Банахово пространство

Ба́нахово пространство — нормированное векторное пространство, полное по метрике, порождённой нормой. Основной объект изучения функционального анализа.

Банаховы пространства названы в честь польского математика Стефана Банаха , который ввёл это понятие и систематически изучал его в 1920–1922 годах вместе с Гансом Ханом и Эдуардом Хелли.  Морис Рене Фреше был первым, кто использовал термин «банахово пространство», а Банах, в свою очередь, затем ввел термин «пространство Фреше». Банаховы пространства первоначально возникли в результате изучения функциональных пространств Гильбертом, Фреше и Риссом в начале века. Банаховы пространства играют центральную роль в функциональном анализе. В других областях анализа изучаемые пространства часто являются банаховыми пространствами.

Примеры

Некоторые примеры банаховых пространств (далее через $K$ обозначено одно из полей $\mathbb {R}$ или $\mathbb {C}$):

• Евклидовы пространства $K^{n}$ с евклидовой нормой, определяемой для $x=(x_{1},\;\ldots ,\;x_{n})$ как $\|x\|={\sqrt {\sum |x_{i}|^{2}}}$, являются банаховыми пространствами.
• Пространство всех непрерывных функций $f\colon [a,\;b]\to K$, определённых на закрытом интервале $[a,\;b]$ будет банаховым пространством, если мы определим его норму как $\|f\|=\sup\{|f(x)|\colon x\in [a,\;b]\}$. Такая функция будет нормой, так как непрерывные функции на закрытом интервале являются ограниченными. Пространство с такой нормой является полным, а полученное банахово пространство обозначается как $C[a,b]$. Этот пример можно обобщить к пространству $C(X)$ всех непрерывных функций $X\to K$, где $X$ — компактное пространство, или к пространству всех ограниченных непрерывных функций $X\to K$, где $X$ — любое топологическое пространство, или даже к пространству $B(X)$ всех ограниченных функций $X\to K$, где $X$ — любое множество. Во всех этих примерах мы можем перемножать функции, оставаясь в том же самом пространстве: все эти примеры являются банаховыми алгебрами.
• Если $p\geqslant 1$ — вещественное число, то пространство всех бесконечных последовательностей $(x_{1},\;x_{2},\;x_{3},\;\ldots )$ элементов из $K$, таких что ряд $\sum |x_{i}|^{p}$ сходится, является банаховым относительно нормы, равной корню степени $p$ из суммы этого ряда, и обозначается $l^{p}$.
• Банахово пространство $l^{\infty }$ состоит из всех ограниченных последовательностей элементов из $K$; норма такой последовательности определяется как точная верхняя грань абсолютных величин (модулей) элементов последовательности.
• Снова, если $p\geqslant 1$ — вещественное число, можно рассматривать все функции, интегрируемые по Лебегу (причём степень $p$ их модуля также суммируема). Корень степени $p$ этого интеграла от $p$-й степени модуля функции определим как полунорму $f$. Это множество — не банахово пространство, поскольку есть ненулевые функции, чья норма будет равна нулю. Определим отношение эквивалентности следующим образом: $f$ и $g$ эквивалентны тогда и только тогда, когда полунорма разности $f-g$ равна нулю. Множество классов эквивалентности относительно этого отношения уже является банаховым пространством; оно обозначается как $L^{p}[a,\;b]$. Важно использовать именно интеграл Лебега, а не интеграл Римана, поскольку интеграл Римана не порождает полное пространство. Эти примеры можно обобщить. См., например, L^p-пространства.
• Если $X$ и $Y$ — банаховы пространства, то можно составить их прямую сумму $X\oplus Y$, которая опять-таки будет банаховым пространством. Можно и обобщить этот пример к прямой сумме произвольно большого числа банаховых пространств.
• Если $M$ — замкнутое подпространство банахова пространства $X$, то факторпространство $X/M$ снова является банаховым.
• Любое гильбертово пространство тоже является банаховым. Обратное неверно.
• Если $V$ и $W$ — банаховы пространства над одним полем $K$, тогда множество непрерывных $K$-линейных отображений $A\colon V\to W$ обозначается $L(V,\;W)$. Заметим, что в бесконечномерных пространствах не все линейные отображения автоматически являются непрерывными. $L(V,\;W)$ — векторное пространство, и, если норма задана как $\|A\|=\sup\{\|Ax\|\colon x\in V,\;\|x\|\leqslant 1\}$, является также и банаховым.
  • Пространство $L(V)=L(V,\;V)$ представляет собой унитарную банахову алгебру; операция умножения в ней задаётся как композиция линейных отображений.

Типы банаховых пространств

• Гильбертово пространство
• Рефлексивное пространство

Литература

• И. М. Виноградов. Банахово пространство // Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия (рус.). — 1977—1985. // Математическая энциклопедия / Гл. ред. И. М. Виноградов. — М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.