1 線形構造と完備化
定義 1.1.K∈{R,C}とし、XをK上のノルム空間とする。K上の Banach 空間Xと線形写像ι:X→Xの組がXの 完備化 (completion of a normed space) であるとは、任意のx∈Xに対して
∥ι(x)∥X=∥x∥Xが成り立ち、ι(X)がXで稠密であることをいう。
定理 1.2.K∈{R,C}とし、XをK上のノルム空間とする。このとき、距離d(x,y)=∥x−y∥Xの完備化(X,d,ι)に対して、ιを線形写像とし、dをノルムから定まる距離とするノルム空間の構造がただ一つ存在する。この構造によって(X,ι)はXの完備化となる。したがって、任意のノルム空間は完備化をもつ。
証明.X×Xに距離
d2((x,y),(x′,y′))=∥x−x′∥X+∥y−y′∥Xを入れ、X×Xにもdの和による距離を入れる。後者の Cauchy 列は各成分が Cauchy 列であるから、各成分の極限へ収束する。また、ι×ιは等長写像であり、その像は稠密である。したがって、X×XはX×Xの距離完備化である。
写像(x,y)↦ι(x+y)は、三角不等式によりd2について Lipschitz 定数1の写像である。§E2.6 定理 3.2により、この写像にはX×X上への一意な一様連続延長が存在する。その値をξ+ηと書く。各a∈Kについて、写像x↦ι(ax)は Lipschitz 定数∣a∣の写像であるから、同じ定理による一意な一様連続延長の値をaξと書く。また、Xの零元をι(0)と定める。
ξ,η∈Xに対してι(xn)→ξ、ι(yn)→ηとなるXの点列をとる。延長の連続性から
ξ+η=n→∞limι(xn+yn),aξ=n→∞limι(axn)である。X上の加法と固定したスカラーによる乗法は連続であるため、ベクトル空間の各公理の両辺は、ベクトル変数について連続な写像である。両辺は稠密な部分集合ι(X)上で一致するので、近似列の極限をとるとX上でも一致する。具体的には、加法の結合律・交換律、零元と加法逆元の等式、および
a(ξ+η)=aξ+aη,(a+b)ξ=aξ+bξ,a(bξ)=(ab)ξ,1ξ=ξが成り立つ。ここでa,b∈Kは任意であり、加法逆元は(−1)ξである。したがって、XはK上のベクトル空間となり、ιは線形である。
∥ξ∥X:=d(ξ,ι(0))とおく。距離の連続性とιの等長性により
∥ξ∥X=nlim∥xn∥X,d(ξ,η)=nlim∥xn−yn∥X=∥ξ−η∥Xである。距離の同一律から∥ξ∥X=0とξ=0は同値である。また、Xのノルムの斉次性と三角不等式の極限をとると
∥aξ∥X=∣a∣∥ξ∥X,∥ξ+η∥X≤∥ξ∥X+∥η∥Xを得る。したがって、∥⋅∥Xは距離dを定めるノルムである。dは完備であり、ιは稠密な像をもつ線形等長写像であるから、(X,ι)はノルム空間の完備化である。
別のノルム空間の構造もιを線形とし、同じ距離dを定めるとする。その加法と固定したスカラーによる乗法も連続であるため、近似列による加法とスカラー倍の極限表示を満たす。したがって演算は一致し、ノルムもd(ξ,ι(0))に一致する。最後に、§E2.6 定理 2.6により距離完備化が存在するので、ノルム空間の完備化も存在する。▨
2 有界線形写像の延長
定理 2.1.K∈{R,C}とし、XをK上のノルム空間、(X,ι)をその完備化、YをK上の Banach 空間とする。このとき、任意の有界線形写像T:X→Yに対して
T∘ι=Tを満たす有界線形写像T:X→Yがただ一つ存在し、∥T∥=∥T∥が成り立つ。さらに、ι(xn)→ξならば
Tξ=n→∞limTxnである。
証明.§E10.2 命題 1.2により
∥Tx−Ty∥Y≤∥T∥∥x−y∥Xであるから、Tは一様連続である。§E2.6 定理 3.2を用いると、T∘ι=Tを満たす一様連続写像T:X→Yがただ一つ存在する。連続性により、ι(xn)→ξならばTxn→Tξである。
ξ,η∈Xとa,b∈Kをとり、ι(xn)→ξ、ι(yn)→ηとする。ι(axn+byn)→aξ+bηであるから、
T(aξ+bη)=nlimT(axn+byn)=aTξ+bTηとなり、Tは線形である。また、ノルムの連続性から
∥Tξ∥Y=nlim∥Txn∥Y≤∥T∥nlim∥xn∥X=∥T∥∥ξ∥Xである。したがってTは有界であり、∥T∥≤∥T∥である。逆に、T=T∘ιとιの等長性から、任意のx∈Xに対して∥Tx∥Y≤∥T∥∥x∥Xであるため、∥T∥≤∥T∥を得る。有界線形写像は一様連続であるから、延長の一意性も従う。▨
系 2.2.K∈{R,C}とし、X,YをK上の Banach 空間、D⊆Xを稠密線形部分空間とする。DにはXのノルムを制限する。このとき、任意の有界線形写像T:D→Yは有界線形写像T:X→Yへただ一通りに延長され、∥T∥=∥T∥が成り立つ。さらに、x∈XとDの点列(dn)に対してdn→xならば
Tx=n→∞limTdnである。
証明. 包含写像j:D→Xは稠密な像をもつ線形等長写像であり、Xは Banach 空間である。したがって(X,j)はDの完備化である。この完備化とTに定理 2.1を適用すると、延長の存在、一意性、作用素ノルムの保存、および近似列による表示を得る。▨
系 2.3.K∈{R,C}とし、X,YをK上のノルム空間、(X,ιX)、(Y,ιY)をそれぞれの完備化とする。このとき、任意の有界線形写像T:X→Yに対して、
T∘ιX=ιY∘Tを満たす有界線形写像T:X→Yがただ一つ存在し、∥T∥=∥T∥が成り立つ。
証明.ιYは線形等長写像であるから、ιY∘Tは有界線形写像であり、∥ιY∘T∥=∥T∥である。この合成写像と Banach 空間Yに定理 2.1を適用する。▨
定理 2.4.K∈{R,C}とし、XをK上のノルム空間、(X1,ι1)と(X2,ι2)をその完備化とする。このとき、
U∘ι1=ι2を満たす線形等長全単射U:X1→X2がただ一つ存在する。
証明.定理 2.1をι2:X→X2と完備化(X1,ι1)に適用し、有界線形写像U:X1→X2を得る。同じ定理をι1:X→X1と完備化(X2,ι2)に適用し、有界線形写像V:X2→X1を得る。これらは
U∘ι1=ι2,V∘ι2=ι1を満たす。V∘UとIX1はともにι1:X→X1の有界線形延長であるから、同じ定理の一意性によりV∘U=IX1である。同様に、U∘VとIX2はともにι2:X→X2の延長であるから、U∘V=IX2である。したがってUは全単射である。
ι1とι2は等長写像なので、それぞれの作用素ノルムは1以下である。延長によるノルムの保存から∥U∥≤1、∥V∥≤1であり、任意のξ∈X1に対して
∥ξ∥X1=∥VUξ∥X1≤∥Uξ∥X2≤∥ξ∥X1となるので、Uは等長である。最後に、条件を満たす任意の線形等長全単射はι2の有界線形延長であるため、延長の一意性からUに一致する。▨
例 2.5.K∈{R,C}とし、有限個の成分を除いて零であるK値数列の空間c00と、零へ収束するK値数列の空間c0に上限ノルムを入れる。このとき、§E10.1 例 3.4によりc0は Banach 空間である。x=(xj)∈c0に対して
x(N)=(x1,…,xN,0,0,…)とおくと、∥x−x(N)∥∞=supj>N∣xj∣→0である。包含写像j:c00→c0は線形等長写像なので、(c0,j)はc00の完備化である。
恒等写像T:c00→c00は有界であるが、c0からc00への連続写像には延長されない。実際、そのような延長Sがあれば、j∘S:c0→c0はc00上で恒等写像と一致する。連続性とc00の稠密性から、j∘Sはc0全体で恒等写像でなければならない。しかし、x=(1,1/2,1/3,…)はc0∖c00に属するため、j(Sx)=xは成り立たない。したがって、定理 2.1の終域の完備性を外すと、延長の存在は一般には成り立たない。
3 内積の延長
定理 3.1.K∈{R,C}とし、HをK上の内積空間、(H,ι)を誘導ノルムについての完備化とする。複素内積は第1変数について線形、第2変数について共役線形とする。このとき、Hのノルムを誘導し、
⟨ι(x),ι(y)⟩H=⟨x,y⟩H(x,y∈H)を満たす内積がただ一つ存在する。ι(xn)→ξ、ι(yn)→ηならば、その内積は
⟨ξ,η⟩H=n→∞lim⟨xn,yn⟩Hで与えられる。Hはこの内積の誘導ノルムについて完備であり、Hilbert 空間である。
証明.ξ,η∈Hをとり、ι(xn)→ξ、ι(yn)→ηとなるHの点列を選ぶ。(xn)と(yn)は Cauchy 列であり、ノルムは有界である。§E10.3 補題 1.2により
∣⟨xn,yn⟩H−⟨xm,ym⟩H∣≤∥xn−xm∥∥yn∥+∥xm∥∥yn−ym∥であるから、(⟨xn,yn⟩H)はKの Cauchy 列であり、極限をもつ。
別の近似列がι(xn′)→ξ、ι(yn′)→ηを満たすならば、∥xn−xn′∥→0、∥yn−yn′∥→0である。内積の差の評価から
∣⟨xn,yn⟩H−⟨xn′,yn′⟩H∣≤∥xn−xn′∥∥yn∥+∥xn′∥∥yn−yn′∥⟶0である。したがって、⟨ξ,η⟩H:=limn⟨xn,yn⟩Hは近似列の選び方によらない。
ζ∈Hに対してι(zn)→ζとなる列をとる。任意のa,b∈Kについてι(axn+bzn)→aξ+bζであるから、Hの内積の線形性と共役対称性の極限をとると
⟨aξ+bζ,η⟩H⟨η,ξ⟩H=a⟨ξ,η⟩H+b⟨ζ,η⟩H,=⟨ξ,η⟩Hを得る。実数体では複素共役は恒等写像である。また、ιの等長性とノルムの連続性から
⟨ξ,ξ⟩H=nlim∥xn∥H2=∥ξ∥H2である。右辺は非負であり、零となることとξ=0は同値である。したがって、構成した写像は内積であり、その誘導ノルムはHのノルムに一致する。定値列を用いれば、ιが内積を保つことも従う。
同じノルムを誘導し、ιによってHの内積と一致する別の内積があるとする。§E10.3 補題 1.2により、その内積も与えられたノルムについて連続である。近似列の内積の極限をとれば、両方の内積は任意のξ,η∈Hで一致する。誘導ノルムの完備性は、Hが Banach 空間であることから従う。▨