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双対空間はベクトルを測る道具の集まりだと思えばいい

双対空間 は、 の上の有界線形汎関数を全部集めたものです[1]。

汎関数はベクトルを入れると数をひとつ返します。この数を「ある側面を測った結果」と読むと、 が測定器の棚に見えてくる。

の なら、 成分を 倍、 成分を 倍して足した量を測っています。 成分のほうは見ていない。

測定器を替えると、同じベクトルから別の数が返ります。1 台では分からないことも、たくさん当てれば見えてくる。

測定器はどれくらいそろっているか

道具として使えるかどうかは、そろい方で決まります。2 つのベクトルを区別できる測定器があるか、という問いが出発点。

ハーン・バナッハの定理が、これを保証します[3]。 なら、 となる が必ずある。

もっと強いことも言えます。どの にも、ちょうどその長さを読みとる測定器がある[3]。

ノルムを「いちばん都合のよい測定器で読んだ値」と言い直せます。

この保証がないと、双対空間が空っぽかもしれない、という心配が残ります。定理があってはじめて、道具として数えられる[5]。

弱収束は「どの測定器でも近づく」

測定器の言葉で書き直すと、意味の見えやすくなる概念があります。弱収束がそれです[4]。

が に弱収束するとは、どの測定器で測っても値が近づくこと。

ノルムでの収束より弱い条件です。値がそろっていくのに、ベクトルそのものは近づかないことがある。

の標準基底 が分かりやすい例。どの についても なので、 は に弱収束します。

ところが のままで、 は に落ちません。どの測定器でも に見えるのに、長さは変わっていない。

ノルム収束

ベクトルそのものが近づく。強い条件で、弱収束を含む

弱収束

どの測定器で測っても値が近づく。長さが落ちないままでも起こりうる

作用素を測定器の側から見る

があるとき、 の測定器を の測定器に引き戻せます[1]。

に対し、 をまず で送ってから で測る、という手続きを考える。合わせて 1 台の測定器になります。

これが共役作用素 です。向きが逆になるところが要点。 から への作用素が、 から への作用素を生みます。

ノルムは変わりません。 が成り立ちます[5]。

側の測定器を選ぶ

で送ってから測る手続きを作る

側の測定器がひとつできる

測定器の棚から空間を見分ける

双対をとると、もとの空間の性質が見えます[1]。

の測定器は の元で書けます()。 でも同じで、 なら自分自身が測定器の棚になる[2]。

になると事情が変わります。積分する測定器だけでは足りず、1 点での値を返す測定器も入る。棚の正体はラドン測度の空間です[5]。

もう一段進めて、測定器の測定器を考えることもできます。 をとって、もとの がそこに収まりきるかどうかを見る。収まりきるとき、 を反射的といいます[4]。

、()測定器の棚が 、。反射的
棚は 。反射的でない
棚はラドン測度の空間。反射的でない
ヒルベルト空間棚が自分自身。反射的

双対をとる操作は、空間を外から眺め直すことにあたります。

中身を直接いじる代わりに、測った値の集まりで空間の性質を読む。

何がうれしいのか

測定器の側へ移ると、扱いにくい対象が扱いやすくなります。

無限次元では、有界な列から収束する部分列がとれるとは限りません。ところが弱収束まで許すと、反射的な空間では必ずとれる[4]。

最適化で解の存在を言うときに、この違いが効いてきます。強い意味では収束しなくても、弱い意味で収束先を用意できる。

微分方程式の弱解も同じ発想です。方程式をそのまま解く代わりに、測定器で測った等式が成り立つものを解と呼ぶ。

の標準基底 について正しいものはどれですか。

  • ノルムでも弱い意味でも に収束する
  • 弱い意味では に収束するが、ノルムでは収束しない
  • どちらの意味でも収束しない
__RESULT__

どの でも なので、弱収束します。ところが のままなので、ノルムでは に近づきません。

よくある誤り

双対空間が空っぽの可能性を気にしない。ハーン・バナッハの定理が中身を保証しています。
代数的双対と位相的双対を区別しない。無限次元では大きさが違います。
弱収束からノルム収束が出ると思う。標準基底が反例です。
共役作用素の向きをとり違える。 から の作用素が、 から の作用素を生みます。
の測定器が積分だけだと思う。1 点での値を返すものも入ります。
と がいつも一致すると思う。反射的な空間でだけです。
測定器を増やしても情報が増えないと思う。点を分離できるだけの数がそろっています。

参考文献

Dual space. Wikipedia(英語).
Dualraum. Wikipedia(ドイツ語).
Hahn–Banach theorem. Wikipedia(英語).
Reflexive space. Wikipedia(英語).
J. K. Hunter, B. Nachtergaele. *Applied Analysis*, Chapter 5: Banach Spaces. University of California at Davis.
有界線形汎関数は、ベクトルを入れると数をひとつ返す測定器です。それを全部そろえた棚が双対空間。ハーン・バナッハの定理が「どの 2 点も区別できる測定器がある」ことを保証し、ノルムがいちばん都合のよい測定器の読みとして書き直せます。すべての測定器で読みが近づく弱収束が、ノルム収束より弱いこと。作用素を測定器の側へ引き戻す共役作用素と、棚の形から空間の反射性を読むところまで。