A Banach-tér a modern analízis egyik alapvető fogalma. Teljesnormált vektorteret értünk alatta, vagyis olyan vektorteret, mely a normából származtatott metrikára nézve teljes. A funkcionálanalízis egy központi objektuma. Sok végtelen dimenziós függvénytér Banach-tér.
A pontos definíció tehát a következő:
A vektortér Banach-tér pontosan akkor, ha értelmezett rajta egy ||.|| norma, melyre teljesül, hogy a belőle összefüggéssel származtatott távolságra nézve a tér teljes, vagyis a térben minden Cauchy-sorozatkonvergens.
Metrikus tereknél a teljesség a metrika tulajdonsága, nem pedig magáé a topologikus téré. Ekvivalens metrikára (ami ugyanazt a topológiát generálja) áttérve a teljesség elveszhet. Azonban ekvivalens normákkal ez nem történhet meg; azaz, ha az egy norma által indukált metrikában teljes a tér, akkor a vele ekvivalens normák által indukált metrikákban is teljes. A normált terek esetén a teljesség a norma által indukált topológia tulajdonsága, ami független a konkrét normától.
Elnevezés
A Banach-tér elnevezés Stefan Banach lengyel matematikus nevét őrzi, aki 1920–1922-ben Hans Hahnnal és Eduard Hellyvel közösen tanulmányozta.[1]1932-es monográfiájában (Théorie des opérations linéaires, Varsó) tárgyalta először részletesen és rendszeresen a teljes normált vektorterek tulajdonságait. A Banach-terek fogalmának egyébként magyar vonatkozása is van: a Banach-terekkel foglalkozó szakemberek a Banach-terek prototípusának az elsőként Riesz Frigyes magyar matematikus által tárgyalt tereket szokták tekinteni. A Banach-tér tehát tekinthető úgy, mint az terek absztrahálásából született fogalom.
Példák
1. Az ( ) terek olyan sorozatokból álló normált terek, mely elemeinek vektorként való értelmezésében annak p-normája véges. Ezen sorozatokból álló halmazok Banach-terek.
2. Az adott intervallumon folytonos függvények tere Banach-tér a szuprémum normával.
4. Az -dimenziós euklideszi terek Banach-terek. Így természetesen a valós számokR halmaza is Banach-teret alkot.
5. A komplex számokból képzett -dimenziós vektorok Cn tere is Banach-teret alkot.
A továbbiakban az vagy a test, kompakt Hausdorff-tér, pedig zárt intervallum. Legyenek és valós számok úgy hogy és . Legyenek továbbá szigma-algebra, halmazalgebra és mérték.
A nullsorozatok tere; izomorf, de nem izometrikus -vel
nem
igen
A korlátos változású sorozatok tere
nem
igen
A korlátos változású nullsorozatok tere
nem
nein
A korlátos összegek tere; izometrikusan izomorf -hez
nem
nem
A konvergens összegek tere; zárt altere; izometrikusan izomorf -hez
nem
nem
A korlátos -mérhető -en értelmezett függvények tere
nem
nem
Az -en értelmezett folytonos függvények a Borel-σ-algebrával
?
nem
igen
A korlátos végesen additív előjeles mértékek -n
?
nem
igen
A σ-additív mértékek; zárt altere
?
nem
igen
A reguláris Borel-mértékek tere; zárt altere
igen
igen
A p-edik hatványukban Lebesgue-integrálható függvények
?
nem
igen
A korlátos változású függvények tere
?
nem
igen
A korlátos változású függvények tere, melyek határértéke -ban eltűnik
nem
igen
Az abszolút folytonos függvények tere; izomorf a Szoboljev-térhez
nem
nem
A sima függvények tere; izomorf -hez
Néhány fontos tulajdonság
A Banach-terek tekinthetők a Hilbert-terek általánosításának, mivel minden Hilbert-tér egyben Banach-tér is.
Megfordítva: egy Banach-tér pontosan akkor Hilbert-tér (vagyis pontosan akkor származtatható normája valamely skalárszorzatból), ha a tér feletti norma teljesíti a paralelogrammaazonosságot (ez a Jordan–Neumann-tétel).
Véges dimenziós normált vektorterek mind Banach-terek, hiszen az azonos dimenziójúak topologikusan izomorfak (véges dimenziós térben minden norma ekvivalens).
Minden véges dimenziós normált tér Banach-tér. Megfordítva, ha egy Banach-tér bázisa legfeljebb megszámlálható végtelen, akkor az véges dimenziós. Ez utóbbi a teljes metrikus terekre vonatkozó Baire-tételből következik.
Ha zárt altere az Banach-térnek, akkor szintén Bach-tér. Az faktortér is Banach-tér az normával.
A Banach-terek első izomorfiatétele: Ha egy két Banach-tér közötti korlátos lineáris leképezés képe zárt, akkor . Itt a topologikus izomorfia fogalmáról van szó, vagyis létezik egy bijektív lineáris leképezés, ami leképezi az teret a térre, hogy és is folytonos.
Normált terek egy direkt összege pontosan akkor Banach-tér, ha az összeg minden tagja Banach-tér.
A Banach–Steinhaus-tétel szerint, ha Banach-térből normált térbe menő folytonos lineáris operátorok egy családja, akkor a pontonkénti korlátosságból következik az egyenletes korlátosság.
A nyílt leképezés tétele: Egy két Banach-tér közötti folytonos lineáris leképezés pontosan akkor szürjektív, ha nyílt. Ha bijektív és folytonos, akkor a inverz leképezés is folytonos. Ebből következik, hogy minden Banach-terek közötti bijektív korlátos lineáris operátor izomorfizmus.
A zárt grafikon tétele: Egy lineáris leképezés grafikonja pontosan akkor zárt az szorzattérben, ha a leképezés folytonos.
Banach–Alaoglu-tétel: Egy Banach-tér duális terében egy zárt egységgyolyó gyengén *-kompakt.
Minden szeparábilis Banach-térben létezik egy zárt altere -nek úgy, hogy .
Ha és normált terek ugyanazon valós vagy komplex test fölött, akkor az összes folytonos -lineáris leképezés halmazát jelöli.
Végtelen dimenziós terekben a lineáris leképezések nem feltétlenül folytonosak.
Ekkor egy -vektortér, melyen
norma. Ha Banach-tér, akkor is Banach-tér.
Ha Banach-tér, akkor Banach-algebra az identitásoperátorral, mint egységelemmel. A szorzás a kompozíció.
Duális tér
Ha normált tér a test fölött, akkor szintén Banach-tér az abszolútértékkel, mint normával. Értelmezhető a topologikus duális tér, mint . Általában a algebrai duális tér valódi altere.
Ha normált tér, akkor Banach-tér.
Legyen normált tér; ekkor, ha szeparábilis, akkor is szeparábilis.
A topologikus duális tér használható arra, hogy topológiát definiáljunk az téren: a gyenge topológiát. A gyenge topológia nem ekvivalens az normája által indukált topológiájával, ha dimenziója végtelen. A normatopológiában való konvergenciából következik a gyenge topológiában való konvergencia, megfordítva azonban nem. Ebben az értelemben a gyenge topológiából adódó konvergenciafeltétel gyengébb.
Létezik egy természetes leképezés-ből -be, a biduális térre, úgy, mint:
minden és esetén. A Hahn–Banach-tételből következik, hogy minden -beli -re az folytonos, ezért egy eleme. Az leképezés injektív és folytonos, sőt, izometrikus.
Legyenek és vektorterek ugyanazon test fölött! Ekkor és tenzorszorzata egy fölötti vektortér, ellátva egy bilineáris leképezéssel, amire teljesül az univerzális tulajdonság: Ha tetszőleges bilineáris leképezés egy fölötti vektortérben, akkor létezik pontosan egy lineáris leképezés úgy, hogy .
Különböző lehetőségek vannak a tenzorszorzat normával való ellátására; így keletkezik például a projektív tenzorszorzat és az injektív tenzorszorzat. Teljes terek tenzorszorzata nem feltétlenül teljes. Emiatt a Banach-terek elméletében tenzorszorzaton gyakran a terek tenzorszorzatának teljessé tételét értik, ami függ az alkalmazott normától.
Besorolása a matematikai struktúrák közé
Minden Hilbert-tér Banach-tér is, de ez megfordítva nem igaz. A Jordan–Neumann-tétel szerint egy Banach-tér pontosan akkor látható el a normához illeszkedő skalárszorzattal, ha teljesíti a paralelogrammaegyenlőséget.
A funkcionálanalízisben fontos terek egyike például a végtelenszer folytonosan differenciálható függvények tere, vagy az -en értelmezett disztribúciók tere teljesek, de mivel nem normált vektorterek, azért nem Banach-terek. A Fréchet-terekben van még teljes metrika is, míg az LF-terek teljes uniform vektorterek, melyek a Fréchet-terek határeseteként felmerülnek. Itt lokálisan konvex terek, illetve topologikus vektorterek speciális osztályairól van szó.
Minden normált tér izometrikus izomorfia erejéig egyértelműen teljessé tehető, ami azt jelenti, hogy sűrű altérként Banach-térbe ágyazható.
Fréchet-derivált
Lehetséges típusú függvényeket is deriválni, ahol és Banach-terek. Intuició szerint, ha a Banach-tér eleme, akkor deriváltja az pontban egy folytonos lineáris leképezés, ami az pont közelében az függvényt a távolság rendjében approximálja.
Az függvény Fréchet-differenciálható az pontban, hogyha van egy folytonos lineáris leképezés úgy, hogy
.
Itt a határérték az összes, nullvektor elemet nem tartalmazó -beli sorozaton van értelmezve, ami a nullvektorhoz tart. Ha ez a határérték létezik, akkor azt mondjuk, hogy , és ez Fréchet-deriváltja az pontban. A derivált további általánosításai véges dimenziós terek analízisével analóg módon vezethetők be. Az összes deriváltfogalomban közös a lineáris leképezés folytonossága.
A deriváltnak ez a fogalma az függvények közönséges deriváltjának egy általánosítása, mivel az összes lineáris leképezés konstanssal való szorzás.
Ha az függvény minden pontjában differenciálható, akkor szintén Banach-terek közötti leképezés, de általában nem lineáris leképezés. Ez is ugyanúgy differenciálható lehet, így magasabb rendű deriváltjai is definiálhatók. Az -beli -edik derivált egy multilineáris leképezés.
A differenciálás lineáris leképezés a következő értelemben: Ha és leképezések, melyek differenciálhatók ugyanabban az pontban, továbbá és skalárok -ból, akkor is differenciálható az pontban, és
.
A láncszabály is teljesül ebben az összefüggésben. Ha -ben és -ben differenciálható, akkor differenciálható az pontban, és a derivált:
Az irány menti deriváltak is általánosíthatók végtelen dimenziós vektorterekre; erre egy lehetőség a Gâteaux-derivált.
Banach-térbeli értékű függvények integrációja
Bizonyos feltételek teljesülése esetén lehetséges értékeiket Banach-térből felvevő függvényeket integrálni. A 20. században több különböző megközelítés is született az értékeiket Banach-térből felvevő függvények integrációjának elméletéhez. Ezek közé tartozik a Bochner-integrál, a Birkhoff-integrál és a Pettis-integrál. Véges dimenziós Banach-terekben mindezek a megközelítések ugyanahhoz az integrálhoz vezetnek, de ez végtelen dimenzióban nem feltétlenül teljesül. Távolabbról az áttérés a közönséges mértékekről a vektoriális mértékekre való áttérésről lehet beszélni, melyek értékeiket Banach-terekből veszik fel, és integrált definiálni ezeken a mértékeken.
Ez a szócikk részben vagy egészben a Banachraum című német Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.