Kurs:Maß- und Integrationstheorie (Osnabrück 2022-2023)/Arbeitsblatt 15/latex

\setcounter{section}{15}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine Menge, die mit einer \definitionsverweis {Halbmetrik}{}{} versehen sei. Zeige, dass $M$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine Menge, die mit einer \definitionsverweis {Halbmetrik}{}{} $d$ versehen sei. Zeige, dass $d$ genau dann eine \definitionsverweis {Metrik}{}{} ist, wenn der \definitionsverweis {topologische Raum}{}{} $M$ ein \definitionsverweis {Hausdorffraum}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{.} Wir nennen Punkte
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x,y }
{ \in }{X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \stichwort {umgebungsäquivalent} {,} wenn für jede \definitionsverweis {offene Menge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Zugehörigkeit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann gilt, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt. Zeige, dass es sich dabei um eine \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} handelt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {X} {und} {Y} {} Mengen, auf denen jeweils eine \definitionsverweis {Halbmetrik}{}{} definiert sei und es sei \maabbdisp {\varphi} {X} {Y } {} eine \definitionsverweis {Abbildung}{}{.} Zeige, dass $\varphi$ genau dann \definitionsverweis {stetig}{}{} ist, wenn es zu jedem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und jedem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \delta }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart existiert, dass aus
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d(x,x') }
{ \leq }{ \delta }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Abschätzung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d(\varphi(x), \varphi(x')) }
{ \leq }{ \epsilon }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} folgt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {X} {und} {Y} {} Mengen, auf denen jeweils eine \definitionsverweis {Halbmetrik}{}{} definiert sei und es sei \maabbdisp {\varphi} {X} {Y } {} eine \definitionsverweis {stetige Abbildung}{}{.} Zeige, dass $\varphi$ eine stetige Abbildung \maabbdisp {\tilde{\varphi}} {X/ \sim} {Y/ \sim } {} induziert, die mit den \definitionsverweis {Quotientenabbildungen}{}{} verträglich ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ der $\R$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} aller \definitionsverweis {konvergenten Folgen}{}{.} Zeige, dass durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Vert {v} \Vert }
{ \defeq} { \betrag { \lim_{n \rightarrow \infty} v_n } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Halbnorm}{}{} auf $V$ gegeben ist. Bestimme $Z$ aus Lemma 15.11 und $V/Z$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit einer \definitionsverweis {Halbnorm}{}{} $\Vert {-} \Vert$, zugehöriger \definitionsverweis {Halbmetrik}{}{} $d$ und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ Z }
{ =} { { \left\{ v \in V \mid \Vert {v} \Vert = 0 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Restklassenraum}{}{} $V/Z$ in kanonischer Weise mit der \definitionsverweis {Quotientenmenge}{}{} $V/\sim$ übereinstimmt, wobei $\sim$ die zu $d$ gehörige \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} ist, und dass die induzierte Metrik auf $V/\sim$ von der induzierten \definitionsverweis {Norm}{}{} herrührt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und sei $C^b(X, {\mathbb K} )$ der ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} der stetigen beschränkten ${\mathbb K}$-wertigen Funktionen auf $X$, versehen mit der \definitionsverweis {Supremumsnorm}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Auswertung an $x$, also die Abbildung \maabbeledisp {} { C^b(X, {\mathbb K})} {{\mathbb K} } {f} {f(x) } {,} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {linear}{}{} und stetig ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für einen $\sigma$-\definitionsverweis {endlicher Maßraum}{}{}
\mathl{(M, {\mathcal A }, \mu )}{} derart, dass \maabbeledisp {} {V} { \R } {f} { \int_M f d \mu } {,} nicht \definitionsverweis {stetig}{}{} ist, wobei $V$ den $\R$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} der beschränkten \definitionsverweis {integrierbaren Funktionen}{}{} auf $M$, versehen mit der \definitionsverweis {Supremumsnorm}{}{,} bezeichnet.

}
{} {}


Eine \definitionswort {topologische Gruppe}{} ist eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} $G$, die zugleich ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} ist derart, dass die Verknüpfung \maabbeledisp {} {G \times G} {G } {(g,h)} {g \circ h } {,} und die Inversenbildung \maabbeledisp {} {G} {G } {g} {g^{-1} } {,} \definitionsverweis {stetige Abbildungen}{}{} sind.





\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass ein \definitionsverweis {topologischer Vektorraum}{}{} eine \zusatzklammer {additive} {} {} \definitionsverweis {topologische Gruppe}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {Gruppen}{}{}
\mathl{(\R,+)}{,}
\mathl{(\R \setminus \{0\}, \cdot)}{,}
\mathl{( {\mathbb C} ,+)}{,}
\mathl{( {\mathbb C} \setminus \{0\}, \cdot)}{,}
\mathl{(\R^n,+)}{,}
\mathl{(S^1,\text{ mit der Winkeladdition} )}{,} die \definitionsverweis {allgemeine lineare Gruppe}{}{}
\mathl{\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( \R \right) }}{} bzw.
\mathl{\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( {\mathbb C} \right) }}{} \definitionsverweis {topologische Gruppen}{}{} sind.

}
{} {}


Es sei $V$ ein \definitionsverweis {topologischer Vektorraum}{}{} über ${\mathbb K}$. Dann heißt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V' }
{ =} { \{ f \in \text{Hom}_{\mathbb K} (V,{\mathbb K} ) \, \colon \, f \text{ stetig } \} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der \definitionswort {topologische Dualraum}{} zu $V$.





\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {normierter}{}{} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und sei $V'$ der \definitionsverweis {stetige Dualraum}{}{} zu $V$. Zeige, dass $V'$ über
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Vert {f} \Vert }
{ \defeq} { {\operatorname{sup} \, ( \betrag { f(x) } , \Vert {x} \Vert = 1 ) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zu einem normierten Vektorraum wird.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass ein \definitionsverweis {metrischer Raum}{}{} genau dann eine \definitionsverweis {abzählbare Basis}{}{} der Topologie besitzt, wenn er eine abzählbare \definitionsverweis {dichte Teilmenge}{}{} besitzt.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mathl{(M, {\mathcal A }, \mu )}{} ein \definitionsverweis {endlicher Maßraum}{}{} und sei $V$ der $\R$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} der beschränkten \definitionsverweis {integrierbaren Funktionen}{}{} auf $M$, den wir mit der \definitionsverweis {Supremumsnorm}{}{} versehen. Zeige, dass \maabbeledisp {} {V} { \R } {f} { \int_M f d \mu } {,} \definitionsverweis {stetig}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei $V$ ein unendlichdimensionaler \definitionsverweis {normierter}{}{} $\R$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Zeige, dass es eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {} {V} {\R } {} gibt, die nicht \definitionsverweis {stetig}{}{} ist.

}
{} {}