Duális tér
Ez a szócikk nem tünteti fel a független forrásokat, amelyeket felhasználtak a készítése során. Emiatt nem tudjuk közvetlenül ellenőrizni, hogy a szócikkben szereplő állítások helytállóak-e. Segíts megbízható forrásokat találni az állításokhoz! Lásd még: A Wikipédia nem az első közlés helye. |
A lineáris algebrában egy test fölötti vektortér duális tere a -ből -be menő lineáris leképezések tere. Ezeket a lineáris leképezéseket kovektoroknak is nevezik. Ha a vektortér véges dimenziós, akkor a duális vektortér ugyanekkora dimenziós. Ezzel a két vektortér izomorf. Egy vektortér elemei és duálisának elemei úgy viszonyulnak egymáshoz, mint a mátrixszámításban az oszlopvektorok a sorvektorokhoz.
A funkcionálanalízisben egy topologikus vektortér topologikus duális teréről beszélnek. Ez a folytonos lineáris funkcionálok tere. A duális tér jelentőségét akkor nyeri el, amikor nem csak véges, hanem végtelen dimenziós vektortereket is tárgyalni kívánunk, mint az absztrakt függvényterek elméletében (például: Hilbert-tér), a tenzorok elméletében és a reprezentációelméletben.
A duális tér duális tere az eredeti vektortér biduális tere.
Definíció
[szerkesztés]Ha V vektortér a T test fölött, akkor a V-ből T-be képező összes lineáris leképezések
- vagy
halmazát, a V-vektortér duális terének nevezzük és
-gal jelöljük, elemeit pedig lineáris funkcionáloknak, lineáris formáknak vagy kovektoroknak mondjuk.
A duális tér, mint vektortér
[szerkesztés]V* maga is vektortér a T felett a függvények pontonkénti összeadással és a T-beli elemmel történő szorzással, mint műveletekkel ellátva. A V*-beli p lineáris funkcionál x ∈ V helyen felvett értékét a funkcionális p'(x) és a lineáris algebrából ismert px jelölés helyett gyakran a matematikai fizikában használt
-szel jelöljük. Ez esetben a műveletek tetszőleges x ∈ V, p, q ∈ V* ill. λ ∈ T-re:
Különösen a fizikában használják a tenzoralgebra nyelvét: elemei kontravariánsak, elemei kovariánsak. A leképezés nem elfajult bilineáris forma, és elnevezése duális párosítás.
Például a legegyszerűbb véges dimenziós vektortér, a V = T n (az n „emeletes” oszlopvektorok tere) duálisa a Hom(Tn;T) tér, melynek elemeit mátrix alakban (a sztenderd bázisban felírt koordinátamátrixok formájában) írva kölcsönösen egyértelműen megfeleltethetjük az n elemű sorvektorok T1×n terének. Ekkor V és V* vektortér izomorf, illetve dimenziójuk egyenlő, akárcsak az összes véges dimenziós vektortér esetén:
Bázis
[szerkesztés]A duális vektortérnek megadható egy bázis az eredeti vektortér egy bázisa alapján. Legyen dimenziós vektortér, és legyen bázis -ben. Ekkor duális bázisa az bázisnak, ha
lineáris és | |||
Az így definiált vektorhalmaz bázis a duális térben.[1] A duális párosítás segítségével a duális bázisvektorok hatása a bázisvektorokra felírható a Kronecker-deltával
- .
Ha az algebrai duális tér minden lineáris formájának meghatározzuk a magját, azaz az homogén lineáris egyenlet megoldáshalmazát, akkor eljutunk a projektív geometria pontok és hipersíkok dualitástételéhez.
Ha nem véges dimenziós, akkor nem definiálható hozzá duális bázis ezen a módon. Legyen ugyanis bázis -ben. Ekkor tekinthetünk egy lineáris leképezést. Ez eleme -nak, de nem ábrázolható a vektorok lineáris kombinációjával, így nem generátorrendszere a duális térnek.
Duális leképezés
[szerkesztés]Ha lineáris leképezés ugyanazon test fölötti és fölötti vektorterek között, akkor
lineáris leképezés a és duális terek között. Ezt duális leképezésnek nevezzük.
Ha -lineáris leképezések, akkor
továbbá minden esetén
- .
Az hozzárendeléssel egy -lineáris leképezést adunk meg.
Ha az lineáris leképezés injektív, akkor az duális leképezés szürjektív. Ha az lineáris leképezés szürjektív, akkor az duális leképezés injektív. Ha egy további -vektortér és és lineáris leképezések, akkor
- .
Biduális tér
[szerkesztés]Egy fölötti vektortér duális terének duális terét biduális térnek nevezzük, és -gal jelöljük. A tér elemei azok a lineáris leképezések, amelyek az funkcionálokhoz -beli skalárokat rendelnek. Minden vektorhoz a leképezés, ami minden -hoz hozzárendel egy skalárt, vagyis .
A leképezés, ahol lineáris és injektív; ezzel azonosítható egy alterével. Ez a leképezés a tér természetes vagy kanonikus beágyazása biduális terébe.
Ha véges dimenziós, akkor . Ekkor bijektív, és és közötti kanonikus izomorfizmus.
Természetes injekció
[szerkesztés]Véges dimenziós esetben művelettartó bijekció létesíthető V és V* között, ám végtelen dimenziós esetben nincs feltétlenül így. Az általános esetben csak egy művelettartó injekció hozható létre, mely ráadásul nem természetes, abban az értelemben, hogy nem értelmezhető minden vektortér esetén kitüntetett vagy sztenderd bázis (melyben az injekció definiálható lenne). Van azonban kitüntetett injekció V és V** között, azaz tér és a duális tér duálisa között. Ehhez először az x ponthoz tartozó kiértékelés leképezését kell definiálnunk, azaz rögzített x ∈ V-re az
lineáris funkcionált, mely V** eleme. Ezután minden x ∈ V-re definiálhatjuk az
kitüntetett, vagy természetes injekciót, mely tehát a következő tulajdonsággal rendelkezik:
Topologikus duális tér
[szerkesztés]Ha topologikus vektortér, akkor definiálhatjuk topologikus duális terét is. A topologikus duális tér a folytonos lineáris funkcionálok halmaza, és rendszerint jelöli. Véges dimenziós vektorterek esetén a topologikus duális tér megegyezik az algebrai duális térrel, mivel véges dimenziós vektortéren az összes funkcionál folytonos. [2] Ha topologikus vektorterek esetén beszélnek duális vektortérről, akkor azon topologikus duális teret értenek. A funkcionálanalízis egyik fő témája a topologikus duális tér.
Normált tér topologikus duális tere
[szerkesztés]A funkcionálanalízisben gyakran foglalkoznak olyan terekkel, melyek topológiáját norma indukálja. Egy normált vektortér topologikus duális tere szintén normált tér az operátornormával.
Mivel egy normált tér skalárteste valós vagy komplex test, így teljes, a duális tér szintév teljes, vagyis Banach-tér, függetlenül attól, hogy teljes-e.
Különösen egyszerű jellemezni a Hilbert-terek duális tereit, amiben a Fréchet–Riesz-tétel nyújt segítséget. A tételt Fréchet bizonyította 1907-ben szeparábilis terekre, majd Riesz Frigyes 1934-ben általánosította Hilbert-terekre. Ez kimondja, hogy egy valós Hilbert-tér és duális tere izometrikusan izomorf. A Dirac-féále Bra-Ket erre a felcserélhetőségre alapul, amit különösen a kvantummechanikában használnak, amikor Hilbert-térbeli vektorokkal állapotokat fejez ki.
Mivel minden véges valós vagy komplex vektortér izomorf egy Hilbert-térrel, azért a véges dimenziós valós vagy komplex vektorterek önmagukkal duálisak.
Lokálisan konvex tér erős duális tere
[szerkesztés]Ha lokálisan konvex tér, akkor , mint a normált terek esetén, a folytonos lineáris funkcionálok tere. Nehezebb kérdés egy megfelelő topológiát definiálni a topologikus duális téren. A következő definíció normált terek esetén a fent már leírt normatopológiát adja:
Ha korlátos, akkor félnorma -n. A hasonlóan definiált félnormák halmaza, ahol befutja összes korlátos halmazát, erős topológiát definiál -ben. Az erős topológiával ellátott az erős duális tér, és néha jelöli, ahol az alsó indexbe tett b a korlátosságra utal, lásd angol: bounded.
Egy másik -n gyakran használt topológia a gyenge-*-topológia, azonban ez végtelen dimenziós normált tereknél nem esik egybe a duális téren definiált normatopológiával; emiatt lokálisan konvex terekben a duális tér általában az erős duális teret jelenti.
Topológiai biduális tér
[szerkesztés]Mivel a fentiek szerint egy normált tér duális tere a fentiekl szerint Banach-tér, azért tekinthetjük a duális tér duális terét. Itt -nek van kanonikus beágyazása , ami megadható úgy, mint . Ez azt jelenti, hogy a vektortér minden eleme természetes módon a duális tér eleme. Ha egy biduális térben minden elem reprezentálható valamelyik elemével, akkor a kanonikus beágyazás izomorfizmus, akkor a tér reflexív. A reflexív tereket egyszerűbb kezelni, mint a nem reflexíveket, mivel bizonyos értelemben hasonlítanak a Hilbert-terekhez. Nem reflexív esetekbnen a beágyazás nem szürjektív, de izometrikus, és ezt úgy jelöljük, hogy . Eszerint minden normált tér beágyazható Banach-térbe; a -ben rátérni topologikus lezártjára egy lehetőség arra, hogy teljessé tegyünk egy normált teret.
Nem reflexív térre példa a nullsorozatok tere a maximumnormával. A biduális tér természetes módon azonosítható az sorozattérrel, ami a korlátos sorozatok tere a szuprémumnormával. Vannak nem reflexív Banach-terek, ahol a kanonikus beágyazás nem izomorfizmus, azonban létezik egy másik izomorfizmus a tér és biduális tere között. Erre egy példa a James-tér.
Példák
[szerkesztés]Az alábbi táblázatban Banach-tér (első oszlop), és (második oszlop) is Banach-tér, ami a harmadik oszlopban megadott dualitás szerint izometrikusan izomorf duális teréhez. Pontosabban, minden eleme a dualitás képlete alapján folyotonos lineáris funkcionált definiál -n. Ezzel kapunk egy lineáris, bijektív és izometrikus leképezést.
Banach-tér | Duális tér | Duális párosítás | Megjegyzés |
---|---|---|---|
= A nullsorozatok tere a szuprémumnormával | = Az abszolút összegezhető sorozatok a normával | lásd sorozattér | |
= A konvergens sorozatok tere a szuprémumnormával | = Az abszolút összegezhető sorozatok tere a normával | ||
= Az abszolút összegezhető sorozatok a normával | = A korlátos sorozatok tere a szuprémumnormával | ||
= A p-edik hatványukban abszolút összegezhető sorozatok a normával | = A q-adik hatványukban abszolút összegezhető sorozatok a normával | ||
= A kompakt operátorok tere a Hilbert-téren | = A nukleáris operátorok tere a Hilbert-téren | lásd nukleáris operátor | |
= A nukleáris operátorok tere a Hilbert-téren | = A korlátos operátorok tere a Hilbert-téren | lásd nukleáris operátor | |
= A nukleáris operátorok tere -n | = A korlátos operátorok tere | approximációs tulajdonságú Banach-tér, lásd nukleáris operátor | |
= p-árnyékosztályok a szeparábilis Hilbnert-téren | = q-árnyékosztályok a szeparábilis Hilbert-téren | ||
= A p-edik hatványukban integrálható függvények tere a normával | = A q-adik hatványukban integrálható függvények tere a normával | mértéktér, , lásd Lp-terek dualitása | |
= Az integrálható függvények tere a normával | = A lényegében korlátos, mérhető függvények tere a normával | -véges mértéktér | |
= A folytonos értékű függvények tere, melyek a végtelenben eltűnnek a szuprémumnormával | = A reguláris előjeles/komplex mértékek tere a teljes variációval, mint normával[3] | lokálisan kompakt Hausdorff-tér |
Források
[szerkesztés]- Siegfried Bosch: Lineare Algebra. 3. Auflage. Springer, Berlin u. a. 2006, ISBN 3-540-29884-3.
- Dirk Werner: Funktionalanalysis. 4., überarbeitete Auflage. Springer, Berlin u. a. 2005, ISBN 3-540-43586-7.
Jegyzetek
[szerkesztés]- ↑ Albrecht Beutelspacher. {{{title}}}, 7., aktualisierte, Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 140–141. o. (2010)
- ↑ Helmut H. Schaefer: Topological Vector Spaces (= Graduate Texts in Mathematics. 3). 3rd printing corrected. Springer, New York NY u. a. 1971, ISBN 0-387-90026-8, 22. o.
- ↑ Jürgen Elstrodt. Maß- und Integrationstheorie, 6., korrigierte, Berlin u. a.: Springer, 349. o. (2009)
Fordítás
[szerkesztés]Ez a szócikk részben vagy egészben a Dualraum című német Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.