메트리저블 위상 벡터 공간

Metrizable topological vector space

수학기능 분석과 관련 영역에서, 측정 가능한 (resp. phasmetrizable) 위상 벡터 공간(TVs)은 위상이 미터법(resp. phasometric)에 의해 유도되는 TVS이다.LM-공간지역적으로 볼록한 전이 가능한 TVS 시퀀스의 유도 한계다.

유사 측정 및 측정 기준

집합 유사 측정값은 속성을 충족하는 지도 d: → R X {이다.

  1. ( , x)= ∈에 0 = 모든 x X에대해 {\0{\
  2. 대칭: ( , )= ( , ) = , X X;
  3. Subaditivity: ( , ) d( x, )+ ( y, ) , , X.

가성비는 다음을 만족하는 경우 미터법이라고 한다.

  1. 불분명개체의 ID: , y X, 대해, ( x,) = 0{\이면 = {\x=
초고속도계

가성 {\은(는) 다음을 만족하는 경우 초밀도계 또는 강한 가성계라고 한다.

  1. / 삼각형 불평등: d( x, y) { d (,) , ( y, ) x, .\\d }.
가성공간

A pseudometric space is a pair consisting of a set and a pseudometric on such that 's topology is identical to the topology on induced by We유사 측정 공간, d) 을(를) 메트릭 공간(resp)이라고 부른다. 이(가) 메트릭인 경우 초경량 공간.극초단파 측정학

유사 측정에 의해 유도된 위상

이(가) 된 X 의 유사 측정값인 경우, 열린모음:

으로서 z{z\displaystyle}X{X\displaystyle}과 r를 혼동하고,는 긍정적인 실수를 0개 이상의{\displaystyle r>0}이 솟아나고, X{X\displaystyle}에 X{X\displaystyle}에 d{\displaystyle d}-topology 또는 합치 토폴로지 d에 의해 유도된 토폴로지에 대한 기초를 형성한다. {\di

규약:( , d) 스타일 가) 유사 측정 이고 X X}이(가 위상학적 공간으로 취급되는 경우, 달리 되지 한, X {\displaystyle . d에 의해 유도된 위상과 함께 귀속된다고 가정해야 한다.
가성측정 가능 공간

A topological space is called pseudometrizable (resp. metrizable, ultrapseudometrizable) if there exists a pseudometric (resp. metric, ultrapseudometric) on such that is equal to the topology induced by [1]

위상학 그룹의 유사측정학 및 값

가법 위상학 그룹그룹 위상이라고 불리는 위상을 부여받은 첨가물 그룹이며, 그 아래에 덧셈과 부정이 연속적인 연산자가 된다.

실제 또는 복잡한 벡터 공간 위상 을(를) 벡터 추가 및 스칼라 곱셈의 연산을 연속적으로 하는 경우(,X {\}을(를 위상 벡터 공간으로 만드는 경우) 위상 또는 TVS 위상이라고 한다.

모든 위상 벡터 공간(TV) (는) 가법역학 위상 그룹이지만 의 모든 그룹 위상이 벡터 위상인 것은 아니다.추가 및 부정을 연속적으로 하지만 벡터 공간 의 그룹 토폴로지가 스칼라 곱셈을 연속적으로 만들지 못할 수 있기 때문이다.예를 들어, 비삼각 벡터 공간의 이산 위상은 덧셈과 부정을 연속적으로 만들지만 스칼라 곱셈을 연속적으로 만들지는 않는다.

번역불변성 유사성

(가) 가법 인 경우 X d 은(는) 변환 불변성이거나 다음 등가 조건 중 하나를 만족하는 경우 불변성이라고 말할 수 있다.

  1. 변환 호출: + z + )= , , z {\ X

Value/G-seminorm

(가) 위상학 그룹 X XG는 Group을 나타냄)의 값 또는 G-세미놈은 다음과 [2]같은 속성을 가진 실제 값 : → R 이다

  1. 비음성:
  2. Subadditive: ( + y) ( )+ p ( ) + p ( y ) 모든 x , X
  3. 대칭: ( -)= (x ) = . ){\

추가 조건을 만족하는 경우 G-seminorm을 G-norm이라고 부른다.

  1. 총계/양수 한정자:( )= 이면 = x

값의 속성

이(가) 벡터 공간 의 값인 경우:

  • [3]
  • and for all and positive integers [4]
  • 세트{ : (x)= . X의 가법 하위 그룹이다.

위상군 등가성

정리[2] - X이(가) 가법군이라고 가정하십시오. (가) X 의 변환 불변성 유사측정학인 경우, 맵 ) : , 0) 0는 d 연결된 값이라고 하는 의 값이며, 더욱이 d {\이 그룹 위상이다. , X -topology를 통해 X을(를) 위상학적 그룹으로 만든다.Conversely, if is a value on then the map is a translation-invariant pseudometric on and the value associated with is just

유사측정 가능한 위상학군

정리[2] ( , ) (가) 첨가물 교환 위상학 그룹인 경우, 다음은 동등하다.

  1. (예: (, )(는) 가성 측정이 가능하다.
  2. }은(는) 번역-변환성 가성비에 의해 유도된다.
  3. , ) 의 ID 요소는 카운트 가능한 주변 환경을 가지고 있다.

만약( , ) (가) 하우스도르프라면, 위 문장의 "pseudometric"은 "metric"이라는 단어로 대체될 수 있다.상호 작용 위상학 그룹은 하우스도르프와 가성 측정이 가능한 경우에만 측정이 가능하다.

벡터 위상을 유도하지 않는 불변 가성계

Let be a non-trivial (i.e. ) real or complex vector space and let be the translation-invariant trivial metric on defined by and {{{\text{ , x x 이(가) X X 유도하는 위상 }은(X , \ \ { { \ \ \ \ \)은 이산 위상이며, 이 위상은 ( , } } \ } } }} } } } } } } } } } } } } } } } } } }(는) 연결이 끊어졌지만 모든 벡터 위상이 연결되어 있다.실패한 것은 메스커 곱셈이(, ).) 에서 연속되지 않는다는 것이다.

이 예는 번역-인바리어스(의사) 측정학으로는 벡터 위상(vector topology)을 보장하기에 충분하지 않다는 것을 보여주는데, 이것은 우리가 편집증과 F-세미나(f-seminorms)를 정의하도록 이끈다.

가법순서

A collection of subsets of a vector space is called additive[5] if for every there exists some such that

Continuity of addition at 0If is a group (as all vector spaces are), is a topology on and is endowed with the product topology, then the addition map (i.e.지도, ) + ()는(, ) 의 원점 부근 집합이 첨가된 경우에만 의 원점에서 연속된다.이웃이라는 말을 '열린 동네'로 바꾸면 이 말은 그대로 유지된다.[5]

위의 모든 조건은 결과적으로 위상이 벡터 위상을 형성하는데 필요한 것이다.집합의 가법 시퀀스는 음이 아닌 연속 실제 값 하위 가법 함수를 정의하는 특히 좋은 특성을 가지고 있다.이 기능들은 위상학적 벡터 공간의 많은 기본적 특성을 입증하는 데 사용될 수 있고 또한 이웃의 셀 수 있는 기반을 가진 하우스도르프 TVS가 메트리징 가능하다는 것을 보여준다.다음과 같은 정리는 교번적 첨가물 위상학 그룹에 더 일반적으로 적용된다.

TheoremLet be a collection of subsets of a vector space such that and for all 0 u {\ 대해 다음과 같이 하십시오.

: [ , {\ by ( )= }을를) 정의하고 그렇지 다음이(가) 되도록 하십시오.

Then is subadditive (meaning ) and on so in particular If all are symmetric sets then and if all are balanced then for all scalars such that and all If is a topological vector space and if all are neighborhoods of the origin then is continuous, where if in addition is Hausdorff and (는) 다음에 y) 에 벡터 위상을 정의하는 메트릭이다

증명

=( ,, ) 이 항상 음이 아닌 정수의 유한 순서를 나타낸다고 가정하고 다음과 같은 표기법을 사용한다.

정수 > ,의 경우

From this it follows that if consists of distinct positive integers then

It will now be shown by induction on that if consists of non-negative integers such that for some integer then This is clearly true for and so assume that which implies that all are positive.만약 모든의 나는{\displaystyle n_{나는}}는 별개의 이 단계다도 하고 그렇지 않으면 선택 뚜렷한 지수 나는 <, j{\displaystyle i<, j}가 n나는 갈nj{\displaystyle n_{나는}=n_{j}}고 조성 m∙)(m1,…, mk− 1){\displaystyle m_{\bullet}(m_{1},\ldots{}\right k-1 ,m_)}. from by replacing each with and deleting the element of (all other elements of are transfered to }.Observe that and (because ) so by appealing to the inductive hypothesis we conclude that as desired.

It is clear that and that so to prove that is subadditive, it suffices to prove that when are such that )+ (y)< ,을(를) 의미하며, 이는 , . 을(를) 의미한다. 이것은 연습이다.If all are symmetric then if and only if from which it follows that and 모든 {\ 이 균형을 이룬다면, {\displaystyle s에 대한 불평등 x) f (x ) {\displaystyle f(이(가) 1과 같이 입증된다. (는) 하위 선형 함수에 관한 기사에서 설명한 f() = 0{\을(를) 만족하는 비음성 하위 가함수이므로 이(가) 원점에서 연속적인 경우에만 X에 균일하게 연속된다.기원의 어떠한 r을에 모든 U나는{\displaystyle U_{나는}}은 지역;0,{\displaystyle r>0,}1{\displaystyle M> 1}가 2− M<>r{\displaystyle 2^{-M}&lt하며}이)∈ UM}{\displaystylex\in U_{M}())≤ 2− M<>f를 의미한다;r정수 M을 따.{\displaystylef())\leq 2^{-M}<r기원이 균형 잡힌 지역 중의 모든 U나는{\displaystyle U_{나는}의 집합}형태 기준}그때 어떤 n>1,{\displaystyle n>, 1,}이 0명의<>존재하고, r ≤ 2− n{0<, r\leq 2^{-n\displaystyle}}가 f())<>r{\displaystyle f())<, r})을 의미하 ∈ 미국이 보이게 됩니다

파라노름스

If is a vector space over the real or complex numbers then a paranorm on is a G-seminorm (defined above) on that satisfies any of the following additional conditions, each of which begins with "for allsequences in and all convergent sequences of scalars ":[6]

  1. Continuity of multiplication: if is a scalar and are such that and then
  2. 두 가지 조건 모두:
    • if and if is such that then ;
    • ) )\ i) 스칼라 s. 에 대해 0 x ) → x i}\displaystystylef
  3. 두 가지 조건 모두:
    • s 대해 p ) → ) s → s i xi )→ 0i}x_{}\}\right
    • {\을(를) 0으로(를) 지정하면 i x) 에 대해으로( 0
  4. 별도의 연속성:[7]
    • 일부 스칼라 대해 → s 이면 p ( - ) xX에 대해 p
    • (가) 스칼라, X, X( x- x i - )→ 0( - ss x - s) ({sx\rimef) 0

편집광은 추가로 다음을 충족한다면 총체라고 불린다.

  • / 한정자: p( x)= = x을 의미한다

파라노몬의 속성

If is a paranorm on a vector space then the map defined by is a translation-invariant pseudometric on that defines a vector . X토폴로지

이(가) 벡터 공간 의 편집증인 경우:

  • 세트{ : ()= . X의 벡터 하위 공간이다.
  • ( + )= ( x) = 모든 , X p ) = . {\displaystyp pn)=0.[8]
  • If a paranorm satisfies and scalars then is absolutely homogeneity (i.e. equality holds)[8] and thus is a seminorm.

편집증적 괴물의 예

  • If is a translation-invariant pseudometric on a vector space that induces a vector topology on (i.e. is a TVS) then the map , ) 에 대한 연속 편집증적 편집증적 편집증적 정의를 정의한다 더욱이 이 편집증적 이(가) X에서 정의하는 위상은 이다.
  • (가) 의 편집자라면 지도 ( ) p( )/[ + ( x).도 마찬가지다.[8]
  • 모든 양성 스칼라 다발성 편집증(resp. total panalorm)은 다시 그런 편집증이다.
  • 모든 세미몬은 편집광이다.[8]
  • 벡터 서브 스페이스에 대한 편집광(resp. total panalorm)의 제한은 편집광이다.[9]
  • 두 명의 편집광의 합은 편집광이다.[8]
  • 이(가) X 에서 편집광인 경우(p) { + (): = = = .{\ Moreover, and This makes the set of paranorms on into a conditionally complete lattice.[8]
  • 다음의 각 실제 가치 지도는 X
  • The real-valued maps and are not a paranorms on [8]
  • If is a Hamel basis on a vector space then the real-valued map that sends (where all but finitely many of the scalars are 0) to is a paranorm on which satisfies for all and scalars
  • The function is a paranorm on that is not balanced but nevertheless equivalent to the usual norm on Note that the function x\ }은(는) 하위 추가 기능이다.[10]
  • Let be a complex vector space and let denote considered as a vector space over Any paranorm on is also 에 나오는 편집광.

F-세미놈들

X이(가) 실제 또는 복잡한 숫자에 대한 벡터 공간인 경우 X X (는 Fréchet을 나타냄)의 F-seminorm은 다음과 같은 속성이 있는 실제 값 p :X {이다[11]

  1. 비음성:
  2. Subadditive: ( + y) ( )+ p ( ) + p ( y ) 모든 x , X
  3. 조정: ( x) ( ) p(x 모든 X {\ X 1 a을 충족하는 모든
    • This condition guarantees that each set of the form or for some is balanced.
  4. , ( ) 0 대해 n
    • 시퀀스)= {\{은(는) 0으로 수렴하는 임의의 양의 시퀀스로 대체될 수 있다.[12]

F-세미놈은 F-norm이라고 불리는데, F-norm은 추가로 다음과 같은 조건을 F-norm이라고 부른다.

  1. / 한정자: p( x)= = x을 의미한다

F-세미놈은 다음과 같은 경우에 모노톤이라고 불린다.

  1. Monotone: ( x)p ( ) ( s ) p ( s ) 를) 모두 0이 모든 x X s s} t 대해 "s)".[12]

F-소형 공간

F-seminormed space (resp.F 표준 공간)은 [12]벡터 공간 X {\ Xresp) F-seminorm(resp)으로 구성된 쌍, ) 이다.F-norm) . X p p}

If and are F-seminormed spaces then a map is called an isometric embedding[12] if

하나의 F-세미닌된 공간을 다른 공간에 내장하는 모든 등축은 위상학적 내장이지만, 그 반대는 일반적으로 사실이 아니다.[12]

F-세미놈의 예

  • F-세미놈의 모든 양성 스칼라 배수(resp.F-norm, 세미노름(resp)은 다시 F-seminorm(resp)이다.F-norm, 세미노름.
  • 정확히 많은 F-세미놀이의 합계(resp.F-norms(F-norms)는 F-세미놈(resp)이다.F-norm).
  • (가) }의 F-seminorms인 경우, 포인트우월성 { 에 있는 어떤 비어 있지 않은 유한한 F-세미나미의 우월성도 마찬가지다.
  • F-seminorm(resp)의 제한.벡터 서브스페이스에 대한 F-norm)은 F-seminorm(resp)이다.F-norm).[9]
  • 의 음이 아닌 실질 가치 함수는 볼록 F-세미나름인 경우 및 볼록 균형 G-세미나름인 경우, 동등하게만 세미노름이다.[10]특히 모든 세미놈은 F-세미놈이다.
  • < 1, 대해 지도 의해 정의됨
    표준이 아닌 F-표준이다.
  • : Y이(가) 선형 지도이고, {\ y이(가) , 인 경우
  • Let be a complex vector space and let denote considered as a vector space over Any F-seminorm on is al X 에 F-seminorm.

F-세미놈의 특성

모든 F-seminorm은 편집증이고 모든 편집증은 어떤 F-seminorm과 동등하다.[7]Every F-seminorm on a vector space is a value on In particular, and for all

단일 F-세미놈에 의해 유도된 위상

Theorem[11]p{p\displaystyle} F-seminorm 벡터 공간 X에.{X\displaystyle}그리고 그 지도 d:X×X→ R{\displaystyle d:X\times X\to \mathbb{R}}d(), y)에 의해 정의된:)p()− y){\displaystyle d(x, y):=p(x-y)}번역을 고정 X{X\displaystyle}에 d. 합치 하지 않는 것입니다 —efin . {\ {\(가 F-orm이라면 d은(는 메트릭이다. 이(가) 이 토폴로지와 함께 제공된 경우, {\p}은(는) X에 대한 연속 지도가 된다

균형 잡힌 집합{ : () r , X)\ r은(는) 양의 reals에 걸쳐 있으며 닫힌 집합으로 구성된 이 토폴로지의 원점에서 근접한 기준을 형성한다.마찬가지로 균형 잡힌 집합{ : (x )< r , (는) 양의 리얼에 걸쳐 있으며, 열린 으로 구성된 이 토폴로지의 원점에서 근린 기준을 형성한다.

F-세미놈 집단에 의해 유도된 위상

이(가) 벡터 X 및 유한 부분 (r >0, {\ 에 대한 F-sminorms의 비어 있지 않은 집합이라고 가정합시다.

세트{ , r: > , L, U_{{{F\mathcal}},r}일:~r>, 0,{{F\mathcal}}\subseteq{{나는\mathcal}},{{F\mathcal}}{\text{정형의}}\right\}}.}각[12]X{X\displaystyle}그것은 발신지 X{X\displaystyle}에 대한 벡터 토폴로지τ L.{\displaystyle \tau_{{\mathcal L}에 의해 표시된에}이웃 기초를 형성한 필터 근거지를 이루고 있다. UF (는) X의 균형잡히고 흡수적인 부분집합이다 {\ X 이들[12] 집합은 충족된다[12]

  • {(는) X 에서 각 L {\을(를) 연속적으로 만드는 가장 강력한 벡터 위상이다.[12]
  • 0이 아닌 모든 p ) p}과 같은 p L [12]
  • If is the set of all continuous F-seminorms on then [12]
  • If is the set of all pointwise suprema of non-empty finite subsets of of then is a directed family of F-seminorms and [12]

프레셰 조합

=( ) i= (가) 벡터 X.{\에 음이 아닌 하위 부가함수의 계열이라고 가정하자.

프레셰 조합[8] 실제 값 맵으로 정의된다.

F-세미놈으로서

Assume that is an increasing sequence of seminorms on and let be the Fréchet combination of Then is an F-se 에서 minorm p 과(와) 동일한 국소 볼록 위상을 유도한다.[13]

이후 p∙)(p나는)나는으로 범위{\displaystyle 나는}1∞{\displaystyle p_{\bullet}(p_{나는}\right)_{i=1}^{\infty}}, 발신지의 개방적인 지역 기반 형태{)∈ X:나는())<>r}{\displaystyle \left\{x\in X~:~p_{나는}())&lt의 모든 집합으로 이루어져 있고, r\right\}}o. 증가하고 있원얼음 알l 양의 정수 및 > 범위는 모든 양의 실제 숫자에 걸쳐 있다.

이 F-세미나름 이(가) X {\X}의 번역 불변 가성계는 다음과 같다.

이 측정기준은 1906년 프레셰트가 발표한 논문에서 포인트 와이즈 연산이 있는 실제적이고 복잡한 시퀀스의 공간에 대해 발견했다.[14]

편집광으로서

가 편집증이라면 도 마찬가지며, 더욱이 은 편집증 p {\ 같은 위상(위상)을유도한다.[8]는 X 의 다음과 같은 편집증에도 해당된다

  • [8]
  • [8]

일반화

프리셰 조합은 경계 리메트리제이션 함수를 사용하여 일반화할 수 있다.

그것은 저가 산적(포지티브 R(의+t)≤ R(s)+R모든에, t≥ 0,{R(s+t)\leq R(s)+R(t)\displaystyle}(t){\displaystyle s,t\geq 0,}은 한정적 범위를 가지고 앉아 있는 한정적 remetrization)이 지속non-negativenon-decreasing 지도 R:[0, ∞)→ -LSB- 0, ∞){\displaystyle R:-LSB- 0,\infty)\to는 경우에는 0,\infty)}.isfies )= = 인 경우에만 해당된다.

Examples of bounded remetrization functions include and }[15]X{X\displaystyle}과 R{R\displaystyle}에 만약 d{\displaystyle d}은 합치(resp. 계량)은 한정적 remetrization 기능 X{X\displaystyle}에 균일하게 삭제할 동등한 다음 R∘ d{\displaystyle R\circ d}은 경계 의거리(resp. 속박 미터).{\displaysty.이끌었다[15]

Suppose that is a family of non-negative F-seminorm on a vector space } is a bounded remetrization function, and 은 합이 유한한 양의 실수의 순서다.그러면.

.{\displaystyle p_{\bullet}.}[16]이 얼마간의 네트 x∙에)}X에서,{X\displaystyle,}p(→ 0{\displaystyle p\left(x_{\bullet}\ri ∈{\displaystyle x_{\bullet}(x_{}\right)_{Aa\in}())는 속성을 갖는 한정적 F-seminorm는 한결같이 p∙에 해당합니다를 정의합니다.ght if and only if for all [16] is an F-norm if and only if the separate points on [16]

특성화

(semi)규범에 의해 유도된 (pseudo)측정법 중

(가) 변환 불변성이고 절대적으로 동질적인 경우에만 벡터 공간 의 세미놈(resp. norm)에 의해 가성(resp. metric) 되며, 이는 모든 스칼라 {\ s x {\ 경우 ( x) : (, 0) p):로 정의되는 함수는 세미노름(resp. norm)이고 p 에 의해 유도된 유사계(resp. metric. 와 같다.

가성계측 가능한 TV의 경우

, ) (가) 위상학적 벡터 공간(TV)인 경우(특히 {\displaystyle 이(가) 벡터 위상이라고 가정한다는 유의)에는 다음이 동등하다.[11]

  1. (즉, 벡터 위상 은(는) 의 유사 측정에 의해 유도된다.
  2. 은(는) 출발지에 카운트 가능한 이웃 기지를 가지고 있다.
  3. X. {\ X}의 변환-증가 유사 측정값으로 유도된다.
  4. 의 위상은 F-세미놈에 의해 유도된다.
  5. 의 위상은 편집광에 의해 유도된다.

Metrizable TVs 중

, ) 이(가) TVS인 경우, 다음과 같다.

  1. (는) 미터링할 수 있다.
  2. (는) 하우스도르프(Hausdorff)이며 가성측정가능하다.
  3. 은(는) 하우스도르프(Hausdorff)이며 원산지에는 셀 수 있는 근린기반이 있다.[11][12]
  4. 의 토폴로지는 . 의 변환 내변성 메트릭에 의해 유도된다.
  5. 의 위상은 F-orm에 의해 유도된다.[11][12]
  6. 의 위상은 단조 F-표준에 의해 유도된다.[12]
  7. 의 위상은 완전한 편집증에 의해 유도된다.

Birkhoff-Kakutani 정리 ( , ) {\X,\tau )}이(가 위상학적 벡터 공간이라면 다음 세 가지 조건이 동등하다.[17][note 1]

  1. 원본{ 은(는) , 에서 닫히고, 0}에 대한 인접 영역의 계산 가능이 있다
  2. ,) (위상학적 공간으로서) 메트리징 가능하다.
  3. X. {\ 토폴로지 을(를) 유도하는 변환 불변 메트릭이 있다

비르코프-카쿠타니 정리에는 번역-반환성인 등가 측정기준이 있다는 것을 따른다.

지역적으로 볼록한 가성계 TV의 경우

, ) 이(가) TVS일 경우, 다음 사항은 동일하다.[13]

  1. (는) 국소적으로 볼록하고 유사하게 측정할 수 있다.
  2. 은(는) 볼록 세트로 구성된 원점에 카운트 가능한 근린 기지를 가지고 있다.
  3. 의 위상은 (연속) 세미노름의 카운트 가능한 패밀리에 의해 유도된다.
  4. The topology of is induced by a countable increasing sequence of (continuous) seminorms (increasing means that for all
  5. 의 토폴로지는 다음 형식의 F-세미나에 의해 유도된다.
    ( i= =1 X . {\의 (연속) 세미orms이다.

인용구

을(를) 위상학적 벡터 공간,)의 벡터 공간이 되도록 한다

  • (가) 유사 측정 가능한 TVS인 경우 X도 마찬가지다[11]
  • (가) 완전한 유사계측 가능 이고 M{\M}이(가 X의 폐쇄 벡터 하위 공간이라면 X/ X/) 완료된다.[11]
  • (가) TVS이고 M 의 폐쇄 벡터 하위 공간인 경우 / 을(를) Metrizeable로 한다.[11]
  • (가) , X의 F-seminorm인 경우 지도 : / M 에 의해 정의됨
    is an F-seminorm on that induces the usual quotient topology on [11] If in addition is an F-norm on and if is a closed vector subspace of then is an F-norm on [11]

Examples and sufficient conditions

  • Every seminormed space is pseudometrizable with a canonical pseudometric given by for all [19].
  • If is pseudometric TVS with a translation invariant pseudometric then defines a paranorm.[20] However, if is a translation invariant pseudometric on the vector space (without the addition condition that is pseudometric TVS), then need not be either an F-seminorm[21] nor a paranorm.
  • If a TVS has a bounded neighborhood of the origin then it is pseudometrizable; the converse is in general false.[14]
  • If a Hausdorff TVS has a bounded neighborhood of the origin then it is metrizable.[14]
  • Suppose is either a DF-space or an LM-space. If is a sequential space then it is either metrizable or else a Montel DF-space.

If is Hausdorff locally convex TVS then with the strong topology, is metrizable if and only if there exists a countable set of bounded subsets of such that every bounded subset of is contained in some element of [22]

The strong dual space of a metrizable locally convex space (such as a Fréchet space[23]) is a DF-space.[24] The strong dual of a DF-space is a Fréchet space.[25] The strong dual of a reflexive Fréchet space is a bornological space.[24] The strong bidual (that is, the strong dual space of the strong dual space) of a metrizable locally convex space is a Fréchet space.[26] If is a metrizable locally convex space then its strong dual has one of the following properties, if and only if it has all of these properties: (1) bornological, (2) infrabarreled, (3) barreled.[26]

Normability

A topological vector space is seminormable if and only if it has a convex bounded neighborhood of the origin. Moreover, a TVS is normable if and only if it is Hausdorff and seminormable.[14] Every metrizable TVS on a finite-dimensional vector space is a normable locally convex complete TVS, being TVS-isomorphic to Euclidean space. Consequently, any metrizable TVS that is not normable must be infinite dimensional.

If is a metrizable locally convex TVS that possess a countable fundamental system of bounded sets, then is normable.[27]

If is a Hausdorff locally convex space then the following are equivalent:

  1. is normable.
  2. has a (von Neumann) bounded neighborhood of the origin.
  3. the strong dual space of is normable.[28]

and if this locally convex space is also metrizable, then the following may be appended to this list:

  1. the strong dual space of is metrizable.[28]
  2. the strong dual space of is a Fréchet–Urysohn locally convex space.[23]

In particular, if a metrizable locally convex space (such as a Fréchet space) is not normable then its strong dual space is not a Fréchet–Urysohn space and consequently, this complete Hausdorff locally convex space is also neither metrizable nor normable.

Another consequence of this is that if is a reflexive locally convex TVS whose strong dual is metrizable then is necessarily a reflexive Fréchet space, is a DF-space, both and are necessarily complete Hausdorff ultrabornological distinguished webbed spaces, and moreover, is normable if and only if is normable if and only if is Fréchet–Urysohn if and only if is metrizable. In particular, such a space is either a Banach space or else it is not even a Fréchet–Urysohn space.

Metrically bounded sets and bounded sets

Suppose that is a pseudometric space and The set is metrically bounded or -bounded if there exists a real number such that for all ; the smallest such is then called the diameter or -diameter of [14] If is bounded in a pseudometrizable TVS then it is metrically bounded; the converse is in general false but it is true for locally convex metrizable TVSs.[14]

Properties of pseudometrizable TVS

Theorem[29]All infinite-dimensional separable complete metrizable TVS are homeomorphic.

  • Every metrizable locally convex TVS is a quasibarrelled space,[30] bornological space, and a Mackey space.
  • Every complete pseudometrizable TVS is a barrelled space and a Baire space (and hence non-meager).[31] However, there exist metrizable Baire spaces that are not complete.[31]
  • If is a metrizable locally convex space, then the strong dual of is bornological if and only if it is barreled, if and only if it is infrabarreled.[26]
  • If is a complete pseudometrizable TVS and is a closed vector subspace of then is complete.[11]
  • The strong dual of a locally convex metrizable TVS is a webbed space.[32]
  • If and are complete metrizable TVSs (i.e. F-spaces) and if is coarser than then ;[33] this is no longer guaranteed to be true if any one of these metrizable TVSs is not complete.[34] Said differently, if and are both F-spaces but with different topologies, then neither one of and contains the other as a subset. One particular consequence of this is, for example, that if is a Banach space and is some other normed space whose norm-induced topology is finer than (or alternatively, is coarser than) that of (i.e. if or if for some constant ), then the only way that can be a Banach space (i.e. also be complete) is if these two norms and are equivalent; if they are not equivalent, then can not be a Banach space. As another consequence, if is a Banach space and is a Fréchet space, then the map is continuous if and only if the Fréchet space is the TVS (here, the Banach space is being considered as a TVS, which means that its norm is "forgetten" but its topology is remembered).
  • A metrizable locally convex space is normable if and only if its strong dual space is a Fréchet–Urysohn locally convex space.[23]
  • Any product of complete metrizable TVSs is a Baire space.[31]
  • A product of metrizable TVSs is metrizable if and only if it all but at most countably many of these TVSs have dimension [35]
  • A product of pseudometrizable TVSs is pseudometrizable if and only if it all but at most countably many of these TVSs have the trivial topology.
  • Every complete pseudometrizable TVS is a barrelled space and a Baire space (and thus non-meager).[31]
  • The dimension of a complete metrizable TVS is either finite or uncountable.[35]

Completeness

Every topological vector space (and more generally, a topological group) has a canonical uniform structure, induced by its topology, which allows the notions of completeness and uniform continuity to be applied to it. If is a metrizable TVS and is a metric that defines 's topology, then its possible that is complete as a TVS (i.e. relative to its uniformity) but the metric is not a complete metric (such metrics exist even for ). Thus, if is a TVS whose topology is induced by a pseudometric then the notion of completeness of (as a TVS) and the notion of completeness of the pseudometric space are not always equivalent. The next theorem gives a condition for when they are equivalent:

TheoremIf is a pseudometrizable TVS whose topology is induced by a translation invariant pseudometric then is a complete pseudometric on if and only if is complete as a TVS.[36]

Theorem[37][38] (Klee)Let be any[note 2] metric on a vector space such that the topology induced by on makes into a topological vector space. If is a complete metric space then is a complete-TVS.

TheoremIf is a TVS whose topology is induced by a paranorm then is complete if and only if for every sequence in if then converges in [39]

If is a closed vector subspace of a complete pseudometrizable TVS then the quotient space is complete.[40] If is a complete vector subspace of a metrizable TVS and if the quotient space is complete then so is [40] If is not complete then but not complete, vector subspace of

A Baire separable topological group is metrizable if and only if it is cosmic.[23]

Subsets and subsequences

  • Let be a separable locally convex metrizable topological vector space and let be its completion. If is a bounded subset of then there exists a bounded subset of such that [41]
  • Every totally bounded subset of a locally convex metrizable TVS is contained in the closed convex balanced hull of some sequence in that converges to
  • In a pseudometrizable TVS, every bornivore is a neighborhood of the origin.[42]
  • If is a translation invariant metric on a vector space then for all and every positive integer [43]
  • If is a null sequence (that is, it converges to the origin) in a metrizable TVS then there exists a sequence of positive real numbers diverging to such that [43]
  • A subset of a complete metric space is closed if and only if it is complete. If a space is not complete, then is a closed subset of that is not complete.
  • If is a metrizable locally convex TVS then for every bounded subset of there exists a bounded disk in such that and both and the auxiliary normed space induce the same subspace topology on [44]

Banach-Saks theorem[45]If is a sequence in a locally convex metrizable TVS that converges weakly to some then there exists a sequence in such that in and each is a convex combination of finitely many

Mackey's countability condition[14]Suppose that is a locally convex metrizable TVS and that is a countable sequence of bounded subsets of Then there exists a bounded subset of and a sequence of positive real numbers such that for all

Linear maps

If is a pseudometrizable TVS and maps bounded subsets of to bounded subsets of then is continuous.[14] Discontinuous linear functionals exist on any infinite-dimensional pseudometrizable TVS.[46] Thus, a pseudometrizable TVS is finite-dimensional if and only if its continuous dual space is equal to its algebraic dual space.[46]

If is a linear map between TVSs and is metrizable then the following are equivalent:

  1. is continuous;
  2. is a (locally) bounded map (that is, maps (von Neumann) bounded subsets of to bounded subsets of );[12]
  3. is sequentially continuous;[12]
  4. the image under of every null sequence in is a bounded set[12] where by definition, a null sequence is a sequence that converges to the origin.
  5. maps null sequences to null sequences;
Open and almost open maps
Theorem: If is a complete pseudometrizable TVS, is a Hausdorff TVS, and is a closed and almost open linear surjection, then is an open map.[47]
Theorem: If is a surjective linear operator from a locally convex space onto a barrelled space (e.g. every complete pseudometrizable space is barrelled) then is almost open.[47]
Theorem: If is a surjective linear operator from a TVS onto a Baire space then is almost open.[47]
Theorem: Suppose is a continuous linear operator from a complete pseudometrizable TVS into a Hausdorff TVS If the image of is non-meager in then is a surjective open map and is a complete metrizable space.[47]

Hahn-Banach extension property

A vector subspace of a TVS has the extension property if any continuous linear functional on can be extended to a continuous linear functional on [22] Say that a TVS has the Hahn-Banach extension property (HBEP) if every vector subspace of has the extension property.[22]

The Hahn-Banach theorem guarantees that every Hausdorff locally convex space has the HBEP. For complete metrizable TVSs there is a converse:

Theorem (Kalton)Every complete metrizable TVS with the Hahn-Banach extension property is locally convex.[22]

If a vector space has uncountable dimension and if we endow it with the finest vector topology then this is a TVS with the HBEP that is neither locally convex or metrizable.[22]

See also

Notes

  1. ^ In fact, this is true for topological group, for the proof doesn't use the scalar multiplications.
  2. ^ Not assumed to be translation-invariant.

References

  1. ^ Narici & Beckenstein 2011, pp. 1–18.
  2. ^ a b c Narici & Beckenstein 2011, pp. 37–40.
  3. ^ a b Swartz 1992, p. 15.
  4. ^ Wilansky 2013, p. 17.
  5. ^ a b Wilansky 2013, pp. 40–47.
  6. ^ Wilansky 2013, p. 15.
  7. ^ a b Schechter 1996, pp. 689–691.
  8. ^ a b c d e f g h i j k l m n o Wilansky 2013, pp. 15–18.
  9. ^ a b c d Schechter 1996, p. 692.
  10. ^ a b Schechter 1996, p. 691.
  11. ^ a b c d e f g h i j k l Narici & Beckenstein 2011, pp. 91–95.
  12. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t Jarchow 1981, pp. 38–42.
  13. ^ a b Narici & Beckenstein 2011, p. 123.
  14. ^ a b c d e f g h Narici & Beckenstein 2011, pp. 156–175.
  15. ^ a b c Schechter 1996, p. 487.
  16. ^ a b c Schechter 1996, pp. 692–693.
  17. ^ Köthe 1983, section 15.11
  18. ^ Schechter 1996, p. 706.
  19. ^ Narici & Beckenstein 2011, pp. 115–154.
  20. ^ Wilansky 2013, pp. 15–16.
  21. ^ Schaefer & Wolff 1999, pp. 91–92.
  22. ^ a b c d e Narici & Beckenstein 2011, pp. 225–273.
  23. ^ a b c d Gabriyelyan, S.S. "On topological spaces and topological groups with certain local countable networks (2014)
  24. ^ a b Schaefer & Wolff 1999, p. 154.
  25. ^ Schaefer & Wolff 1999, p. 196.
  26. ^ a b c Schaefer & Wolff 1999, p. 153.
  27. ^ Schaefer & Wolff 1999, pp. 68–72.
  28. ^ a b Trèves 2006, p. 201.
  29. ^ Wilansky 2013, p. 57.
  30. ^ Jarchow 1981, p. 222.
  31. ^ a b c d Narici & Beckenstein 2011, pp. 371–423.
  32. ^ Narici & Beckenstein 2011, pp. 459–483.
  33. ^ Köthe 1969, p. 168.
  34. ^ Wilansky 2013, p. 59.
  35. ^ a b Schaefer & Wolff 1999, pp. 12–35.
  36. ^ Narici & Beckenstein 2011, pp. 47–50.
  37. ^ Schaefer & Wolff 1999, p. 35.
  38. ^ Klee, V. L. (1952). "Invariant metrics in groups (solution of a problem of Banach)" (PDF). Proc. Amer. Math. Soc. 3 (3): 484–487. doi:10.1090/s0002-9939-1952-0047250-4.
  39. ^ Wilansky 2013, pp. 56–57.
  40. ^ a b Narici & Beckenstein 2011, pp. 47–66.
  41. ^ Schaefer & Wolff 1999, pp. 190–202.
  42. ^ Narici & Beckenstein 2011, pp. 172–173.
  43. ^ a b Rudin 1991, p. 22.
  44. ^ Narici & Beckenstein 2011, pp. 441–457.
  45. ^ Rudin 1991, p. 67.
  46. ^ a b Narici & Beckenstein 2011, p. 125.
  47. ^ a b c d Narici & Beckenstein 2011, pp. 466–468.

Bibliography