各点で有界なら一様に有界?バナッハ・シュタインハウスの定理
をバナッハ空間、 をノルム空間とします。有界線形作用素の族 について、次が成り立ちます[1]。
各点で押さえられているだけで、作用素ノルムまで一斉に押さえられる。一様有界性原理、あるいはバナッハ・シュタインハウスの定理と呼ばれます[2]。
主張の強さが目につきます。左辺は ごとに上限を許す条件で、 が変わるたびに別の値でよい。それでも右辺の一様な上限が出てくる。
なぜ驚くのか
有限個の作用素なら当たり前です。有限個の数の最大値をとればよい。
無限個になると事情が変わります。 ごとの上限が とともにいくらでも大きくなり、全体では上限がない、という状況が想像できるからです。
その状況が起きないと保証してくれる。それがこの定理で、しかも仮定は の完備性だけです[2]。
完備でないと本当に壊れる
の完備性は外せません[2]。有限個の成分しか でない数列の全体 で反例が作れます。
に ノルムを入れ、作用素を と定めます。 番目の成分を 倍して返す汎関数。
各 を固定すると、成分は有限個しか でないので、 が大きければ 。したがって です。
ところが なので、作用素ノルムの上限は 。各点有界なのに一様有界でない、という形がここに出ています[2]。
が完備でないところが効いている。完備化して にすると、 の族はもう各点有界になりません。
証明はベールのカテゴリー定理から
完備距離空間は、可算個の疎な閉集合では覆えません[1]。ベールのカテゴリー定理です。
これを使って、次の集合を考えます[2]。
各 が連続なので は閉集合です。仮定から、どの もどれかの に入るので、合併が 全体になる。
ベールの定理から、ある が内点を持ちます。中心 、半径 の閉球が に収まる。
あとは線形性です。 なら と の両方が にあるので、。正規化すると一様な上限が出ます[1]。

証明で完備性を使ったのは、ベールの定理を呼ぶ 1 か所だけです。仮定が の完備性しか要らない理由がここにあります。
各点有界な族を用意する
閉集合 で を覆う
ベールの定理でどれかが内点を持つ
線形性で一様な上限に広げる
系:各点収束する作用素列
が各点で成り立つとき、極限 も有界線形作用素になります[2]。
各点収束すれば各点で有界なので、原理から 。この上限を と置くと、 の極限で が出ます。
一般の連続写像では、各点極限が連続とは限りません。線形性と完備性がそろってはじめて、この形が成り立つ[3]。
ノルムでの収束までは言えない点に気をつけます。 は別の主張で、各点収束からは出ません。
がどの でも成り立つ。極限が有界であることは原理から従う
。各点収束より強く、原理からは出ない
系:弱収束する列は有界
双対の側でも同じ形が効きます。 が弱収束する、つまりすべての で が収束するとします。
を の元と見ると、各 で値が収束するので有界。原理を の上で使うと、 が出ます。
弱収束する列は必ずノルム有界、という便利な事実。 が完備であることを使うので、 の完備性は要りません。
応用:フーリエ級数が発散する連続関数
いちばん有名な応用です[1]。連続関数のフーリエ級数が、ある点で発散する例が存在する。
を部分和とし、 を固定して という汎関数を考えます。これは有界線形汎関数で、ノルムがディリクレ核の ノルムに一致します[1]。
もし全部の連続関数でフーリエ級数が収束するなら、 は各 で有界です。すると原理から も有界になるはずで、発散と矛盾する。
したがって、フーリエ級数が発散する連続関数が存在します。しかもそういう関数の全体は で稠密[1]。
存在を言うのに、具体的な関数をひとつも作っていないところが特徴です。原理が「作らずに存在を言う」型の道具だと分かります。
伸び方は ほどで、ゆっくりです。それでも上限がないので、原理を当てるには十分。
一様有界性原理を使うのに、完備性はどこに要りますか。
- 値域の が完備であること
- 定義域の が完備であること
- どちらも完備であること
2 つの「有界」を並べておく。
ごとに上限があればよい。 が変わるたびに別の値でよく、確かめやすい
ひとつの定数がすべての作用素に効く。強い結論だが、完備性があれば前者から従う










証明でベールのカテゴリー定理を呼ぶのは定義域の側です。ℓc に Akx=kxk をとると、各点有界なのに作用素ノルムが k で発散し、結論が崩れます。