在泛函分析中,开映射定理(open mapping theorem,亦称巴拿赫-绍德爾定理 (Banach–Schauder theorem) 或巴拿赫定理 (Banach theorem))是一个基本的结果,它说明如果巴拿赫空间之间的连续线性算子是满射的,那么它就是一个开映射。更加精确地:
- 如果X和Y是巴拿赫空间,A : X → Y是一个满射的连续线性算子,那么A就是一个开映射(也就是说,如果U是X内的开集,那么A(U)就是Y内的开集)。
该定理的证明用到了贝尔纲定理,X和Y的完备性都是十分重要的。如果仅仅假设X或Y是赋范空间,那么定理的结论就不一定成立。然而,如果X和Y是弗雷歇空间,那么定理的结论仍然成立。
结果
开映射定理有一些重要的结果:
- 如果A : X → Y是巴拿赫空间X和Y之间的双射连续线性算子,那么逆算子A-1 : Y → X也是连续的。
- 如果A : X → Y是巴拿赫空间X和Y之间的线性算子,且如果对于X内的每一个序列(xn),只要xn → 0且Axn → y就有y = 0,那么A就是连续的(闭图像定理)。
证明
我们需要证明,如果是巴拿赫空间之间的连续线性满射,那么A就是一个开映射。为此,只需证明A把X内的单位球映射到Y的原点的一个邻域。
设U,V分别为X和Y内的单位球。那么X是单位球的倍数的序列的并集,k ∈ N,且由于A是满射,
:Y=A(X)=A\Bigl(\bigcup_{k \in \mathbb{N}} kU\Bigr) = \bigcup_{k \in \mathbb{N}} A(kU).
根据贝尔纲定理,巴拿赫空间Y不能是可数个无处稠密集的并集,故存在,使得A(kU)的闭包具有非空的内部。因此,存在一个开球B(c, r),其中心为c,,包含在A(kU)的闭包内。如果v ∈ V,那么和c位于B(c, r)内,因此是的极限点,根据加法的连续性,它们的差rv是 的极限点。根据A的线性,这意味着任何v ∈ V都位于的闭包内,其中δ = 。于是可以推出,对于任何y ∈ Y和,都存在某个x ∈ X,满足:
:\ ||x|| 且 \quad ||y - Ax||
固定。根据(1),存在某个,满足|||| n}如下。假设:
:\ ||x_{n}|| 且 \quad ||y-A(x_1+x_2+ \cdots +x_n)||
根据(1),我们可以选择,使得:
:\ ||x_{n+1}|| 且 \quad ||y-A(x_1+x_2+ \cdots +x_n) - A(x_{n+1})||
因此满足(2)。设
:\ s_n=x_1+x_2+ \cdots + x_n.
从(2)的第一个不等式可知,{sn}是一个柯西序列,且由于X是完备的,sn收敛于某个。根据(2),序列趋于y,因此根据A的连续性,有。而且:
:||x||=\lim_{n \rightarrow \infty} ||s_n|| \leq \sum_{n=1}^\infty ||x_n||
这表明每一个都属于,或等价地,X内的单位球的像A(U)包含了Y内的开球。因此,A(U)是Y内0的邻域,定理得证。
推广
X 或Y 的局部凸性不是十分重要的,但完备性则是:当X和Y是F空间时,定理仍然成立。更进一步,这个定理可以用以下的方法与贝尔纲定理结合:
- 设X为F空间,Y为拓扑向量空间。如果A : X → Y是一个连续线性算子,那么要么A(X)是Y内的贫集,要么A(X) = Y。在后一个情况中,A是开映射,Y也是F空间。
更进一步,在这个情况中,如果N是A的核,那么A有一个标准分解,形如下式:
:X\to X/N \overset{\alpha}{\to} Y
其中X / N是X对闭子空间N的商空间(也是F空间)。商映射X → X / N是开放的,且映射α是拓扑向量空间的同构。
参考文献
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Offenheitssatz
Teorema della funzione aperta
Принцип сохранения области
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