Kurs:Funktionalanalysis/Vektorräume

Diese Seite beinhaltet die Vektorräume, die in dem Kurs verwendet werden.

Defintion: Vektorraum

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Sei   ein Körper und   eine kommutative Gruppe. Man nennt   einen  -Vektorraum, wenn eine Abbildung

  mit   ,

definiert ist, die die folgenden Axiome erfüllt   und   beliebig .

  • (ES)   (Einselement skalare Multiplikation)
  • (AMS)   (assoziative Multiplikation mit Skalaren)
  • (DV)   (Vektoren distributiv)
  • (DS)   (Skalare distributiv)

Endlichdimensionale Vektorräume 1

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Sei  , dann ist

  •   ein endlichdimensionaler  -Vektorraum der Dimension  ,
  •   ein endlichdimensionaler  -Vektorraum der Dimension  ,
  •   ein endlichdimensionaler  -Vektorraum der Dimension  ,

Aufgaben

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  • (Unterscheidung von Verknüpfungen -  -Algebra) Durch welche Eigenschaften unterscheiden sich ein  -Vektorraum und eine  -Algebra? Unterscheiden Sie drei Multiplikationszeichen in einer  -Algebra und identifizieren Sie in den definierenden Eigenschaften des  -Vektorraums bzw. der  -Algebra, welche Multiplikation gemeint ist.
    • Multiplikation im Körper  ,
    • Multiplikation mit Skalaren als äußere Verknüpfung,
    • Multiplikation von Elementen aus dem Vektorraum als innere Verknüpfung in einer  -Algebra,
  • (Unterscheidung von Verknüpfungen - Hilbert-Raum) Sei   oder  . Durch welche Eigenschaften unterscheiden sich ein  -Vektorraum und ein Hilbertraum über dem Körper  ? Unterscheiden Sie drei Verküpfungen in einem  -Hilbertraum und vergleichen dabei auch die definierenden Eigenschaften einer Multiplikation als innere Verknüpfung in einer  -Algebra mit den Eigenschaften eines Skalarproduktes in einem Hilbert-Raum über dem Körper  . Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede stellen Sie fest?

Endlichdimensionale Vektorräume von Matrizen 2

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Seien  , dann ist

  •   ( -Matrizen mit Komponenten in  ) ein endlichdimensionaler  -Vektorraum der Dimension  ,
  •   ( -Matrizen mit Komponenten in  ) ein endlichdimensionaler  -Vektorraum der Dimension  ,
  •   ( -Matrizen mit Komponenten in  ) ein endlichdimensionaler  -Vektorraum der Dimension  ,

Unendlichdimensionale Vektorräume von Funktionen 1

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Sei   die Menge der stetigen (engl. continuous) Funktionen von dem Intervall   in den Körper   als Wertebereich. Dann ist

  •   eine unendlichdimensionaler  -Vektorraum,
  •   eine unendlichdimensionaler  -Vektorraum,
  •   eine unendlichdimensionaler  -Vektorraum.

Innere und äußere Verknüpfung auf Vektorräumen von Funktionen 2

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Mit   und   ist die innere Verknüpfung wie folgt definiert:

  mit   und   für alle  .

Die äußere Verknüfung ist ebenfalls durch die Multiplikation der Funktionswerte mit dem Skalar argumentweise für jedes   definert:

  mit   und   für alle  .

Stetige reellwertige Funktionen

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Die Kompaktheit des Definitionsbereiches   macht den Raum   der stetigen Funktionen von   nach   mit der Norm

 

zu einem normierten Vektorraum (siehe auch Normen, Metriken, Topologie). Mit den Halbnormen

 

wird   zu einem lokalkonvexen topologischen Vektorraum.

Unendlichdimensionale Vektorräume von Folgen 3

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Sei   ein Körper, dann bezeichnet

  •   die Menge der Folgen mit Folgengliedern in  .
  •  , die Menge der Folgen in  , die ab einer Indexschranke alle Komponenten der Folge 0 sind.
  •  , die Menge der Nullfolgen
  •  , die Menge der konvergenten Folgen in  .

Unendlichdimensionale Vektorräume von Folgen 4

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Sei   ein Körper, dann bezeichnet

  •  , die Menge der Folgen in  , die absolute konvergent sind.   ist ein normierter Norm mit  ).
  •  , die Menge der Folgen in  , die absolut-p-summierbar sind. Für   ist, der Raum normierbar. Für   ist der Raum noch metrisierbar mit  ,
  •  , die Menge der beschränkten Folgen in   als normierbarer Raum.

Unendlichdimensionale Vektorräume von Folgen 5

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Sei   ein Körper und   eine monoton fallende Nullfolge mit   für alle   , dann bezeichnet

  •  , die Menge der Folgen in  , für die Folge   absolute konvergent sind.
  • Auf   definiert man die folgenden  -Halbnormen   für Folgen  
  •   ist ein pseudokonvexer Vektorraum mit dem   Halbnormensystem  
  • Man beachte, dass für die  -Halbnorm mit dem Index   der Exponent für alle Folgenindizes   fest ist.

Folgenräume in normierten Räumen

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Sei   ein normierter Vektorraum. Wir betrachten nun Folgen in dem Vektorraum  :

  •   ist die Menge der Folgen in dem Vektorraum  , bei der ab einer Indexschranke alle Folgenglieder gleich dem Nullvektor aus  .
  •   ist die Menge der Nullfolgen, wobei die Folgen bzgl. der Norm   gegen den Nullvektor konvergieren, d.h.:
 
  •   ist die Menge der konvergenten Folgen in  , wobei die Folgen bzgl. der Norm   gegen den Vektor   konvergieren, d.h.:
 

Die Folgenräume sind selbst wieder normierbar (z.B. mit  )

Vektorraum von Polynomen

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Sei   ein Körper und   ein normierter  -Vektorraum, dann bezeichnet

  die Menge der Polynome mit Koeffizienten in  .

Für ein spezielles   ist   eine Linearkombination aus Vektoren von  , wobei die Koeffzienten der Multiplikation mit Skalaren Potenzen   von einem Skalar   sind.

Innere und äußere Verknüpfung auf Vektorräumen von Folgen 4

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Die innere und äußere Verknüpfungen auf den Folgenräumen sind jeweils komponentenweise definiert, analog zur Vektorraum Addition und Multiplikation mit Skalaren im  ,   oder  . Mit   und   ist die innere Verknüpfung mit  ,   und   wie folgt definiert:

  mit   und   für alle  .

Die äußere Verknüpfung ist ebenfalls durch die Multiplikation der Komponenten der Folge mit dem Skalar definert:

  mit   und   für alle  .

Aufgaben für Lernende

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  • Betrachten Sie den Zahlenmenge der reellen Zahlen   als Vektorraum über dem Körper  . Ist   ein endlichdimensionaler oder ein unendlichdimensionaler Vektorraum über dem Körper  ? Begründen Sie Ihre Antwort!
  • Zeigen Sie, dass die von   und   aufgespannten Untervektorräume   in dem  -Vektorraum   als Schnittmenge mit   nur den Nullvektor   enthalten!
  • Analysieren Sie die Mengeninklusion bei den Folgenräumen und betrachtet Sie auch die Konvergenzeigenschaften von Reihen, die aus den Folgen generiert werden können mit:
 .
Welche Teilmengenbeziehung besteht zwischen   und  ? Verallgemeinern Sie diesen Ansatz auf   und   für einen normierten Raum  ! Ist das ebenfalls für einen metrischen Raum   möglich?

Siehe auch

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