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 \mathbb{C}. Suatu bentuk sesquilinear terbatas (atau kontinu) pada HH adalah pemetaan B:H×HB:H\times H \rightarrow \mathbb{C} sedemikian sehingga

  1. Untuk setiap uHu\in H, pemetaan vB(u,v)v \mapsto B(u,v) bersifat konjugat-linear.

  2. Untuk setiap vHv\in H, pemetaan uB(u,v)u \mapsto B(u,v) bersifat linear.

  3. Terdapat konstanta CC sedemikian sehingga |B(u,v)|Cuv\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,vHu,v \in H.

Bentuk sesquilinear terbatas BB disebut koersif jika terdapat konstanta positif cc sedemikian sehingga ReB(u,u)cu2\displaystyle\operatorname{Re}B(u,u) \geq c \|u\|^2 untuk setiap uHu \in H. Pada kasus real, yakni ketika HH suatu ruang Hilbert atas \mathbb{R} dan B:H×HB:H\times H\rightarrow\mathbb{R} suatu bentuk bilinear terbatas, syarat ini cukup ditulis sebagai B(u,u)cu2\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 wHw\in H, terdapat unsur tunggal uKu \in K sedemikian sehingga

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

Rewu,vu0\operatorname{Re}\left\langle{w-u},{v-u}\right\rangle \leq 0 untuk setiap vKv \in K.

Bukti. (i) Karena wKw-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 ŭwK\breve{u} \in w-K adalah unsur tersebut, maka u=wŭu=w-\breve{u}.

(ii) Andaikan uu memenuhi (4.5.1) dan ambil vKv \in K. Misalkan vt=(1t)u+tv\displaystyle v_t=(1-t)u+tv untuk 0t10\leq t\leq1. Karena KK konveks, kita mempunyai vtKv_t\in K untuk setiap t[0,1]t\in[0,1]. Jadi,

wu2wvt2=(wu)t(vu)2=wu22tRewu,vu+t2uv2.\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,

2Rewu,vutuv22\operatorname{Re}\left\langle{w-u},{v-u}\right\rangle \leq t \|u-v\|^2 untuk 0<t10<t\leq1. Dengan mengambil limit t0t\rightarrow0, kita memperoleh (4.5.2).

Sebaliknya, jika uKu\in K memenuhi (4.5.2), maka

wu2wv2=wu2(wu)+(uv)2=2Rewu,uvuv2=2Rewu,vuuv20\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 vKv\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 wKw-K. ◻

Catatan. Ketunggalan unsur uu yang memenuhi (4.5.2) juga dapat dibuktikan secara langsung. Andaikan terdapat u1,u2Ku_1,u_2\in K sedemikian sehingga Rewu1,vu10\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w-u_1},{v-u_1}\right\rangle\leq0 dan Rewu2,vu20\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w-u_2},{v-u_2}\right\rangle\leq0 untuk setiap vKv\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 u1u2,u1u20\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×HB: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 ũH*\displaystyle\tilde{u}\in H^\ast, terdapat uKu\in K tunggal sedemikian sehingga

ReB(vu,u)Reũ(vu)\operatorname{Re}B(v-u,u) \geq \operatorname{Re}\tilde{u}(v-u) untuk setiap vKv\in K. Selain itu, jika bentuk sesquilinear BB juga simetris, maka uu merupakan unsur tunggal di KK sedemikian sehingga

12B(u,u)Reũ(u)=minvK{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 vB(v,u)v\mapsto B(v,u) merupakan fungsional linear terbatas pada HH untuk setiap uHu\in H, kita dapat menggunakan Teorema Representasi Riesz untuk mendefinisikan pemetaan tunggal A:HHA:H\rightarrow H sedemikian sehingga B(v,u)=v,Au\displaystyle B(v,u)=\left\langle{v},{Au}\right\rangle untuk setiap vHv\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,a2a_1,a_2\in\mathbb{C} dan u1,u2Hu_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 vHv\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

    Au2=Au,Au=B(Au,u)=|B(Au,u)|CuAu\|Au\|^2=\left\langle{Au},{Au}\right\rangle=B(Au,u)=|B(Au,u)| \leq C\|u\|\,\|Au\| untuk setiap uHu\in H, dengan CC konstanta dalam definisi bentuk sesquilinear terbatas, kita memperoleh

    AuCu\|Au\|\leq C\|u\| untuk setiap uHu\in H. Dengan demikian, norma operator terinduksi dari AA memenuhi AC\|A\|\leq C, sehingga AA merupakan pemetaan linear terbatas.

  3. Sifat koersif BB menunjukkan bahwa AA injektif. Memang, untuk setiap u1,u2Hu_1,u_2\in H kita mempunyai

    Reu1u2,A(u1u2)=ReB(u1u2,u1u2)cu1u22,\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=Reu1u2,A(u1u2)cu1u22.0=\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 ŭH\breve{u}\in H tunggal sedemikian sehingga ũ(v)=v,ŭ\displaystyle\tilde{u}(v)=\left\langle{v},{\breve{u}}\right\rangle untuk setiap vHv\in H.

Membuktikan keberadaan uKu\in K tunggal yang memenuhi (4.5.3) ekuivalen dengan membuktikan keberadaan uKu\in K tunggal yang memenuhi

Revu,AuRevu,ŭ\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{Au}\right\rangle\geq\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{\breve{u}}\right\rangle untuk setiap vKv\in K. Misalkan pp suatu bilangan positif. Keberadaan dan ketunggalan uKu\in K yang memenuhi (4.5.7) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan uKu\in K yang memenuhi

Revu,(pŭpAu+u)u0\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{\left(p\breve{u}-pAu+u\right)-u}\right\rangle\leq0 untuk setiap vKv\in K.

Misalkan P:HKP: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 uKu\in K yang memenuhi (4.5.8) ekuivalen dengan keberadaan dan ketunggalan titik tetap uu dari

F:KKvP(pŭpAv+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)w1w2\|P(w_1)-P(w_2)\|\leq\|w_1-w_2\| untuk setiap w1,w2Hw_1,w_2\in H. Unsur P(w1)P(w_1) dan P(w2)P(w_2) masing-masing didefinisikan oleh Rew1P(w1),vP(w1)0\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w_1-P(w_1)},{v-P(w_1)}\right\rangle\leq0 dan Rew2P(w2),vP(w2)0\displaystyle\operatorname{Re}\left\langle{w_2-P(w_2)},{v-P(w_2)}\right\rangle\leq0 untuk setiap vKv\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

Rew1P(w1),P(w2)P(w1)+Rew2P(w2),P(w1)P(w2)=Rew1+w2+P(w1)P(w2),P(w1)P(w2)0P(w1)P(w2),P(w1)P(w2)=ReP(w1)P(w2),P(w1)P(w2)Rew1w2,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)Rew1w2,P(w1)P(w2)w1w2P(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)w1w2\displaystyle\|P(w_1)-P(w_2)\|\leq\|w_1-w_2\|.

Akibatnya,

F(v1)F(v2)2=P(pŭpAv1+v1)P(pŭpAv2+v2)2p(Av2Av1)(v2v1)2=p2Av2Av122pReAv2Av1,v2v1+v2v12p2C2v2v122pcv2v12+v2v12=(p2C22pc+1)v2v12\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,v2Kv_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<cC0<c\leq C, kita mempunyai

0p2C22pc+1<1.0\leq p^2C^2-2pc+1<1. Memang, p(pC22c)<0p(pC^2-2c)<0, sedangkan nilai minimum ekspresi kuadrat tersebut ialah 1c2/C201-c^2/C^2\geq0. Jadi, FF merupakan kontraksi ketat pada KK dengan faktor kontraksi p2C22pc+1<1\sqrt{p^2C^2-2pc+1}<1.

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

Misalkan

v,uB=B(v,u)\left\langle{v},{u}\right\rangle_B=B(v,u) untuk setiap u,vHu,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 ǔH\check{u}\in H tunggal sedemikian sehingga ũ(v)=v,ǔB\displaystyle\tilde{u}(v)=\left\langle{v},{\check{u}}\right\rangle_B untuk setiap vHv\in H. Dengan demikian, (4.5.3) menjadi

Revu,ǔuB0\operatorname{Re}\left\langle{v-u},{\check{u}-u}\right\rangle_B\leq0 untuk setiap vKv\in K.

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

ǔuB=minvKǔvB,\|\check{u}-u\|_B=\min_{v\in K}\|\check{u}-v\|_B, dengan vB=B(v,v)\|v\|_B=\sqrt{B(v,v)} untuk vHv\in H. Hal ini ekuivalen dengan keberadaan vKv\in K tunggal sedemikian sehingga pemetaan

vB(ǔv,ǔv)=B(ǔ,ǔ)2ReB(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 vKv\in K tunggal sedemikian sehingga pemetaan

v2ReB(v,ǔ)+B(v,v)=B(v,v)2Reũ(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×HB:H\times H\rightarrow\mathbb{C} suatu bentuk sesquilinear terbatas dan koersif pada ruang Hilbert HH. Maka, untuk setiap ũH*\displaystyle\tilde{u}\in H^\ast, terdapat uHu\in H tunggal sedemikian sehingga

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

12B(u,u)Reũ(u)=minvH{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 uHu\in H tunggal sedemikian sehingga ReB(vu,u)Reũ(vu)\displaystyle\operatorname{Re}B(v-u,u)\geq\operatorname{Re}\tilde{u}(v-u) untuk setiap vHv\in H. Karena Hu=HH-u=H, pernyataan tersebut ekuivalen dengan keberadaan uHu\in H tunggal sedemikian sehingga

ReB(v,u)Reũ(v)\operatorname{Re}B(v,u)\geq\operatorname{Re}\tilde{u}(v) untuk setiap vHv\in H.

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

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

ReB(w,u)=ReB(w,u)Reũ(w)=Reũ(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 ReB(w,u)=Reũ(w)\displaystyle\operatorname{Re}B(w,u)=\operatorname{Re}\tilde{u}(w) untuk setiap wHw\in H. Jadi, wB(w,u)w\mapsto B(w,u) dan ũ\tilde{u} menyatakan fungsional linear yang sama 1. Dengan demikian, (4.5.10) berlaku.

Jika uuu'\neq u memenuhi B(v,u)=ũ(v)B(v,u')=\tilde{u}(v) untuk setiap vHv\in H, maka (4.5.12) juga dipenuhi dengan uu' 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 uHu\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 ŭH\breve{u}\in H tunggal sedemikian sehingga ũ(v)=v,ŭ\displaystyle\tilde{u}(v)=\left\langle{v},{\breve{u}}\right\rangle untuk setiap vHv\in H.

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

Untuk membuktikan keberadaan dan ketunggalan uHu\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 A1(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 wHw\in H, maka

Aujuj|uj,Auj|=|B(uj,uj)|cuj2\|Au_j\|\,\|u_j\|\geq|\left\langle{u_j},{Au_j}\right\rangle|=|B(u_j,u_j)| \geq c\|u_j\|^2 untuk j1j\geq1. Jadi, Aujcuj\displaystyle\|Au_j\|\geq c\|u_j\| untuk setiap jj. Dengan menerapkan ketaksamaan yang sama pada ujuku_j-u_k, kita memperoleh A(ujuk)cujuk\|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=limjAuj=A(limjuj)=A(u).w=\lim_{j\rightarrow\infty}Au_j =A\left(\lim_{j\rightarrow\infty}u_j\right)=A(u) \ . Jadi, wA(H)w\in A(H).

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

cw2|B(w,w)|=|w,Aw|=0.c\|w\|^2\leq|B(w,w)|=|\left\langle{w},{Aw}\right\rangle|=0 \ . Karena (A)\mathcal{R}(A) tertutup dan rapat dalam HH, kita memperoleh A(H)=HA(H)=H.

Catatan 4.5.7. Pemetaan solusi

T:H*Hũu\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 vHv\in H. Kita mempunyai R=1\|R\|=1 karena ũ=R(ũ)\|\tilde{u}\|=\|R(\tilde{u})\| untuk setiap ũH*\displaystyle\tilde{u}\in H^\ast. Misalkan A:HHA: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 A1\displaystyle A^{-1} kontinu. Akhirnya, T=A1R\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. ReB(w,u)=Reũ(w)\displaystyle\operatorname{Re}B(w,u)=\operatorname{Re}\tilde{u}(w) untuk setiap wHw\in H jika dan hanya jika ReB(iw,u)=Reũ(iw)\displaystyle\operatorname{Re}B(iw,u)=\operatorname{Re}\tilde{u}(iw) untuk setiap wHw\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 wHw\in H, jika dan hanya jika ImB(w,u)=Imũ(w)\displaystyle\operatorname{Im}B(w,u)=\operatorname{Im}\tilde{u}(w) untuk setiap wHw\in H.↩︎

← Kembali ke Program Matematika