Normed Space - 2. Finite Dimensional Normed Space

written by jjycjn   2016. 4. 30. 00:56

2. Finite Dimensional Normed Linear Space

X를 차원이 n인 노름공간(normed linear space)이라 하자. 또한 Let B={e1,,en}X의 기저(basis)라 하자. 원소 xX를 택하여 고정하면, xi\F이 존재하여 

x=x1e1+x2e2++xnen.

이 성립한다. 이제, 를 X 위에서 주어진 노름(norm)이라 하자. X 위에서 1

x1:=|x1|+|x2|++|xn|.

으로 정의하면, 1이 X 위에서의 노름이 됨을 알 수 있다. 또한,

x=x1e1+x2e2++xneni=1n|xi|eiMi=1n|xi|,where M=maxiei=Mx1.

따라서, MR이 존재하여 xMx1이 성립한다.


이제 mR이 존재하여 mx1x임을 보이고자 한다. 먼저 집합

Δ:={u\Rn | u1=1}
을 정의한다. 집합 ΔRn에서 닫혀 있고 유계(closed and bounded)이므로, 하이네-보렐 정리(Heine-Borel Theorem)
[각주:1] 의해 콤팩트 집합이다. 이제 함수 f:ΔR
f((u1,,un))=u1e1++unen

와 같이 정의하자 그러면 fΔ에서 연속임을 어렵지 않게 보일 수 있다. 이제 최대 최소 정리(Extreme Value Theorem)

[각주:2] 통해 m=minuΔf(u)을 정의할 수 있다. 우선 m0임을 알 수 있다. 하지만 m=0인 경우, 어떤 \mybaruΔ에 대하여 0=m=f(\mybaru)이 되는데,

0=f(\mybaru)=\mybaru1e1++\mybaru1e1

이므로 반드시 \mybaru=0이여만 한다. 하지만 이는 \mybaruΔ이라는 사실에 모순이다.

이제 우리는 다음이 성립함을 보였다.

0<mi=1nuieifor all uΔ.

임의의 xX에 대하여, x=x1e1++xnen로 나타내자. 만약 x=0인 경우는, 자명하게 mx1=0=x를 얻는다. 따라서 x0이라 가정하면

(x1,,xn)x1Δ.

그러므로 다음을 얻는다.

mi=1nxix1ei=1x1i=1nxiei=xx1.

따라서 모든 xX에 대하여, mx1x이 성립한다.


정의 1.2.1

공간 X에서 두개의 노름 와 \opnorm을 생각하자. 만약에 m,MR이 존재하여 

m\opnormxxM\opnormxfor all xX
를 만족하면, 두 노름이 서로 동치(equivalent)라고 한다.


정리 1.2.2

유한 차원 노름공간에 대하여, 임의의 두 노름은 서로 동치이다.


증명. 과 \opnorm이 서로 다른 두 노름이라 하자. 그러면 m,M,k,KR이 존재하여,

mx1xMx1kx1\opnormxKx1for all xV.

이제 위 두 부등식을 조합하면

mK\opnormxxMk\opnormxfor all xV.

따라서 증명이 끝난다. ■


참고. 만약 X의 두 노름 과 \opnorm이 동치이면, 이 노름들에 의해 정의되는 X 위의 위상(topology) 또한 같다. 따라서 유한 차원 노름공간에서는, 모든 노름 위상(normed topology)가 서로 같다.


따름 정리 1.2.3

(1) 모든 유한 차원 노름공간은 완비(complete)이다. 

(2) 임의의 노름공간의 임의의 유한차원 부분공간(subspace)은 닫혀있다.


증명. (1) 유한 차원 노름공간 X에서, 2-노름은 완비이다. 따라서 노름의 동치성에 의해 임으의 유한 차원 노름공간의 노름은 완비이다.

(2) 임의의 노름공간 X의 유한차원 부분공간 X0을 생각하자. (xn)X0xnxX인 수열이라 하자. (xn) 은 X0에서 코시 수열이고 X0이 완비이므로, xn\mybarxX0이라 할 수 있다. 따라서, 극한의 유일성에 의해 x=\mybarxX0를 얻는다. ■


Example 1.2.4

두 공간 l1(R)과 l2(R)를 생각해 보자. 이제 임의의 xl1(R)에 대하여, x1x2이 성립하므로, xl2(R)임을 알 수 있다. 따라서 l1(R)l2(R)를 얻는다. 그러면 1과 2이 실제로 l1(R)에서 동치일까?


정리 1.2.5

임의의 유한 차원 노름공간에서, 하이네-보렐 정리(Heine-Borel theorem)가 성립한다. 이 정리의 특수한 경우로 모든 닫힌 단위공(closed unit ball)은 콤팩트이다.


이제, 위 정리의 역에 대해서 생각해 보자. 먼저 다음의 보조정리가 필요하다.


보조정리 1.2.6 (Riesz Lemma)

M을 노름공간 (X,)의 닫힌 진부분공간(proper closed subspace)이라 하자 (즉, MV). 또한 0<θ<1를 택하자. 그러면 xθ=1이고, 모든 mM에 대하여 θxθm를 만족하는 xθX가 존재한다.


증명. 먼저 x1XM에 대하여,

d:=infmMx1m0
를 정의하자. 만약 d=0이라면, mkM이 존재하여 mkx1이 성립한다. 하지만 M이 닫힌 집합이기 때문에, x1M이 되는데, 이는 가정에 모순이다. 따라서 d>0를 얻는다.

이제, 임의의 0<θ<1를 택하자. 아래의 사실로부터, 

infmMx1m=d<dθ, 

m0M이 존재하여 x1m0<d/θ를 만족한다. 이제

xθ=x1m0x1m0
와 같이 정의하자. 그러면 우선 xθ=1임을 알 수 있다. 따라서 임의의 mM에 대하여 다음을 얻는다.
xθm=x1m0x1m0m=x1(m0+mx1m0)x1m0>dd/θ.

따라서, xθm>θ이 성립하고, 증명이 끝이 난다. ■


정리 1.2.7

만약 어떤 노름공간의 닫힌 단위공이 콤팩트이면, 이 공간의 차원은 유한이다.


증명. 노름공간 (X,)의 닫힌 단위공이 콤팩트라 가정하자. 일단 공간 X가 무한 차원을 갖는다고 가정해보자. x1=1인 임의의 x1X를 택하고 공간

M1:=span{x1}V

에 대해 생각해 보자. M1X의 유한차원 닫힌 부분공간이므로, M은 진부분공간이고 따라서 θ=12에 대하여 리즈의 보조정리(Riesz lemma)를 적용할 수 있다. 따라서 x2X가 존재하여 

x2=1andx2x112

를 만족한다. 이제 공간

M2:=span{x1,x2}V

을 정의한다. 그러면 리즈의 보조정리를 또 한번 적용하여,  

x3=1andx3x212
를 만족하는 x3V를 얻을 수 있다. 이와 같은 방법으로 수열 xnV을 얻을 수 있고 이 수열은 모든 nm에 대하여

xn=1andxnxm12

를 만족한다. 이 수열의 각 항의 노름은 1이므로 이 수열은 당연히 닫힌 단위공 안에 존재한다. 하지만, 이 수열은 수렴하는 부분 수열을 갖지 않는다. 이는 닫힌 단위공의 콤팩트성에 모순이므로, X는 유한차원을 가질 수 밖에 없다.. ■


Corollary 1.2.8

임의의 무한 차원 노름공간에서는 닫힌 단위공은 절대로 콤팩트일 수 없다.



  1. 유클리드 공간에서 주어진 집합이 닫혀있고 유계인 것은 콤팩트 집합인 것과 동치이다. [본문으로]
  2. 주어진 실함수가 콤팩트 집합 위에서 연속이면, 이 함수는 반드시 그 집합 안에서 최댓값과 최솟값을 갖는다. [본문으로]
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