強収束・弱収束・ノルム収束の比較

関数解析では様々な「収束」の概念が登場します。強収束・弱収束・ノルム収束の違いを整理しましょう。

ノルム収束(強収束)

点列 ノルム収束 するとは

が成り立つことです。 と書きます。

これは最も自然な収束概念で、距離空間の収束と同じです。「強収束」とも呼ばれます。

弱収束

点列 弱収束 するとは、すべての に対して

が成り立つことです。 と書きます。

「どんな測定器で測っても、測定値が収束する」という意味です。

2つの収束の関係

ノルム収束 → 弱収束

なら なので弱収束します。

弱収束 → ノルム収束(一般には不成立)

弱収束してもノルム収束するとは限りません。

反例:弱収束するがノルム収束しない

(第 成分が )を考えます。

任意の に対して より)

よって (弱収束)ですが、 なので です。

作用素の収束

作用素列 にも同様の収束概念があります。

名前定義
ノルム収束
強収束
弱収束、各

「強収束」は作用素の文脈では「各点でのノルム収束」を意味するので、用語に注意が必要です。

なぜ弱収束を考えるか

弱収束はノルム収束より弱い条件なので、収束する列が増えます。特に

有界列の部分列反射的空間では、有界列は弱収束する部分列をもつ
コンパクト性弱位相ではしばしば良いコンパクト性が得られる

変分法や最適化で「最小化列が収束する」ことを示すとき、弱収束が役立ちます。