いろは3025218 views
高校国語790013 views
高校化学2933198 views
小学算数1203731 views
りんご220229 views
LaTeX965557 views
ヒストリア294981 views
高校生物553211 views
小学理科721729 views
雑学1474218 views
Help
Tools

English

単位球はいつコンパクトになるのか?有限次元だけという答え

の閉じた単位球はコンパクトです。有界な点列からは、必ず収束する部分列がとれる。

無限次元ではそうなりません。ノルム空間の閉じた単位球がコンパクトになるのは、有限次元のときに限ります[4]。

リースの補題が、その境目を作っています。閉じた真部分空間から、距離 1 の手前まで離れた単位ベクトルを、いつでも 1 つとれる[1]。

有限次元なら単位球はコンパクト

次元のノルム空間 は、基底を選べば と線形同型になります。

有限次元ではどの 2 つのノルムも同値なので、この同型は位相まで保つ。閉単位球は の有界閉集合へ移ります。

あとはハイネ・ボレルの定理です。有界閉集合はコンパクトなので、もとの単位球もコンパクトになります[3]。

に 、、 のどれを入れても同じです。単位球の形は菱形・円・正方形と変わりますが、コンパクトさは変わらない。

リースの補題

をノルム空間、 を の閉じた真部分空間とします。 をどう選んでも、次をみたす があります[1,3]。

が閉じていること、 が 全体でないこと。この 2 つが仮定のすべてです。

証明は 3 行で終わります。 に入らない を 1 つとると、 が閉なので 。

は下限なので、 をみたす がとれます。 を使うのはここだけ。

とおけば です。 を任意にとると、 も の元なので、次のように評価できます。

分子は と の元との距離なので 以上。分母は 以下。割り算で が出ます。

例:平面で確かめる

、 を 軸とします。 をとれば です。

の元は の形なので、距離は の下限で 。 を 未満に落とさなくても届きました。

有限次元では最短の点が実際に存在します。距離が下限どまりにならないので、 がそのまま実現する。

例: の座標ベクトル

、 とします。 は有限次元なので閉じている。

をとると、 に対して次が成り立ちます。

距離はちょうど です。 が有限次元だったり が反射的だったりすると、 までとれる[2]。

超平面までの距離は汎関数で測れる

が超平面、つまり連続な線形汎関数 の核であるときは、距離が式で書けます。

分母は の作用素ノルムです。この形にすると、リースの補題は「 の値が にどこまで近づくか」の問題に変わります。

が単位球面上でノルムを実現すれば、そこで距離が になる。実現しなければ に届きません。

例:距離を数値で出す

にユークリッドノルムを入れ、 とします。

です。 をとると 。

なので、距離は 。有限次元なので が実現しています。

例:連続関数の空間では 1 に届かない

に を入れます。

とおき、 とする。 は連続なので は閉じた真部分空間です。

から 。逆向きは、 の近くだけ急に立ち上がって残りは という関数を考えれば分かります。

ここからが本題です。 と をみたす をとると、 は の近くで より小さい。

連続なので、その区間は幅を持ちます。積分すると必ずとりこぼしが出る。

距離の公式に入れると です。どの単位ベクトルを選んでも に届かないので、 では補題が壊れます[1]。

で に届かないのは、積分の汎関数がノルムを実現しないからです。

上限が でも、 という縛りがあるかぎり、どの関数でも にはならない。

単位球がコンパクトなら有限次元

ここまでを使うと、冒頭の主張が出ます。 を無限次元のノルム空間としましょう。

単位ベクトル から始めます。 は有限次元なので閉じており、 が無限次元だから 。

リースの補題を で当てると、 かつ の がとれます[4]。

無限次元だと仮定する

リースの補題で単位ベクトルを次々ととる

どの 2 項も 1/2 以上離れた列ができる

収束する部分列がないので単位球はコンパクトでない

なら なので です。どの 2 項も 以上離れている。

この列はコーシー列になる部分列を持ちません。単位球の中に住みながら収束する部分列がとれないので、単位球はコンパクトでない[4]。

例:座標ベクトルの列

で を第 成分だけ の列とします。 のとき、 は か所だけ でない。

ごとの値を並べます。

空間 での距離

どれも へ向かいません。 は単位球の中の点列でありながら、収束する部分列を持ちません。

例:山が移っていく関数列

でも同じ列が作れます。 番目の関数 を、区間 の上だけ三角形に持ち上がる形にする。

頂点の高さは 、外側では です。台が重ならないので、 なら差の最大値は になります。

山の位置が へ寄っていくだけで、高さは下がりません。単位球はいつまでも詰まらない。

同値な言い換え

リースのコンパクト性定理は、次の 4 つが同値だという形にまとめられます[3]。

空間が有限次元である。
閉じた単位球がコンパクトである。
有界な閉集合がすべてコンパクトである。
空間が局所コンパクトである。

どれか 1 つを確かめれば残りも従う。無限次元だと分かった時点で、4 つとも失われます。

有限次元

有界な点列から収束する部分列がとれる。閉単位球はコンパクト

無限次元

以上離れた単位ベクトルが無限に並ぶ。閉単位球はコンパクトでない

例:どこで有限次元が効くか

の中で、次数 以下の多項式だけを集めた部分空間 を考えます。

は 次元なので、その中の閉単位球はコンパクト。係数を つ並べた有界閉集合と同じ話になります。

一方 全体では、上の三角形の列がそのまま単位球に入る。同じノルムでも、部屋を広げた瞬間にコンパクト性が消えます。

の座標ベクトル について、 のときの はいくつですか。

__RESULT__

は 番目が 、 番目が 、残りは です。 ノルムは絶対値の和なので 。 は での値、 は での値になります。

反射的な空間なら 1 がとれる

が使えるかどうかは、空間の性質で決まります。バナッハ空間 について、次の 2 つは同値です[1]。

が反射的である。
どの閉じた真部分空間 に対しても、 をみたす単位ベクトル がある。

や は反射的なので がとれます。 や は反射的でないので、 未満で我慢する。

という条件は、証明を楽にするための手加減ではありません。空間によっては本当に が使えない[1]。

例:0 に収束する数列の空間

を、 に収束する数列全体に を入れた空間とします。

を第 成分が の元全体とすると、 は閉じた真部分空間。 をとれば距離はちょうど です。

反射的でない空間でも、部分空間の選び方によっては が実現します。同値性が言っているのは「すべての で」という部分だけ。

答えを確かめる

構成した列が本当に離れているかは、手で確かめられます。 で をとり、差のノルムを計算する。

どの組も になりました。 どころか より大きいので、条件を余裕でみたしています。

リースの補題が保証するのは 以上という下限だけです。実際の空間ではもっと離れていることが多い。

つまずきやすいところ

が閉じているか確かめずに補題を当てる。閉でないと距離が になります。
でとれると思い込む。反射的でない空間では届きません。
有界閉集合ならコンパクトだと考える。ハイネ・ボレルは有限次元の定理です。
という定数に意味を求める。 ならどの値でも同じ議論になります。
弱い位相でのコンパクト性と混同する。ここではノルムの位相で話しています。
有限次元の部分空間が閉じている理由を飛ばす。ノルムの同値性から従います。
無限次元でも点列が有界なら収束すると考える。有界性だけでは足りません。

有界と閉だけでは足りない。この一点が、有限次元の直感と無限次元を隔てています。

出典

Riesz's lemma - Wikipedia
Rieszsches Lemma - Wikipedia
Lemme de Riesz - Wikipédia
Compactness of closed unit ball in normed spaces - PlanetMath
閉じた単位球がコンパクトになるのは有限次元のときだけ。リースの補題を $\alpha = 1/2$ で繰り返すと、たがいに $1/2$ 以上離れた単位ベクトルが無限に並び、収束する部分列が消えます。$\ell^p$ の座標ベクトルなら距離は $2^{1/p}$、$C[0,1]$ なら山が 0 へ寄っていく三角形の列。$\alpha$ を $1$ にできない理由も、積分の汎関数がノルムを実現しない例で見ます。反射的な空間なら $1$ までとれる。