实分析

14.4 一致收敛的度量 ​

定义 ​

  1. (14.4.2 有界函数的度量空间)设(X,dX)和(Y,dY)都是度量空间,我们用B(X→Y)表示从X到Y的有界函数空间(使用幂集公理与分类公理可以知道这是一个集合)

    B(X→Y):={f:f:X→Y是有界函数}

    并定义度量d∞:B(X→Y)×B(X→Y)→R+为:对任意的f,g∈B(X→Y)有:

    d∞(f,g):=supx∈XdY(f(x),g(x))=sup{dY(f(x),g(x)):x∈X}

    这个度量有时被称为上确界范数度量或者L∞度量。我们也用dB(X→Y)来表示d∞。

    (注:由于f和g都是有界的,因此d∞(f,g)也总是有限的;我们也可以证明d∞是一个度量空间,该度量下的收敛性就是函数的一致收敛性(这部分内容可以参考本节习题))

  2. (无编号 有界连续函数空间)设(X,dX)和(Y,dY)都是度量空间,我们令有C(X→Y)表示从X到Y的有界连续函数空间,显然它是B(X→Y)的一个子集。


命题 ​

  1. (14.4.4 一致收敛性与L∞度量下的收敛性?)设(X,dX)和(Y,dY)都是度量空间,(f(n))n=1∞是B(X→Y)中的函数序列,并设f是B(X→Y)中的函数。那么(f(n))n=1∞依度量dB(X→Y)收敛于f,当且仅当(f(n))n=1∞一致收敛于f。
  2. (14.4.5 连续函数空间是完备的)设(X,dX)是一个度量空间,并设(Y,dY)是一个完备的度量空间,那么空间(C(X→Y),dB(X→Y)|C(X→Y)×C(X→Y))是(B(X→Y),dB(X→Y))的一个完备子空间。换言之,C(X→Y)中的每一个柯西函数序列都收敛于C(X→Y)中的一个函数。

课后习题 ​

14.4.1 设(X,dX)和(Y,dY)都是度量空间。证明:定义14.4.2中定义的具有度量dB(X→Y)的空间B(X→Y)实际上是一个度量空间 ​

于是只要证明,dB(X→Y)满足:

  • 对任意f∈B(X→Y),都有d∞(f,f)=0。

    显然可以计算有:

    d∞(f,f)=sup{dY(f(x),f(x)):x∈X}=sup{0}=0

    于是此条件总是满足的。

  • 对任意f,g∈B(X→Y)且f≠g,都有d∞(f,g)>0。

    由于f≠g,因此至少存在一个x0∈X使得f(x0)≠g(x0)⟹dY(f(x0),g(x0))>0,于是根据上确界的性质我们有:

    d∞(f,g)=sup{dY(f(x),g(x)):x∈X}≥dY(f(x0),g(x0))>0

    于是此条件总是满足的。

  • 对任意f,g∈B(X→Y),都有d∞(f,g)=d∞(g,f)。

    根据度量的性质我们知道对任意的x∈X都有dY(f(x),g(x))=dY(g(x),f(x)),于是即有:

    {dY(f(x),g(x)):x∈X}={dY(g(x),f(x)):x∈X}

    从而这两个集合应该拥有相同的上确界,即d∞(f,g)=d∞(g,f)。于是此条件总是满足的。

  • 对任意f,g与h∈B(X→Y),都有三角不等式d∞(f,h)≤d∞(f,g)+d∞(g,h)。

    注意到对任意的x∈X根据度量的三角不等式都有:

    dY(f(x),h(x))≤dY(f(x),g(x))+dY(g(x),h(x))≤sup{dY(f(y),g(y)):y∈X}+sup{dY(g(y),h(y)):y∈X}=d∞(f,g)+d∞(g,h)

    于是d∞(f,g)+d∞(g,h)是集合{dY(f(y),h(y)):y∈X}的一个上界,然后根据上确界的性质我们知道上确界必然小于任何上界,于是即:

    d∞(f,h)=sup{dY(f(y),h(y)):y∈X}≤d∞(f,g)+d∞(g,h)

    于是此条件总是满足的。

综上,于是我们证明了(B(X→Y),dB(X→Y))确实是一个度量空间。

14.4.2 证明命题14.4.4 ​

分别证明充分必要性。

若(f(n))n=1∞依度量dB(X→Y)收敛于f,则对任意的ε>0都存在一个N>0使得对任意n≥N都有d∞(f(n),f)<ε,也即:

supx∈XdY(f(x),f(n)(x))<ε⇒上确界性质∀x∈X,dY(f(x),f(n)(x))<ε

于是总结即有:对任意的ε>0,存在一个N>0使得对任意n≥N与x∈X都有dY(f(x),f(n)(x))<ε。于是根据定义14.2.7即有f(n)是一致收敛于f的。

反过来,若有f(n)是一致收敛于f的,则对任意的ε>0都存在一个N>0使得对任意n≥N与x∈X都有dY(f(n)(x),f(x))<ε。从而我们知道对任意的n≥N,ε都是集合{dY(f(x),f(n)(x)):x∈X}的一个上界,然后由于上界必然大于上确界即有:

d∞(f(n),f)=sup{dY(f(x),f(n)(x)):x∈X}<ε

于是总结即有:对任意的ε>0,存在一个N>0使得对任意n≥N都有d∞(f(n),f)<ε。于是根据定义12.1.14即有(f(n))n=1∞依度量dB(X→Y)收敛于f。

14.4.3 证明定理14.4.5(提示:这个命题的证明与定理14.3.1的证明类似,但不完全相同) ​

考虑(f(n))n=1∞是空间(C(X→Y),dB(X→Y)|C(X→Y)×C(X→Y))中的一个柯西序列。首先我们注意到,对任意的ε>0,由于(f(n))n=1∞是柯西序列于是存在N>0使得对任意的i,j≥N都有dB(X→Y)(f(i),f(j))<ε,于是任意的x∈X有:

dY(f(i)(x),f(j)(x))≤dB(X→Y)(f(i),f(j))<ε

这表明对任意的x∈X,(f(n)(x))n=1∞都是收敛的柯西序列(注意这是一个由Y中元素组成的序列),然后根据Y的完备性我们知道(f(n)(x))n=1∞也必然是收敛的。

于是我们定义函数f:X→Y有:

∀x∈X,f(x):=limn→∞f(n)(x)

(Y的完备性使得这个定义总是有效的)

然后我们证明(f(n))n=1∞是依度量dB(X→Y)|C(X→Y)×C(X→Y)收敛于f的。

考虑任意的ε>0,根据柯西序列的定义存在N>0使得对任意i,j≥N都有dB(X→Y)(f(i),f(j))<ε/3。然后对任意的x∈X,我们已经定义f(x):=limn→∞f(n)(x),于是对ε存在一个Nx≥N使得对任意的n≥Nx都有:

dY(f(n)(x),f(x))<ε/3

然后又因为对任意i,j≥N都有dB(X→Y)(f(i),f(j))<ε/3,于是即dY(f(i)(x),f(j)(x))<ε/3。从而对任意n≥N都有:

dY(f(n)(x),f(x))≤dY(f(n)(x),f(Nx)(x))+dY(f(Nx)(x),f(x))<2ε3

注意到这个结论对任意的x∈X都成立,于是2ε3是集合{dY(f(x),f(n)(x)):x∈X}的一个上界,于是即:

dB(X→Y)(f(n),f)=supx∈XdY(f(x),f(n)(x))<ε

总结下上面我们的推论即:

对任意ε>0,存在N>0使得对任意n≥N都有dB(X→Y)(f(n),f)<ε。

根据定义12.1.14,这表明(f(n))n=1∞是依度量dB(X→Y)收敛于f。而命题14.4.4表明依度量dB(X→Y)收敛等价于一致收敛,因此f(n)也是一致收敛于f的。然后根据命题14.3.2与命题14.3.6我们可以由每一个f(n)都是有界连续函数推知f也是有界连续的函数,从而有f∈C(X→Y)。

综上,我们证明了任意(f(n))n=1∞是空间(C(X→Y),dB(X→Y)|C(X→Y)×C(X→Y))中的柯西序列都收敛于某个f∈C(X→Y),于是根据完备度量空间的定义即有(C(X→Y),dB(X→Y)|C(X→Y)×C(X→Y))是完备的,题目结论得证。

14.4.4 设(X,dX)和(Y,dY)都是度量空间,并设YX:={f:f:X→Y}是从X到Y的全体函数的空间(参见公理3.10幂集公理)。设x0∈X,V是Y中的开集,并设V(x0)⊆YX是集合 ​
V(x0):={f∈YX:f(x0)∈V}
设E是YX的子集,如果对于每一个f∈E,都存在有限个点x1,...,xn∈X和有限个开集V1,...,Vn⊆Y使得 ​
f∈V1(x1)∩...∩Vn(xn)⊆E
那么我们称E是开的 ​
(a) 证明:如果F是YX的开集簇,那么(YX,F)就是一个拓扑空间 ​

根据拓扑空间的定义,于是需要证明:

  • 空集∅与整个集合本身YX都是开集,也即∅∈F与YX∈F。

    空集显然是满足乘积拓扑要求的集合(不包含任何函数)。对于整个空间YX,考虑任意的f∈YX。注意到Y本身就是Y中的开集,于是有:

    f(x0)∈Y⟹f∈Y(x0)⊆YX

    (事实上Y(x0)就是YX)于是根据乘积拓扑的定义即有YX也是开的,即YX∈F。

  • 任意有限多个开集的交都是开集,也即若有V1,...,Vn都是F中的元素,那么V1∩...∩Vn也属于F。

    考虑任意f∈V1∩...∩Vn,根据乘积拓扑定义对任意1≤i≤n都存在mi个点xi,1,...,xi,mi∈X与mi个开集Wi,1,...,Wi,mi⊆Y使得:

    f∈Wi,1(xi,1)∩...∩Wi,mi(xi,mi)⊆Vi

    于是我们考虑下面的交集:

    W:=⋂i=1n⋂j=1miWi,j(xi,j)(也就是W1,1(x1,1)∩...∩W1,m1(x1,m1)∩W2,1(x2,1)∩...∩Wn,mn(xn,mn))

    首先这个交集肯定是非空的,因为f属于W;然后对任意的g∈W,注意到对任意1≤i≤n都有:

    g∈⋂j=1miWi,j(xi,j)⇒Wi,1(xi,1)∩...∩Wi,mi(xi,mi)⊆Vig∈Vi

    从而即有g∈V1∩...∩Vn,这表明W⊆V1∩...∩Vn。总结上文即有:

    对任意的f∈V1∩...∩Vn,存在m1+...+mn个点x1,1,...,xn,mn∈X与m1+...+mn个开集W1,1,...,Wn,mn⊆Y使得:

    f∈W1,1(x1,1)∩...∩Wn,mn(xn,mn)⊆V1∩...∩Vn

    此时依据乘积拓扑的定义即有V1∩...∩Vn是开的,即V1∩...∩Vn∈F。

  • 任意多个(包括无限个)开集的并都是开集,也即若有(Vα)α∈I是F中的一簇集合,那么⋃α∈IVα也属于F。

    考虑任意的f∈⋃α∈IVα,那么至少存在一个α0∈I使得f∈Vα0。于是根据乘积拓扑的定义,存在n个点x1,...,xn∈X与n个开集W1,...,Wn⊆Y使得:

    f∈W1(x1)∩...∩Wn(xn)⊆Vα0⊆⋃α∈IVα

    从而根据乘积拓扑的定义,我们可以知道⋃α∈IVα也是开的,即⋃α∈IVα∈F。

综上,于是(YX,F)是一个拓扑空间。

(b) 对于每一个自然数n,设f(n):X→Y是从X到Y的函数,并设f:X→Y是从X到Y的函数。证明:函数序列(f(n))n=1∞依拓扑F收敛于f(在定义13.5.4的意义下),当且仅当f(n)逐点收敛于f(在定义14.2.1的意义下) ​

首先我们需要叙述乘积拓扑的一个很显然的辅助结论,这有利于我们的证明:

结论:对任意的V是Y中的开集与x∈X,都有V(x)是乘积拓扑下的开集。

证明:

注意到对任意的f∈V(x),存在有限个(就一个)开集V⊆Y与有限个点x∈X使得f∈V(x)⊆V(x),于是根据乘积拓扑的定义可以直接得到V(x)是开的。

下面开始正式的证明。


分别证明充分必要性。

若函数序列f(n)依拓扑F收敛于f,则依据定义13.5.4对任意f的邻域V,存在N>0使得对任意n≥N都有f(n)∈V。特别地,我们考虑任意的x∈X。对任意的ε>0,我们知道度量球B(Y,dY)(f(x),ε)是Y中的开集(根据命题12.2.15(c)),因此根据辅助结论有B(Y,dY)(f(x),ε)(x)是乘积拓扑中的一个开集;特别地,由于f(x)∈B(Y,dY)(f(x),ε)我们可以得到f∈B(Y,dY)(f(x),ε)(x),于是B(Y,dY)(f(x),ε)(x)还是f的一个邻域,此时应用拓扑下收敛的结论,存在N>0使得对任意n≥N都有:

f(n)∈B(Y,dY)(f(x),ε)(x)⇒题目定义f(n)(x)∈B(Y,dY)(f(x),ε)⇒度量球定义dY(f(n)(x),f(x))<ε

总结一下即有:

考虑任意的x∈X,对任意ε>0都存在N>0使得对任意n≥N都有dY(f(n)(x),f(x))<ε。

于是根据度量空间中收敛序列的定义(定义12.1.14)即对任意x∈X都有limn→∞f(n)(x)=f(x),根据逐点收敛的定义(定义14.2.1)我们知道这表明f(n)逐点收敛于f。

反过来,若有f(n)逐点收敛于f,则根据定义14.2.1对任意x∈X都有limn→∞f(n)(x)=f(x)。于是我们考虑f的任意一个邻域V,由于V​是乘积拓扑下的开集于是存在有限个点x1,...,xn∈X和有限个开集V1,...,Vn⊆Y使得

f∈V1(x1)∩...∩Vn(xn)⊆V

注意到对任意1≤i≤n都有f∈Vi(xi)⟺f(xi)∈Vi并且Vi是开集,因此存在εi>0使得度量球B(Y,dY)(f(xi),εi)⊆Vi(命题12.2.15(a));而根据逐点收敛的定义对εi存在Ni>0使得对任意m≥Ni都有dY(f(m)(xi),f(xi))<εi,也即有f(m)(xi)属于球B(Y,dY)(f(xi),εi)(也就是属于Vi)。于是我们令N:=max{Ni:1≤i≤n},由于这是个有限集因此最大元素必然属于集合中(于是N肯定是个大于0的整数),然后总结上面的结论我们有:

∀m≥N,∀1≤i≤n,m≥N≥Ni⟹f(m)(xi)∈Vi⟹∀m≥N,∀1≤i≤n,f(m)∈Vi(xi)⟹∀m≥N,f(m)∈V1(x1)∩...∩Vi(xi)⊆V

于是即:对任意V是f一个邻域,存在一个N>0使得对任意n≥N都有f(n)∈V。从而根据定义13.5.4,于是函数序列(f(n))n=1∞是依拓扑F收敛于f的。

这里的拓扑F被称为逐点收敛拓扑,原因就不用多说了。它也被称作乘积拓扑。这个习题的结论表明逐点收敛可以看作拓扑空间中更为一般的收敛概念的特殊情形 ​

本节相关跳转 ​

实分析 3.1 基础知识

实分析 3.4 象和逆象

实分析 13.5 拓扑空间

实分析 14.2 逐点收敛和一致收敛

实分析 14.3 一致收敛性与连续性