Kurs:Topologische Invertierbarkeitskriterien/Gaugefunktionale

Einleitung

In reellen Zahlen gibt es den Betrag, um z.B. Konvergenz im Raum ausdrücken zu können. Mit dem Betrag kann man $\varepsilon$-Umgebungen definieren und die Folgenkonvergenz wird über diese $\varepsilon$-Umgebungen definiert. Ferner werden zu kreisförmigen Nullumgebungen $U$ Minkowski-Funktionale definiert, in Abhängigkeit von topologischen Eigenschaften der Menge bestimmte Eigenschaften der Minkowski-Funktionale liefert.

Konvergenz in den reellen Zahlen

Die reellen Zahlen mit dem Betrag $(\mathbb {R} ,|\cdot |)$ ist ein normierter Raum und $(v_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {R} ^{\mathbb {N} }$ eine Folge in $\mathbb {R}$ und $v_{o}\in \mathbb {R}$:

$\lim _{n\to \infty }v_{n}=v_{o}\ :\Longleftrightarrow \ \forall _{\epsilon >0}\exists _{n_{\epsilon }\in \mathbb {N} }\forall _{n\geq n_{\epsilon }}\ :\ |v_{n}-v_{o}|<\epsilon$

Konvergenz in normierten Räumen

Analog definiert man die Konvergenz in normierten Räumen $(V,\|\cdot \|)$ $(v_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in V^{\mathbb {N} }$ eine Folge in $V$ und $v_{o}\in V$:

$\lim _{n\to \infty }^{\|\cdot \|}v_{n}=v_{o}\ :\Longleftrightarrow \ \forall _{\epsilon >0}\exists _{n_{\epsilon }\in \mathbb {N} }\forall _{n\geq n_{\epsilon }}\ :\ \|v_{n}-v_{o}\|<\epsilon$

audio15_def_konvergenz_norm.ogg

Epsilonumgebungen

Die Betrag bzw. allgemeiner die Norm wird in $(V,\|\cdot \|)$ auch zur Definition der $\varepsilon$-Umgebungen verwendet.

$B_{\varepsilon }^{\|\cdot \|}(a):=\left\{x\in V\,:\,\|x-a\|<\varepsilon \right\}$

Diese topologieerzeugenden Funktionale (Gaugefunktionale) werden für die Definition der Algebraerweiterungen benötigt, in den ein gegebenes $z$ ein inverses Element besitzt. Die Topologisierung der Potenzreihenalgebra erfolgt später mit Gaugefunktionalen (z.B. Halbnormen, $p$-Halbnormen, ...)

Absorbierende Mengen

Die Gaugefunktionale werden über kreisförmige absorbierende Nullumgebungen definiert, für die dann das zugehörige Minkowskifunktional das zugehörige Gaugefunktional erzeugt. Die Grundlagen liefert die folgende Abschnitte.

Einführung Gaugefunktionale

Bei der Verwendung von Gaugefunktionalen werden die definierenden Eigenschaften einer Norm weiter verallgemeinert, um in analoger Weise topologieerzeugende Funktionale in beliebigen topologischen Algebren verwenden zu können. Dadurch wird es nicht mehr notwendig sein, z.B. Stetigkeit über die offene Mengen aus der Topologie zu beschreiben (siehe auch Stetigkeitssatz für lineare Abbildungen).

Definition: p-homogen

Sei ${\textstyle V}$ ein Vektorraum über ${\textstyle \mathbb {K} }$. Ein Funktional ${\textstyle f:V\longrightarrow \mathbb {K} }$ heißt ${\textstyle p}$-homogen, falls es ein ${\textstyle p\in \mathbb {K} }$ mit ${\textstyle 0<p\leq 1}$ gibt, für das gilt:

$$\forall _{\displaystyle x\in V,\lambda \in \mathbb {K} }:f(\lambda \cdot x)=|\lambda |^{p}\cdot f(x)$$

Ist ${\textstyle p=1}$, so heißt ${\textstyle f}$ homogen. ${\textstyle f}$ heißt nicht-negativ, falls für alle ${\textstyle x\in V}$ gilt ${\textstyle f(x)\geq 0}$.

Definition: p-Gaugefunktional

Sei ${\textstyle V}$ ein Vektorraum über ${\textstyle \mathbb {K} }$. Ein nicht-negatives, ${\textstyle p}$-homogenes Funktional ${\textstyle f:V\longrightarrow \mathbb {K} }$ heißt ${\textstyle p}$-Gaugefunktional auf ${\textstyle V}$ und für ${\textstyle p=1}$ Gaugefunktional.

Beispiel: p-Gaugefunktional

Sei $0<p\leq 1$ und $V_{p}:=\left\{(x_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {R} ^{\mathbb {N} }\,:\,\sum _{n=1}^{\infty }|x_{n}|^{p}<\infty {\mbox{ mit }}x=(x_{n})_{n\in \mathbb {N} }\right\}$, dann ist $\|x\|_{p}:=\sum _{n=1}^{\infty }|x_{n}|^{p}$ ein $p$-Gaugefunktional auf $V$.

Aufgabe: p-Gaugefunktional

Gegeben ist der Vektorraum $V_{p}$ und das $p$-Gaugefunktional $\|x\|_{p}:=\sum _{n=1}^{\infty }|x_{n}|^{p}$. Zeigen Sie, dass $\left({\frac {1}{n^{2}}}\right)_{n\in \mathbb {N} }\in V_{1}$ aber $\left({\frac {1}{n^{2}}}\right)_{n\in \mathbb {N} }\notin V_{\frac {1}{2}}$. Welche Mengeninklusion gilt allgemein für $V_{p}$ und $V_{q}$ mit $p<q$ und $p,q\in (0,1]$?

Bemerkung

Die $p$-Homogenität hat einerseits eine engen Zusammenhang zur Stetigkeit der Multiplikation mit Skalaren und das $p\in (0,1]$ bestimmt den Zusammenhang mit eine Quasihalbnorm.

Definition: p-Gaugefunktionalsystem

Sei ${\textstyle V}$ ein Vektorraum über ${\textstyle \mathbb {K} }$, ${\textstyle I}$ eine Indexmenge und für alle ${\textstyle \alpha \in I}$ sei ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{\alpha }}$ ein ${\textstyle p}$-Gaugefunktional auf ${\textstyle V}$. Dann wird mit ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I}}$ die Menge aller ${\textstyle p}$-Gaugefunktionale mit Indizes aus ${\textstyle I}$ bezeichnet, d.h.

$\left\|\cdot \right\|_{I}:=\left\{\left\|\cdot \right\|_{\alpha }:\alpha \in I\right\}.$

${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I}}$ heißt System von $p$-Gaugefunktionalen. Ist $p=1$ nennt man ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I}}$ Gaugefunktionalsystem.

Definition: Äquivalenz von p-Gaugefunktionalsystemen

Sei ${\textstyle V}$ ein Vektorraum über ${\textstyle \mathbb {K} }$ und ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I_{1}}}$, ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I_{2}}}$ zwei $p$-Gaugefunktionalsysteme auf $V$. Die $p$-Gaugefunktionalsysteme ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I_{1}}}$ und ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I_{2}}}$ heißen äquivalent, wenn folgende beiden Bedingungen gelten:

• (EQ1) $\forall _{\alpha \in I_{1}}\exists _{\beta \in I_{2},C_{\beta }>0}\forall _{v\in V}:\,\,\|v\|_{\alpha }\leq C_{\beta }\cdot \|v\|_{\beta }$
• (EQ2) $\forall _{\beta \in I_{2}}\exists _{\alpha \in I_{1},C_{\alpha }>0}\forall _{v\in V}:\,\,\|v\|_{\beta }\leq C_{\alpha }\cdot \|v\|_{\alpha }$

Beispiel: p-Gaugefunktionalsystem

Sei $p>0$ und $V:={\mathcal {C}}(\mathbb {R} ,\mathbb {R} )$ die Menge der stetigen Funktion von $\mathbb {R}$ nach $\mathbb {R}$. Die Menge der $p$-Gaugefunktional wird mit $\alpha \in I:=\mathbb {R} ^{+}$ wie folgt definiert:

$\left\|\cdot \right\|_{I}:=\left\{\left\|\cdot \right\|_{\alpha }:\alpha \in I\right\}.$

mit

$\left\|f\right\|_{\alpha }:=\int _{-\alpha }^{+\alpha }\left|f(x)\right|^{p}d\,x$

Definition: Basiserzeugendes p-Gaugefunktionalsystem

Sei ${\textstyle (V,{\mathcal {T}})}$ ein topologischer Vektorraum mit dem System von offenen Mengen ${\mathcal {T}}$ auf $V$. Ferner sei ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I}}$ eine Menge von ${\textstyle p}$-Gaugefunktionalen auf ${\textstyle V}$. Das $p$-Gaugefunktionalsystem heißt basiserzeugend für ${\mathcal {T}}$, wenn gilt:

• (BE1) $\forall _{x_{o}\in V}\forall _{\alpha \in I}\forall _{\varepsilon >0}:\,B_{\varepsilon }^{\alpha }(x_{o}):=\left\{x\in V\,:\,\left\|x-x_{o}\right\|_{\alpha }<\varepsilon \right\}\in {\mathcal {T}}$
• (BE2) ${\forall }_{U\in {\mathcal {T}}}\forall _{x_{o}\in U}\exists _{\alpha \in I,\varepsilon >0}:\,B_{\varepsilon }^{\alpha }(x_{o}):=\left\{x\in V\,:\,\left\|x-x_{o}\right\|_{\alpha }<\varepsilon \right\}\subseteq U$

Bemerkung: Basiserzeugendes p-Gaugefunktionalsystem

• (BE1) bedeutet dabei, dass die $\varepsilon$-Kugeln $B_{\varepsilon }^{\alpha }(v_{o})$ selbst offene Mengen sind.
• Mit (BE2) lässt sich jede offene Menge $U$ aus der Topologie ${\mathcal {T}}$ als Vereinigung von $\varepsilon$-Kugeln darstellen. Da beliebige Vereinigungen von offenen Mengen in einem topologischen Raum nach Axiom (T3) auch wieder offen sein müssen, ist damit die Vereinigung von $\varepsilon$-Kugeln $B_{\varepsilon }^{\alpha }(v_{o})$ mit $\alpha \in I$, $v_{o}\in V$ und $\varepsilon >0$ selbst wieder offen.

Definition: Subbasiserzeugendes p-Gaugefunktionalsystem

Sei ${\textstyle (V,{\mathcal {T}})}$ ein topologischer Vektorraum mit dem System von offenen Mengen ${\mathcal {T}}$ auf $V$. Ferner sei ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I}}$ eine Menge von ${\textstyle p}$-Gaugefunktionalen auf ${\textstyle V}$. Das $p$-Gaugefunktionalsystem heißt subbasiserzeugend für ${\mathcal {T}}$, wenn gilt mit $\,B_{\varepsilon }^{\alpha }(v_{o}):=\left\{v\in V\,:\,\left\|x-x_{o}\right\|_{\alpha }<\varepsilon \right\}$:

• (SE1) $\forall _{v_{o}\in V}\forall _{\alpha \in I}\forall _{\varepsilon >0}:\,\,B_{\varepsilon }^{\alpha }(v_{o})\in {\mathcal {T}}$
• (SE2) ${\forall }_{U\in {\mathcal {T}}}\forall _{v_{o}\in U}\exists _{n\in \mathbb {N} }\exists _{\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}\in I,\varepsilon >0}:\,B_{\varepsilon }^{(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})}(v_{o})\subseteq U$

mit

$B_{\varepsilon }^{(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})}(v_{o}):=\left\{v\in V\,:\,\left\|x-x_{o}\right\|_{\alpha _{k}}<\varepsilon {\mbox{ für alle }}k\in \{1,\ldots ,n\}\right\}$

Bemerkung: Unterschied topologieerzeugend - subbasiserzeugend

Bei einem topologieerzeugenden $p$-Gaugefunktionalsystem vereinfacht (T2) man die Handhanbung von endlichen Schnitten offener Mengen in einer Topologie. (S2) muss daher endliche Schnitte der von Umgebungen berücksichtigen, indem man den Schnitt $\varepsilon$-Kugeln $B_{\varepsilon _{1}}^{\alpha _{1}},\ldots ,B_{\varepsilon _{n}}^{\alpha _{n}}$ durch die Bedingung

$\left\|x-x_{o}\right\|_{\alpha _{k}}<\varepsilon _{k}{\mbox{ für alle }}k\in \{1,\ldots ,n\}$

mit $\varepsilon :=\min\{\varepsilon _{k}>0\,:\,k\in \,\{1,\ldots ,n\}\,\}$ verlangt.

Definition: unital positiv

Sei ${\textstyle (A,\left\|\cdot \right\|_{I})}$ eine unitale topologische Algebra über ${\textstyle \mathbb {K} }$ mit dem Einselement der Multiplikation ${\textstyle e_{A}\in A}$. Das $p$-Gaugefunktionalsystem ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{I}}$ heißt unital positiv genau dann, wenn für alle ${\textstyle \alpha \in I}$ die Bedingung ${\textstyle \left\|e_{A}\right\|_{\alpha }>0}$.

Bemerkung: unital positives äquivalentes Gaugefunktionalsystem

Man kann ein ${\textstyle p}$-Gaugefunktionalsystem auf einer topologischen Algebra durch eine äquivalentes unital positives ${\textstyle p}$-Gaugefunktionalsystem ersetzen, indem man die Trennungseigenschaft eines Hausdorffraumes dazu verwendet, Minkowkifunktionale von kreisförmigen Nullumgebungen verwendet, die das Einselement nicht enthalten. Dann erhält man unmittelbar sogar ${\textstyle \left\|e_{A}\right\|_{\alpha }\geq 1}$, wenn $e_{A}\notin U_{\alpha }$ und ${\textstyle \left\|x\right\|_{\alpha }:=p_{U_{\alpha }}(x)}$ als Minkowski-Funktional der absorbiernden Nullumgebung $U_{\alpha }$ verwendet wird.

Bemerkung: p-Norm und Norm

Der Begriff der Norm ist ein Spezialfall einer $p$-Norm mit $p=1$, die im folgenden definiert wird.

Definition: Norm

Sei ${\textstyle V}$ ein topologischer Vektorraum über dem Körper ${\textstyle \mathbb {K} }$. Ein Funktional ${\textstyle \left\|\cdot \right\|:V\longrightarrow \mathbb {K} }$ heißt Norm auf ${\textstyle V}$, falls ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ folgende Bedingungen erfüllt:

• (N1) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V}:\left\|x\right\|\geq 0}$
• (N2) ${\textstyle \displaystyle \left\|x\right\|=0\Longrightarrow x=0}$
• (N3) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V,\lambda \in \mathbb {K} }:\left\|\lambda \cdot x\right\|=|\lambda |\cdot \left\|x\right\|}$
• (N4) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x,y\in V}:\left\|x+y\right\|\leq \left\|x\right\|+\left\|y\right\|}$

Definition: Halbnorm

Sei ${\textstyle V}$ ein topologischer Vektorraum über dem Körper ${\textstyle \mathbb {K} }$. Ein Funktional ${\textstyle \left\|\cdot \right\|:V\longrightarrow \mathbb {K} }$ heißt Halbnorm auf ${\textstyle V}$, falls ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ folgende Bedingungen erfüllt:

• (H1) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V}:\left\|x\right\|\geq 0}$
• (H2) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V,\lambda \in \mathbb {K} }:\left\|\lambda \cdot x\right\|=|\lambda |\cdot \left\|x\right\|}$
• (H3) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x,y\in V}:\left\|x+y\right\|\leq \left\|x\right\|+\left\|y\right\|}$

Bemerkung: Halbnorm - Norm

Falls (N2) in der Definition der Norm nicht gilt, erhält man eine ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ Halbnorm. (N2) sorgt für die Hausdorfeigenschaft in dem topologischen Vektorraum. Man kann mit der Norm die Punkte trennen, d.h. mit der Norm man messen, ob zwei Vektoren $v_{1},v_{2}\in V$ sich unterscheiden, d.h. $v_{1}\not =v_{2}$ bzw. $v_{1}-v_{2}\not =0_{V}$ gilt.

Multiplikativ konvex - Submultiplikativität der Halbnorm

Ein Halbnorm ist submultiplikativ mit einer Stetigkeitskonstante $C>0$, wenn für alle $v_{1},v_{2}\in V$ gilt:

$\left\|v_{1}\cdot v_{2}\right\|\leq C\cdot \left\|v_{1}\right\|\cdot \left\|v_{2}\right\|$

$C$ nennt man Stetigkeitskonstante der Multiplikation. Man kann die Halbnorm ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ durch eine äquivalente Halbnorm ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{1}}$ersetzen, für die $C=1$ ist (siehe MLC-Regularität).

Lemma: Stetigkeitskonstante und Submultiplikativität

Sei $(A,\|\cdot \|_{\mathcal {A}})$ eine lokalkonvexe topologische Algebra mit dem basiserzeugenden Halbnormensystem $\|\cdot \|_{\mathcal {A}}$ und eine submultiplikative Halbnorm mit Stetigkeitskonstante $C>0$ und $v_{1},v_{2}\in V$ gegeben mit:

$\left\|v_{1}\cdot v_{2}\right\|_{\alpha }\leq C\cdot \left\|v_{1}\right\|_{\alpha }\cdot \left\|v_{2}\right\|_{\alpha },$

dann gibt es eine äquivalente Halbnorm $\|\cdot \|_{\beta }$ mit

$\left\|v_{1}\cdot v_{2}\right\|_{\beta }\leq \left\|v_{1}\right\|_{\beta }\cdot \left\|v_{2}\right\|_{\beta },$

Beweis: Stetigkeitskonstante und Submultiplikativität

Ist $0<C\leq 1$ erhält die Submultiplikativität direkt mit

$\left\|v_{1}\cdot v_{2}\right\|_{\alpha }\leq C\cdot \left\|v_{1}\right\|_{\alpha }\cdot \left\|v_{2}\right\|_{\alpha }\leq \left\|v_{1}\right\|_{\alpha }\cdot \left\|v_{2}\right\|_{\alpha }$

Beweis: Definition der Halbnorm

Gilt nun $C>1$, so definiert man für alle $v\in A$:

$\left\|v\right\|_{\beta }:=C\cdot \left\|v\right\|_{\alpha }$

und man erhält die Submultiplikativität über:

$\left\|v_{1}\cdot v_{2}\right\|_{\beta }\leq C\cdot \left\|v_{1}\cdot v_{2}\right\|_{\alpha }\leq C^{2}\cdot \left\|v_{2}\right\|_{\alpha }\cdot \left\|v_{2}\right\|_{\alpha }=\left\|v_{1}\right\|_{\beta }\cdot \left\|v_{2}\right\|_{\beta }$

Beweis: Äquivalenz der Halbnormen

Die Äquivalenz der Halbnormen erhält man unmittelbar aus der Definition mit $C>1$, denn es gilt:

$C\cdot \left\|v\right\|_{\alpha }=\left\|v\right\|_{\beta }$

Bemerkung: Submultiplikativität

Ist eine topologische Algebra ein normierter Raum, so kann man im Allgemeinen nur sagen, dass die Submultiplikativität der Halbnorm mit einer bestimmten Stetigkeitskonstante der Multiplikation erfüllt, da die $\varepsilon$-Kugeln um den Nullvektor eine Nullumgebungsbasis erzeugen. Das Lemma zeigt, dass man ohne Einschränkung eine Halbnorm mit Stetigkeitskonstante auch durch eine äquivalente submultiplikative Halbnorm ersetzen kann. Das Vorgehen kann man analog für lokalbeschränkte Räume übernehmen.

Definition: p-Norm

Sei ${\textstyle V}$ ein Vektorraum über dem Körper ${\textstyle \mathbb {K} }$ und $0<p\leq 1$. Ein Funktional ${\textstyle \left\|\cdot \right\|:V\longrightarrow \mathbb {K} }$ heißt ${\textstyle p}$-Norm auf ${\textstyle V}$, falls ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ folgende Bedingungen erfüllt:

• (PN1) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V}:\left\|x\right\|\geq 0}$
• (PN2) ${\textstyle \displaystyle \left\|x\right\|=0\Longrightarrow x=0}$
• (PN3) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V,\lambda \in \mathbb {K} }:\left\|\lambda \cdot x\right\|=|\lambda |^{p}\cdot \left\|x\right\|}$
• (PN4) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x,y\in V}:\left\|x+y\right\|\leq \left\|x\right\|+\left\|y\right\|}$

Bemerkung

Für $p\geq 1$ kann man ein $p$-Norm auch zu einer Norm machen, indem man die Norm $\left\|\cdot \right\|_{\ast }$ wie folgt definert:

$\left\|x\right\|_{\ast }:=\left\|x\right\|^{\frac {1}{p}}$

Beispiel

Sei $p\in \mathbb {R}$ mit $0<p<1$ und betrachtet man die Mengen der $p$-summierbaren Reihen $a:=(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }$ in den reellen Zahlen.

$\ell _{p}(\mathbb {R} ):=\left\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\ :\ \|a\|_{p}:=\sum _{n=1}^{\infty }|a_{n}|^{p}<\infty \right\}$

$\|\cdot \|_{p}$ ist eine $p$-Norm auf dem $\mathbb {R}$-Vektorraum $\ell _{p}(\mathbb {R} )$.

Definition: p-Normierbarkeit

Sei ${\textstyle (V,{\mathcal {T}})}$ heißt ${\textstyle p}$-normierbar oder lokal beschränkt mit der Konkavitätskonstante $p$, falls eine ${\textstyle p}$-Norm

${\textstyle \left\|\cdot \right\|:V\longrightarrow \mathbb {K} }$,

existiert, die die Topologie auf ${\textstyle V}$ erzeugt (formal ${\textstyle (V,\left\|\cdot \right\|)\in {\mathcal {P}}}$).

Definition: p-Halbnorm

Sei ${\textstyle V}$ ein topologischer Vektorraum über dem Körper ${\textstyle \mathbb {K} }$ und $0<p\leq 1$. Ein Funktional ${\textstyle \left\|\cdot \right\|:V\longrightarrow \mathbb {K} }$ heißt $p$-Halbnorm auf ${\textstyle V}$ mit ${\textstyle p}$ als Konkavitätskonstante., falls ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ folgende Bedingungen erfüllt:

• (PH1) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V}:\left\|x\right\|\geq 0}$
• (PH2) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V,\lambda \in \mathbb {K} }:\left\|\lambda \cdot x\right\|=|\lambda |^{p}\cdot \left\|x\right\|}$
• (PH3) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x,y\in V}:\left\|x+y\right\|\leq \left\|x\right\|+\left\|y\right\|}$

Bemerkung: p-Norm - p-Halbnorm

Falls (PN2) in der Definition der $p$-Norm nicht gilt, heißt ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ ${\textstyle p}$-Halbnorm mit ${\textstyle p}$ als Konkavitätskonstante. Analog zur Halbnorm kann eine einzelne ${\textstyle p}$-Halbnorm nicht die Punkte im topologischen Vektorraum trennen (Hausdorfeigenschaft T2).

Multiplikativ pseudokonvex - Submultiplikativität der p-Halbnorm

Ein $p$-Halbnorm ist submultiplikativ mit einer Stetigkeitskonstante $C>0$, wenn für alle $v_{1},v_{2}\in V$ gilt:

$\left\|v_{1}\cdot v_{2}\right\|\leq C\cdot \left\|v_{1}\right\|\cdot \left\|v_{2}\right\|$

$C$ nennt man Stetigkeitskonstante der Multiplikation. Man kann die$p$- Halbnorm ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ durch eine äquivalente $p$-Halbnorm ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{1}}$ersetzen, für die $C=1$ ist (siehe MPC-Regularität).

Definition: pseudokonvexer Vektorraum

Sei ${\textstyle (V,{\mathcal {T}})}$ heißt pseudokonvex, falls die Topologie ${\textstyle {\mathcal {T}}}$ durch ein System ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{\mathcal {A}}}$ von ${\textstyle p}$-Halbnormen erzeugt wird, das die folgenden Eigenschaften besitzt.

${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{\alpha }:V\longrightarrow \mathbb {K} {\mbox{ ist }}p_{\alpha }{\mbox{-homogen mit }}\alpha \in {\mathcal {A}}{\mbox{ und }}p_{\alpha }\in (0,1]}$,

Formal notiert man ${\textstyle (V,\left\|\cdot \right\|_{\mathcal {A}})\in {\mathcal {PC}}}$.

Bemerkung: topologieerzeugende p-Norm

Eine ${\textstyle p}$-Norm ist topologieerzeugend für die Topologie ${\textstyle {\mathcal {T}}\subseteq \wp (V)}$, wenn die folgende Bedingung gilt:

${\forall }_{U\in {\mathcal {T}}}\forall _{v_{o}\in U}\exists _{\varepsilon >0}:\,B_{\varepsilon }^{\left\|\cdot \right\|}(v_{o}):=\left\{v\in V\,:\,\left\|x-x_{o}\right\|<\varepsilon \right\}$

Die ${\textstyle \varepsilon }$-Kugeln werden im weiteren Verlauf für die Charakterisierung der Stetigkeit verwendet.

Definition: Epsilonkugeln von p-Gaugefunktionalen

Sei $V$ ein Vektorraum und ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{\alpha }}$ ein $p$-Gaugefunktional auf ${\textstyle V}$, dann ist die ${\textstyle \varepsilon }$-Kugel von ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{\alpha }}$ mit ${\textstyle \varepsilon >0}$ um einen Punkt ${\textstyle v\in V}$ (Bezeichnung: ${\textstyle {\mathrm {B} }_{\varepsilon }^{\alpha }(v)}$) wie folgt definiert:

${\mathrm {B} }_{\varepsilon }^{\alpha }(v):=\{z\in V\,:\,\left\|z-v\right\|_{\alpha }<\varepsilon \}$

Definition: Quasinorm

Sei ${\textstyle V}$ ein topologischer Vektorraum über dem Körper ${\textstyle \mathbb {K} }$. Ein Funktional

$\left\|\cdot \right\|:V\longrightarrow \mathbb {K}$

heißt Quasinorm auf ${\textstyle V}$, falls $\left\|\cdot \right\|$ folgende Bedingungen erfüllt:

• (QN1) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V}:\left\|x\right\|\geq 0}$
• (QN2) ${\textstyle \displaystyle \left\|x\right\|=0\Longrightarrow x=0}$
• (QN3) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V,\lambda \in \mathbb {K} }:\left\|\lambda \cdot x\right\|=|\lambda |\cdot \left\|x\right\|}$
• (QN4) ${\textstyle \displaystyle \exists _{\displaystyle K>0}\forall _{\displaystyle x,y\in V}:\left\|x+y\right\|\leq K\cdot \left(\left\|x\right\|+\left\|y\right\|\right)}$

Definition: Quasihalbnorm

Ein Funktional $\left\|\cdot \right\|:V\longrightarrow \mathbb {K}$ auf einem Vektorraum ${\textstyle V}$ über dem Körper $\mathbb {K}$ heißt Quasihalbnorm mit Stetigkeitskonstante der Addition $K\geq 1$, falls $\left\|\cdot \right\|$ die folgende Bedingungen erfüllt:

• (QH1) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V}:\left\|x\right\|\geq 0}$
• (QH2) ${\textstyle \displaystyle \forall _{\displaystyle x\in V,\lambda \in \mathbb {K} }:\left\|\lambda \cdot x\right\|=|\lambda |\cdot \left\|x\right\|}$
• (QH3) ${\textstyle \displaystyle \exists _{\displaystyle K>0}\forall _{\displaystyle x,y\in V}:\left\|x+y\right\|\leq K\cdot \left(\left\|x\right\|+\left\|y\right\|\right)}$

Bemerkung: Quasinorm - Quasihalbnorm

Analog zu Halbnormen und Normen bzw. $p$-Normen und $p$-Halbnormen wird eine Quasinorm zu einer Quasihalbnorm ${\textstyle \left\|\cdot \right\|}$ mit Stetigkeitskonstante ${\textstyle K}$ der Addition, falls (QN2) nicht mehr gilt.

Bemerkung: Stetigkeitskonstante

Die Stetigkeitskonstante hängt mit der Konkavitätskonstante einer $p$-Norm bzw. $p$-Halbnorm zusammen. Dies zeigt das Korrespondenzlemma für $p$-Halbnormen

Konvergenz über Netze

Sei $(X,{\mathcal {T}})$ eine topologischer Raum, $x_{0}\in X$ und $(x_{i})_{i\in I}\in X_{I}$ ein Netz in $X$ mit einer Indexmenge $I$, die nach oben gerichtet ist und eine partielle Ordnung besitzt. Die Konvergenz über Netze wird wie folgt definiert:

${\stackrel {\mathcal {T}}{\lim _{i\to \infty }}}x_{i}\,:\Longleftrightarrow \,(x_{i})_{i\in I}{\stackrel {\mathcal {T}}{\longrightarrow }}x_{0}\,:\Longleftrightarrow \,\forall _{U\in {\mathfrak {U}}_{\mathcal {T}}(x_{0})}\exists _{i_{U}\in I}\forall _{i\geq i_{U}}:\,x_{i}\in U$

Definition: Algebrenklassen

Die Unterscheidung nach Algebrenklassen ist für die Untersuchung von permanent singulären Elemente wesentlich, da die Invertierbarkeit in einer Algebraerweiterung von der Klasse ${\mathcal {K}}$ abhängt.

Notation 1: Algebrenklassen

Sei ${\textstyle {\mathcal {K}}}$ eine Klasse topologischer Algebren und ${\textstyle \mathbb {K} }$ ein Körper, dann werden mit folgenden Symbolen Teilklassen topologischer Algebren bezeichnet:

• ${\textstyle {\mathcal {K}}_{e}}$ Klasse der unitalen Algebren in ${\textstyle {\mathcal {K}}}$;
• ${\textstyle {\mathcal {K}}^{k}}$ Klasse der kommutativen Algebren in ${\textstyle {\mathcal {K}}}$, "kommutativ" bezieht sich auf die Multiplikation in den Algebren.
• ${\textstyle {\mathcal {K}}(\mathbb {K} )}$ Klasse der topologischen Algebren über ${\textstyle \mathbb {K} }$ in ${\textstyle {\mathcal {K}}}$;

Notation 2: Algebrenklassen

• ${\textstyle {\mathcal {T}}}$ Klasse aller topologischen Algebren;
• ${\textstyle {\mathcal {B}}}$ Klasse aller Banachalgebren (vollständig, normiert);
• ${\textstyle {\mathcal {LC}}}$ Klasse der lokalkonvexen Algebren; d.h. Topologie durch ein System von Halbnormen erzeugt;
• ${\textstyle {\mathcal {MLC}}}$ Klasse der multiplikativ lokalkonvexen Algebren;

Notation 3: Algebrenklassen

• ${\textstyle {\mathcal {P}}}$ Klasse der ${\textstyle p}$-normierbaren Algebren bzw. lokal beschränkten Algebren;
• ${\textstyle {\mathcal {PC}}}$ Klasse der pseudokonvexen Algebren; & d.h. Topologie durch ein System von ${\textstyle p}$-Halbnormen erzeugt;
• ${\textstyle {\mathcal {MPC}}}$ Klasse der multiplikativ pseudokonvexen Algebren.

Bemerkung: Pseudokonvexe Räume

Für pseudokonvexe Algebren kann das ${\textstyle {\mathcal {PC}}}$-System auch aus den entsprechenden Quasihalbnormen bestehen. Mit dem Korrespondenzsatz für $p$-Halbnormen wird der Zusammenhang von ${\textstyle p}$-Halbnormen und Quasihalbnormen erläutert. Ferner müssen nicht alle ${\textstyle p}$-Halbnormen ${\textstyle \left\|\cdot \right\|_{\alpha }}$ die gleiche Konkavitätskonstante (siehe Definition Gaugefunktional) ${\textstyle 0<p_{\alpha }\leq 1}$ besitzen, d.h. für ${\textstyle p_{\alpha }}$ gilt

$$|\lambda |^{p_{\alpha }}\cdot \left\|x\right\|_{\alpha }=\left\|\lambda \cdot x\right\|_{\alpha }{\mbox{ für alle }}x\in A{\mbox{ und }}\lambda \in \mathbb {K} .$$

Aufgabe 1: Norm

Zeichnen Sie die $\varepsilon$-Kugel in $V:=\mathbb {R} ^{2}$ mit $p\geq 1$ und

${\begin{array}{rrcl}\left\|\cdot \right\|_{p}:&\mathbb {R} ^{2}&\rightarrow &\mathbb {R} _{o}^{+}\\&x&\mapsto &\left\|\left({\begin{array}{c}x_{1}\\x_{2}\end{array}}\right)\right\|_{p}:={\sqrt[{p}]{|x_{1}|^{p}+|x_{2}|^{p}}}\end{array}}$

Zeichnen Sie den Rand der $\varepsilon$-Kugeln $B_{\varepsilon }^{\left\|\cdot \right\|_{p}}\left(x\right)$ bzgl. der Norm $\left\|\cdot \right\|_{p}$ mit

• $p=1$ $\varepsilon =1$ und $x=\left({\begin{array}{c}x_{1}\\x_{2}\end{array}}\right)=\left({\begin{array}{c}0\\0\end{array}}\right)$
• $p=3$ $\varepsilon =1$ und $x=\left({\begin{array}{c}x_{1}\\x_{2}\end{array}}\right)=\left({\begin{array}{c}0\\0\end{array}}\right)$

Aufgabe 2: p-Norm

Zeichnen Sie die $\varepsilon$-Kugel in $V:=\mathbb {R} ^{2}$ mit $p\leq 1$ und

${\begin{array}{rrcl}\left\|\cdot \right\|_{p}:&\mathbb {R} ^{2}&\rightarrow &\mathbb {R} _{o}^{+}\\&x&\mapsto &\left\|\left({\begin{array}{c}x_{1}\\x_{2}\end{array}}\right)\right\|_{p}:=|x_{1}|^{p}+|x_{2}|^{p}\end{array}}$

Zeichnen Sie den Rand der $\varepsilon$-Kugeln $B_{\varepsilon }^{\left\|\cdot \right\|_{p}}\left(x\right)$ bzgl. der Norm $\left\|\cdot \right\|_{p}$ mit

• $p={\frac {1}{4}}$ $\varepsilon =1$ und $x=\left({\begin{array}{c}x_{1}\\x_{2}\end{array}}\right)=\left({\begin{array}{c}0\\0\end{array}}\right)$
• $p={\frac {1}{2}}$ $\varepsilon =1$ und $x=\left({\begin{array}{c}x_{1}\\x_{2}\end{array}}\right)=\left({\begin{array}{c}0\\0\end{array}}\right)$

Siehe auch

• Netze (Mathematik)
• Normen, Metriken, Topologie
• Korrespondenzlemma für $p$-Halbnormen
• Stetigkeitssatz für lineare Abbildungen
• Stetigkeitssequenz
• MLC-Regularität
• MPC-Regularität
• LC-Regularität
• PC-Regularität

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