Кіріспе

Толық нормаланған векторлық кеңістік. Математикада, әсіресе функционалдық талдауда, Банах кеңістігі (айтылуы) – толық нормаланған векторлық кеңістік. Демек, Банах кеңістігі – векторлардың ұзындығы мен арақашықтығын есептеуге мүмкіндік беретін метрикасы бар векторлық кеңістік және векторлардың Коши тізбегі әрқашан кеңістікте жақсы анықталған лимитқа (шекке) жуысатын толық кеңістік. Банах кеңістіктері поляк математигі Стефан Банахтың құрметіне аталған, ол бұл ұғымды 1920-1922 жылдары Ханс Хан және Эдуард Хеллимен бірге жүйелі түрде зерттеді және енгізді. Морис Рене Фреше алғаш рет "Банах кеңістігі" терминін қолданды, ал Банах өз кезегінде "Фреше кеңістігі" терминін ойлап тапты. Банах кеңістіктері бұрын ғасырдың басында Хилберт, Фреше және Риестің функциялық кеңістіктерді зерттеуінен пайда болды. Банах кеңістіктері функционалдық талдауда орталық рөл атқарады. Талдаудың басқа салаларында зерттелетін кеңістіктер көбінесе Банах кеңістіктері болып табылады.

Сызықтық операторлар, изоморфизмдер

Егер және - бірдей негізгі өріс бойынша нормаланған кеңістіктер болса, барлық үздіксіз сызықтық түрлендірулер жиынымен белгіленеді. Шеңберлі өлшемді кеңістіктерде, барлық сызықтық түрлендірулер үздіксіз болмайды. Нормаланған кеңістіктен басқа нормаланған кеңістікке сызықтық түрлендіру үздіксіз болады, егер және тек егер ол кеңістіктің жабық бірлік шарларында шектеулі болса. Осылайша, векторлық кеңістікке операторлық норма берілуі мүмкін. Банах кеңістігі үшін, кеңістік осы нормаға қатысты Банах кеңістігі болып табылады. Категориялық контексте, кейде екі Банах кеңістігі арасындағы функция кеңістігін тек қысқа түрлендірулермен шектеу ыңғайлы; осы жағдайда кеңістік табиғи бифунктор ретінде қайта пайда болады. Егер Банах кеңістігі болса, кеңістік бірлік Банах алгебрасын құрайды; көбейту операциясы сызықтық түрлендірулердің композициясымен беріледі. Егер және нормаланған кеңістіктер болса, олар изоморфты нормаланған кеңістіктер болады, егер сызықтық биекция болса, және оның кері түрлендіруі үздіксіз болса. Егер екі кеңістіктің бірі толық (немесе рефлексивті, ажыратылатын, т.б.) болса, онда екінші кеңістік те солай болады. Екі нормаланған кеңістік және изометриялық изоморфты болады, егер қосымша, изометрия болса, яғни, кез келген үшін. Изоморфты, бірақ изометриялық емес кеңістіктер арасындағы Банах–Мазур қашықтығы екі кеңістіктің қаншалықты ерекшеленетінін көрсетеді.

Банах алгебрасы

Банах алгебрасы – немесе сандық өрістері үстінде Банах кеңістігі, сондай-ақ осы өрістер үстінде алгебра құрылымымен жабдықталған, мұнда көбейту операциясы үздіксіз. Кез келген үшін осы кеңістікте эквивалентті норма табылады, осылайша: .

Сызықтар, әлсіз және әлсіз* тығыздық

Егер екілік бөлінетін болса, онда оның екілік шардың бірлік шар Банах-Алаоглу теоремасы бойынша әлсіз* тығыз болады және әлсіз* топологиясы үшін метрикалық болады. Егер екілік бөлінетін болса, онда бірлік шардың әлсіз топологиясы метрикалық болады. Бұл ерекше ажыратылатын рефлексивті Банах кеңістіктеріне қатысты. Бірлік шардың әлсіз топологиясы жалпы жағдайда метрикалық болмаса да, реттіліктерді қолдана отырып әлсіз тығыздықты сипаттауға болады. Банах кеңістігі рефлексивті болады, егер және тек қана егер оның әрбір шектелген тізбегінің әлсіз жинақтылатын кіші тізбегі болса. Әлсіз тығыз жиынтық нормалық тығыздыққа ие. Шындығында, Эберлейн-Шмулиян теоремасы бойынша, оның әрбір тізбегінің әлсіз жинақтылатын кіші тізбектері бар, ал Шур қасиетіне сәйкес, олар нормалық жинақтылатын болады.

Түрі және котипі

Банах кеңістіктерін жіктеудің бір жолы – тип және котип тұжырымдамалары арқылы, олар Банах кеңістігінің Гилберт кеңістігінен қаншалықты алшақтығын көрсетеді.

Метриялық сыныптама

Егер Банах кеңістігінен Банах кеңістігіне изометрия болса (мұнда екеуі де үстінен векторлық кеңістіктер), онда Мазур-Улам теоремасы аффиндік түрлендіру болуы керек деп мәлімдейді. Атап айтқанда, егер нөлдік элементті нөлдік элементіне бейнелейтін болса, онда сызықтық болуы керек. Бұл нәтиже Банах кеңістіктеріндегі, және жалпы алғанда нормаланған кеңістіктердегі метрика олардың сызықтық құрылымын толыққанды анықтайды дегенді көрсетеді.

Топологиялық жіктеу

Шекті өлшемді Банах кеңістіктері топологиялық кеңістіктер ретінде гомеоморфты, егер және тек егер олар нақты векторлық кеңістіктер ретінде бірдей өлшемге ие болса. Андерсон-Кадек теоремасы (1965-66) кез келген екі шексіз өлшемді ажыратылатын Банах кеңістігінің топологиялық кеңістіктер ретінде гомеоморфты екенін дәлелдейді. Кадек теоремасын Торунчик кеңейтті, ол кез келген екі Банах кеңістігі гомеоморфты екенін дәлелдеді, егер және тек егер олардың тығыздық саны бірдей болса, яғни тығыз жиынның ең кішкентай кардиналды саны.

Деривативтер

Банах кеңістігінде туындының бірнеше түсінігін анықтауға болады. Толық мәліметтер үшін Fréchet туындысы және Gateaux туындысы туралы мақалаларды қараңыз. Fréchet туындысы Банах кеңістіктеріне жалпы туынды түсінігін кеңейтуге мүмкіндік береді. Gateaux туындысы жергілікті дөңес топологиялық векторлық кеңістіктерге бағытты туындыны кеңейтуге мүмкіндік береді. Fréchet дифференциалдануы Gateaux дифференциалдануынан күшті талапты білдіреді. Квази туынды – бағытты туындының тағы бір жалпылауы, ол Gateaux дифференциалдануынан күштірек, бірақ Fréchet дифференциалдануынан әлсіз талапты білдіреді.

Жалпылау

Функционалдық талдаудағы бірнеше маңызды кеңістік, мысалы, шексіз көп рет дифференциалданатын барлық функциялардың кеңістігі немесе кеңістігіндегі барлық таралымдардың кеңістігі толық, бірақ нормаланған векторлық кеңістіктер емес, демек Банах кеңістіктері емес. Фреше кеңістіктерінде толық метрика сақталады, ал LF кеңістіктері Фреше кеңістіктерінің лиміттері ретінде туындайтын толық біртекті векторлық кеңістіктер болып табылады.