数をひとつ返す写像を集める〜双対空間と有界線形汎関数
ノルム空間 からスカラーへの線形写像 を線形汎関数といいます[3]。有界であるとは、定数 がとれて次が成り立つこと。
有界な線形汎関数をすべて集めたものが双対空間 です[1]。値域が という特別な場合の作用素空間、という位置づけになります。
代数的双対と位相的双対
線形性だけを課した汎関数の全体を代数的双対、連続性まで課したものを位相的双対と呼び分けます[4]。
有限次元なら両者が一致します。線形写像が無条件で有界になるから。
無限次元では大きく食い違う[3]。連続でない線形汎関数が、いくらでも作れてしまいます。
関数解析で と書くときは、ふつう位相的双対のほう。連続なものだけを相手にします。

汎関数を幾何で見ると、値が等しい点の集まりが平行な超平面の族になります。核が原点を通る超平面で、そこからどれだけ離れているかが値。
双対空間はいつでもバナッハ空間
は、 が完備でなくてもバナッハ空間になります[4]。
理由は値域が だから。作用素の空間 は が完備なら完備で、ここでは が完備です[3]。
だから双対をとる操作は、完備性を勝手に補ってくれる。もとの空間の欠点にかかわらず、双対側は扱いやすくなります。
有限次元では自分自身と同型
が 次元なら、 も 次元です[3]。基底 に対し、座標をとり出す汎関数を並べる。
が の基底で、双対基底と呼ばれます[4]。どの汎関数も と書けます。
ただし同型の作り方は基底の選び方に依存します[3]。 と は同じ次元なのに、自然な対応がない。
ヒルベルト空間では事情が変わり、内積を使った自然な同一視ができます。これがリースの表現定理の内容です[3]。
の双対が になるのも、この絵の延長です[4]。 を満たす指数の組で、ヘルダーの不等式がノルムの一致を与えます。
のときは なので、 は自分自身と双対になる[3]。自己双対と呼ばれる状態です。
例:連続関数の空間の双対
の双対は、簡単な形には収まりません[3]。
密度 を掛けて積分する汎関数は、確かに有界です。
ところがこの形で尽きません。1 点での値を返す評価汎関数 も有界線形汎関数で、密度では書けない[3]。
の双対の正体は、区間上のラドン測度の空間です[3]。関数では足りず、測度まで広げてはじめて全部が書ける。
なら で、関数のまま書ける。ヘルダーの不等式がノルムを与える
関数では足りず、ラドン測度になる。ディラック測度に対応する評価汎関数がその代表
例:連続でない線形汎関数
無限次元では、有界でない線形汎関数が作れます[3]。
で単項式の集まり をとり、ハメル基底へ延ばします。各 は有限個の基底の 1 次結合で一意に書ける。
の係数を返す汎関数 を作り、 と定めます。各 では有限個の項しか残らないので、値は定まる。
ところが なのに なので、有界ではありません[3]。無限次元の線形空間には、必ずこの種の汎関数があります。
選択公理を使ってハメル基底をとるところが、この構成の要点。具体的に書き下すことはできません。
無限次元では、線形なだけの汎関数と有界な汎関数が大きく違います。
ハメル基底で作った汎関数は線形だが連続でない。位相的双対はずっと小さい。
二重双対への自然な埋め込み
もバナッハ空間なので、その双対 が作れます[3]。二重双対と呼びます。
から への自然な対応はなかった。ところが から へは、自然な対応があります。
を「 に を返す機械」と読み替えただけ。基底を選ぶ必要がありません。
この は単射で、しかもノルムを保ちます[2]。ハーン・バナッハの定理が、ノルムを実現する汎関数の存在を保証するからです。

反射性
が全射のとき、 を反射的といいます[2]。 と が等長同型になる状態です。
ヒルベルト空間はすべて反射的で、 の も反射的[2]。有限次元の空間はもちろん反射的です。
反射的でない例も基本的なものばかりです。、、、、 がそれにあたる[2]。
バナッハ空間が反射的であることと、その双対が反射的であることは同値になります[2]。反射性は双対をとる操作で保たれる性質です。
| 反射的 | ヒルベルト空間、 の と 、有限次元 |
| 反射的でない | 、、、、 |
双対をとって を作る
もう一度とって を作る
が全射かどうかで反射性が決まる
quiz で確かめる
が完備でないとき、双対空間 はどうなりますか。
- も完備でない
- は必ずバナッハ空間になる
- が定義できない










X∗ は B(X,R) にあたり、値域の R が完備なので完備になります。定義域の完備性は要らない。双対をとる操作が、完備性を補ってくれる形です。