2. Finite Dimensional Normed Linear Space
를 차원이 인 노름공간(normed linear space)이라 하자. 또한 Let 를 의 기저(basis)라 하자. 원소 를 택하여 고정하면, 이 존재하여
이 성립한다. 이제, 를 위에서 주어진 노름(norm)이라 하자. 위에서 을
으로 정의하면, 이 위에서의 노름이 됨을 알 수 있다. 또한,
이제 이 존재하여 임을 보이고자 한다. 먼저 집합
을 정의한다. 집합 는 에서 닫혀 있고 유계(closed and bounded)이므로, 하이네-보렐 정리(Heine-Borel Theorem)에 의해 콤팩트 집합이다. 이제 함수 를
와 같이 정의하자 그러면 는 에서 연속임을 어렵지 않게 보일 수 있다. 이제 최대 최소 정리(Extreme Value Theorem)를
통해 을 정의할 수 있다. 우선 임을 알 수 있다. 하지만 인 경우, 어떤 에 대하여 이 되는데,
이므로 반드시 이여만 한다. 하지만 이는 이라는 사실에 모순이다.
이제 우리는 다음이 성립함을 보였다.
임의의 에 대하여, 로 나타내자. 만약 인 경우는, 자명하게 를 얻는다. 따라서 이라 가정하면
그러므로 다음을 얻는다.
따라서 모든 에 대하여, 이 성립한다.
증명. 과 이 서로 다른 두 노름이라 하자. 그러면 이 존재하여,
이제 위 두 부등식을 조합하면
따라서 증명이 끝난다. ■
참고. 만약 의 두 노름 과 이 동치이면, 이 노름들에 의해 정의되는 위의 위상(topology) 또한 같다. 따라서 유한 차원 노름공간에서는, 모든 노름 위상(normed topology)가 서로 같다.
증명. (1) 유한 차원 노름공간 에서, 2-노름은 완비이다. 따라서 노름의 동치성에 의해 임으의 유한 차원 노름공간의 노름은 완비이다.
(2) 임의의 노름공간 의 유한차원 부분공간 을 생각하자. 을 인 수열이라 하자. 은 에서 코시 수열이고 이 완비이므로, 이라 할 수 있다. 따라서, 극한의 유일성에 의해 를 얻는다. ■
Example 1.2.4
두 공간 과 를 생각해 보자. 이제 임의의 에 대하여, 이 성립하므로, 임을 알 수 있다. 따라서 를 얻는다. 그러면 과 이 실제로 에서 동치일까?
이제, 위 정리의 역에 대해서 생각해 보자. 먼저 다음의 보조정리가 필요하다.
증명. 먼저 에 대하여,
를 정의하자. 만약 이라면, 이 존재하여 이 성립한다. 하지만 이 닫힌 집합이기 때문에, 이 되는데, 이는 가정에 모순이다. 따라서 를 얻는다.
이제, 임의의 를 택하자. 아래의 사실로부터,
이 존재하여 를 만족한다. 이제
와 같이 정의하자. 그러면 우선 임을 알 수 있다. 따라서 임의의 에 대하여 다음을 얻는다.
따라서, 이 성립하고, 증명이 끝이 난다. ■
증명. 노름공간 의 닫힌 단위공이 콤팩트라 가정하자. 일단 공간 가 무한 차원을 갖는다고 가정해보자. 인 임의의 를 택하고 공간
에 대해 생각해 보자. 는 의 유한차원 닫힌 부분공간이므로, 은 진부분공간이고 따라서 에 대하여 리즈의 보조정리(Riesz lemma)를 적용할 수 있다. 따라서 가 존재하여
를 만족한다. 이제 공간
을 정의한다. 그러면 리즈의 보조정리를 또 한번 적용하여,
를 만족하는 를 얻을 수 있다. 이와 같은 방법으로 수열 을 얻을 수 있고 이 수열은 모든 에 대하여
를 만족한다. 이 수열의 각 항의 노름은 이므로 이 수열은 당연히 닫힌 단위공 안에 존재한다. 하지만, 이 수열은 수렴하는 부분 수열을 갖지 않는다. 이는 닫힌 단위공의 콤팩트성에 모순이므로, 는 유한차원을 가질 수 밖에 없다.. ■