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双対の双対に戻ってこない空間がある - 反射性と標準埋め込み

の双対は です。もう 1 回とっても に戻ります。

はそうなりません。双対は 、その双対は よりずっと大きい空間になる[1]

戻るかどうかを決めているのは標準埋め込みという 1 本の写像です。同型があるかどうかではなく、この写像が全射かどうかで決まります[1]

標準埋め込み

をノルム空間、 をその双対、 を双対の双対とします。 に対して次の写像を作ります[2]

を固定して を動かす、という見方です。汎関数を値に変える写像なので、 上の汎関数になる。

線形性はすぐ分かります。 から、 も出ます。

ノルムが保たれる理由

逆向きの不等式にハーン・バナッハの定理を使います。 に対し、 かつ をみたす がとれる。

この を入れると なので です。合わせて等号になります[1]

等長なので単射でもある。 はいつでも の中へ、形を変えずに置きます[3]

反射的の定義

が全射であるとき、 を反射的といいます[3]。等長なので、全射なら は等長同型になります。

大事なのは、 のあいだに何か同型があればよい、という話ではないところです。

ジェイムズ空間という例があります。二重双対と等長同型でありながら、 が全射でないので反射的ではない[1]

そのものを見る。ほかの写像で代用できません。

例:有限次元は必ず反射的

とします。 の次元も の次元も です。

は単射な線形写像なので、同じ次元どうしなら全射になります。有限次元のノルム空間はすべて反射的[2]

で確かめると、双対も 、二重双対も は座標をそのまま写す写像になります。

例:数列空間の一覧

無限次元では話が変わります。双対を 回とった行き先を並べます[1]

空間双対二重双対
より広い

の範囲だけが往復できます。両端の で対称性が崩れる。

でも同じです。 なら反射的、 は無限次元なら反射的ではありません[2]

例:c0 でどこがはみ出すか

を、 に収束する数列全体とします。双対は 、その双対は です。

は自然な包含になります。 の元をそのまま の元と見る写像です。

はみ出すものはすぐ見つかる。 に住んでいますが、 に収束しないので にありません。

なので全射ではない。 は反射的でないと分かりました。

が反射的でないのは、二重双対のほうが真に広いからです。

収束するという条件を落とした分だけ、 には余分な元が入っている。

ノルムを実現しない汎関数

反射性は、別の言い方でも書けます。ジェイムズの定理です[1]

バナッハ空間 が反射的であることと、どの も閉単位球の上でノルムを実現することは同値になります。

で実現しない汎関数を作ってみましょう。

係数の列 の元で、そのノルムは 。だから です。

になるには、すべての が要ります。ところがその列は に収束しないので の外。

上限には近づきますが、届きません。

先頭 個だけ にした列を入れると、値は になります。 を増やせばいくらでも に近づく。

それでも そのものは出ません。上限が実現しないので、ジェイムズの定理から は反射的でないと分かります[1]

例:連続関数の空間

でも同じ形の反例が作れます。次の汎関数を考えましょう。

なので です。前半で 、後半で に近い関数を作れば、値は に近づきます。

ちょうどにするには、前半で 、後半で が要る。そんな連続関数はありません。

実現しない汎関数があるので、 は反射的ではありません[3]

弱い位相でのコンパクト性

反射性はコンパクト性とも結びつきます。角谷の定理です[2]

バナッハ空間が反射的であることと、閉単位球が弱位相でコンパクトであることは同値になります。

ノルムの位相では、無限次元の単位球は決してコンパクトになりません。位相を弱めると、反射的な空間でだけコンパクト性が戻ってくる。

エーベルライン・シュムリアンの定理を合わせると、点列の言葉にも直せます[3]。有界な列が弱収束する部分列を持つことと反射性が同値になる。

反射的である

閉単位球が弱位相でコンパクト

有界な列が弱収束する部分列を持つ

一様凸なら反射的

単位球の形からも反射性が言えます。 かつ なら、中点が縁から だけ内側に入る、という性質を一様凸といいます。

一様凸なバナッハ空間は反射的になります。ミルマン・ペティスの定理です[3]

で一様凸なので、これだけで反射性が出る。単位球の縁が丸いかどうかが効いています。

例:平らな辺で何が起きるか

次元版で見ます。 はどちらもノルム です。

差のノルムは なので、かなり離れている。ところが中点は で、ノルムはやはり です。

離れた 点の中点が縁に残る。 がとれないので一様凸ではありません。

なら中点のノルムは まで下がります。ここが分かれ目になっている。

受け継がれる性質

反射性は、いくつかの操作で保たれます[1]

反射的な空間の閉部分空間は反射的である。
反射的な空間を閉部分空間で割った商空間も反射的である。
が反射的であることと が反射的であることは同値になる。
有限個の反射的な空間の直和は反射的である。

閉部分空間の性質は使い道が広い。反射的でない空間が閉部分空間として入っていれば、全体も反射的でないと分かります。

の二重双対はどの空間になりますか。

__RESULT__

の双対は 、その双対が です。 は自然な包含になり、 のような元が像からはみ出します。 が答えなら反射的だったことになり、 は 1 回だけ双対をとった空間です。

答えを確かめる

反射的かどうかを疑ったら、まずノルムを実現しない汎関数を探します。 つ見つかれば、その時点で反射的ではありません。

上限に近づく列を書き、極限がその空間に残るかを見る。 でも でも、極限が空間の外へ出ていました。

反射的だと示すほうは、 という形に持ち込むか、一様凸性を確かめる道が早い。

まちがえやすいところ

が同型なら反射的だと考える。 が全射かどうかで決まります。
が単射かどうかを気にする。等長なので、いつでも単射になります。
の双対を だとする。実際にはもっと広い空間です。
有限次元でも反射性を確かめようとする。次元の一致だけで自動的に従います。
弱位相を使わずに単位球のコンパクト性を論じる。ノルムの位相では無限次元で必ず失敗します。
一様凸性を反射性の必要条件だと思う。十分条件にすぎません。
を反射的だと考える。実現しない汎関数が作れます。

という 1 本の写像が全射かどうか。反射性の話は、最後まですべてここに帰ります。

出典

Reflexive space - Wikipedia
Reflexiver Raum - Wikipedia
Espace réflexif - Wikipédia
$J(x)(f) = f(x)$ で定まる標準埋め込みは、ハーン・バナッハの定理から等長になります。反射的とは、この $J$ が全射だという意味。二重双対と等長同型でも反射的でない空間があるので、同型の有無では決まらない。$c_0$ の二重双対は $\ell^\infty$ で、$(1, 1, 1, \dots)$ が像からはみ出します。ノルムを実現しない汎関数の作り方、弱コンパクト性による角谷の定理、単位球の丸さから反射性を出すミルマン・ペティスの定理まで。