilinear terbatas disebut simetris jika untuk setiap .
Bentuk sesquilinear terbatas disebut koersif jika terdapat konstanta positif sedemikian sehingga untuk setiap . Pada kasus real, yakni ketika suatu ruang Hilbert atas dan suatu bentuk bilinear terbatas, syarat ini cukup ditulis sebagai .
Proposisi 4.5.2. Misalkan suatu ruang Hilbert dan suatu himpunan bagian tak kosong, konveks, dan tertutup dari . Untuk setiap , terdapat unsur tunggal sedemikian sehingga
Selain itu, merupakan unsur tunggal di yang memenuhi
untuk setiap .
Bukti. (i) Karena merupakan himpunan bagian tak kosong, konveks, dan tertutup dari , menurut Teorema 4.1.7 himpunan ini mempunyai unsur tunggal dengan norma terkecil. Jika adalah unsur tersebut, maka .
(ii) Andaikan memenuhi (4.5.1) dan ambil . Misalkan untuk . Karena konveks, kita mempunyai untuk setiap . Jadi,
Akibatnya,
untuk . Dengan mengambil limit , kita memperoleh (4.5.2).
Sebaliknya, jika memenuhi (4.5.2), maka
untuk . Jadi, (4.5.1) dipenuhi.
Ketunggalan yang memenuhi (4.5.2) mengikuti dari ketunggalan yang memenuhi (4.5.1). Jika terdapat dua unsur berbeda dan di 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 . ◻
Catatan. Ketunggalan unsur yang memenuhi (4.5.2) juga dapat dibuktikan secara langsung. Andaikan terdapat sedemikian sehingga dan untuk setiap . Substitusikan ke dalam ketaksamaan pertama dan ke dalam ketaksamaan kedua, lalu jumlahkan kedua ketaksamaan yang dihasilkan. Kita memperoleh . Jadi, .
Teorema 4.5.4. Misalkan suatu bentuk sesquilinear terbatas dan koersif pada ruang Hilbert . Selain itu, misalkan suatu himpunan bagian tak kosong, konveks, dan tertutup dari . Maka, untuk setiap , terdapat tunggal sedemikian sehingga
untuk setiap . Selain itu, jika bentuk sesquilinear juga simetris, maka merupakan unsur tunggal di sedemikian sehingga
Bukti. (i) Karena merupakan fungsional linear terbatas pada untuk setiap , kita dapat menggunakan Teorema Representasi Riesz untuk mendefinisikan pemetaan tunggal sedemikian sehingga untuk setiap . Dengan kata lain, adalah unsur tunggal di yang memenuhi hubungan tersebut.
Sekarang kita membuktikan bahwa merupakan pemetaan linear terbatas dan injektif.
Menurut definisi , untuk dan kita mempunyai
untuk setiap . Oleh karena representasi unsur oleh unsur dalam Teorema Representasi Riesz bersifat tunggal, . Jadi, merupakan pemetaan linear.
Karena
untuk setiap , dengan konstanta dalam definisi bentuk sesquilinear terbatas, kita memperoleh
untuk setiap . Dengan demikian, norma operator terinduksi dari memenuhi , sehingga merupakan pemetaan linear terbatas.
Sifat koersif menunjukkan bahwa injektif. Memang, untuk setiap kita mempunyai
dengan konstanta dalam definisi bentuk sesquilinear terbatas yang koersif. Jika , maka
Jadi, .
(ii) Menurut Teorema Representasi Riesz, Teorema 4.1.9, terdapat tunggal sedemikian sehingga untuk setiap .
Membuktikan keberadaan tunggal yang memenuhi (4.5.3) ekuivalen dengan membuktikan keberadaan tunggal yang memenuhi
untuk setiap . Misalkan suatu bilangan positif. Keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi (4.5.7) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi
untuk setiap .
Misalkan adalah fungsi yang didefinisikan oleh , dengan memenuhi (4.5.2). Karena tunggal, fungsi terdefinisi dengan baik. Dengan demikian, keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi (4.5.8) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan titik tetap dari
Untuk membuktikan pernyataan terakhir ini, cukup dibuktikan bahwa merupakan kontraksi ketat pada himpunan tertutup . Kita sekarang membuktikannya dengan memilih konstanta yang sesuai.
Pertama, kita buktikan bahwa untuk setiap . Unsur dan masing-masing didefinisikan oleh dan untuk setiap . Substitusikan ke dalam ketaksamaan pertama dan ke dalam ketaksamaan kedua, lalu jumlahkan. Kita memperoleh
Jadi,
dengan ketaksamaan terakhir berasal dari ketaksamaan Schwarz. Oleh karena itu, .
Akibatnya,
untuk setiap , dengan (4.5.5) dan (4.5.6) digunakan pada ketaksamaan terakhir. Pilih . Karena , kita mempunyai
Memang, , sedangkan nilai minimum ekspresi kuadrat tersebut ialah . Jadi, merupakan kontraksi ketat pada dengan faktor kontraksi .
(iii) Jika juga merupakan bentuk sesquilinear terbatas yang simetris, keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi (4.5.3) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi (4.5.4).
Misalkan
untuk setiap . Karena merupakan bentuk sesquilinear terbatas yang koersif dan simetris pada , merupakan hasil kali skalar pada yang ekuivalen dengan hasil kali skalar baku pada ; yakni, dan mendefinisikan topologi yang sama pada . Karena itu, Teorema Representasi Riesz memberikan tunggal sedemikian sehingga untuk setiap . Dengan demikian, (4.5.3) menjadi
untuk setiap .
Menurut Proposisi 4.5.2, keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi (4.5.9) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi
dengan untuk . Hal ini ekuivalen dengan keberadaan tunggal sedemikian sehingga pemetaan
mencapai minimumnya, yang pada gilirannya ekuivalen dengan keberadaan tunggal sedemikian sehingga pemetaan
mencapai minimumnya. Inilah (4.5.4). ◻
Korolari 4.5.5. Misalkan suatu bentuk sesquilinear terbatas dan koersif pada ruang Hilbert . Maka, untuk setiap , terdapat tunggal sedemikian sehingga
untuk setiap . Selain itu, jika bentuk sesquilinear juga simetris, maka merupakan unsur tunggal di sedemikian sehingga
Bukti. Ini adalah Teorema Stampacchia dengan . Untuk membuktikan (4.5.10), perhatikan bahwa (4.5.3) sekarang menyatakan bahwa terdapat tunggal sedemikian sehingga untuk setiap . Karena , pernyataan tersebut ekuivalen dengan keberadaan tunggal sedemikian sehingga
untuk setiap .
Jika dalam (4.5.12), kita memperoleh
Jika dalam (4.5.12), kita memperoleh . Oleh karena itu,
(4.5.13) dan (4.5.14) mengakibatkan untuk setiap . Jadi, dan menyatakan fungsional linear yang sama 1. Dengan demikian, (4.5.10) berlaku.
Jika memenuhi untuk setiap , maka (4.5.12) juga dipenuhi dengan menggantikan . Hal ini bertentangan dengan ketunggalan yang memenuhi (4.5.12).
Catatan 4.5.6. Jika kita hanya memerlukan keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi (4.5.10), terdapat pembuktian singkat yang hampir sama dengan bagian pertama pembuktian Teorema 4.5.4.
Menurut Teorema Representasi Riesz, terdapat tunggal sedemikian sehingga untuk setiap .
Serupa dengan itu, karena merupakan fungsional linear terbatas pada untuk setiap , Teorema Representasi Riesz mendefinisikan pemetaan tunggal sedemikian sehingga untuk setiap . Dengan kata lain, adalah unsur tunggal di yang memenuhi hubungan tersebut.
Untuk membuktikan keberadaan dan ketunggalan yang memenuhi (4.5.10), cukup dibuktikan bahwa merupakan bijeksi linear dari ke dirinya sendiri. Unsur yang diminta dalam (4.5.10) ialah . Bagian pertama pembuktian Teorema 4.5.4 telah menunjukkan bahwa merupakan pemetaan linear terbatas dan injektif. Sifat koersif mengakibatkan tertutup, seperti yang sekarang kita jelaskan. Jika konvergen ke , maka
untuk . Jadi, untuk setiap . Dengan menerapkan ketaksamaan yang sama pada , kita memperoleh . Karena konvergen, barisan ini merupakan barisan Cauchy; akibatnya, juga merupakan barisan Cauchy dalam ruang Hilbert . Jadi, barisan konvergen. Misalkan limit barisan tersebut. Karena kontinu, kita mempunyai
Jadi, .
Terakhir, citra rapat dalam . Andaikan . Maka
Karena tertutup dan rapat dalam , kita memperoleh .
Catatan 4.5.7. Pemetaan solusi
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 adalah pemetaan konjugat-linear terbatas yang memetakan ke unsur tunggal dari Teorema Representasi Riesz, sehingga untuk setiap . Kita mempunyai karena untuk setiap . Misalkan adalah pemetaan linear terbatas yang didefinisikan dalam Catatan 4.5.6. Karena merupakan bijeksi linear dari ke , Teorema Pemetaan Terbuka menyatakan bahwa kontinu. Akhirnya, , sehingga konjugat-linear dan terbatas.
Latihan
Masalah yang kami sarankan hanya mencakup ruang , 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:
- Dalam Str: nomor 1 sampai 7 pada Bagian 5.1; nomor 1, 2, dan 9 sampai 15 pada Bagian 5.2; nomor 2 pada Bagian 5.3; serta nomor 1 sampai 16 pada Bagian 5.4.
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.
untuk setiap jika dan hanya jika untuk setiap , jika dan hanya jika untuk setiap , jika dan hanya jika untuk setiap .↩︎