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Real and Complex Analysis
(Third Edition)
Walter Rudin
第四章习
解答
[MathPrince]
1.(1) ⊥⊥⊥ ⊂⇒⊥ )(MMMM ,且 MMx \)( ⊥⊥∈∀ ,由于M是闭子空间故,
x
有唯一的分解 ⊥∈′∈′+= MmMmmmxts ,,,. ,明显 0≠′m ,但 ⊥⊥Mx ,故
0,,0 =′>⇒′′>=<′=< mmmmx ,矛盾,故 ⊥⊥= )(MM 。
(2)对于一般的子空间M,
MMM =⊂ ⊥⊥ )( 。
左边的包含关系(1)中一开始给出证明。 ⊥⊥ )(M 是包含M的闭子空
间故, ⊥⊥⊂ )(MM 。 ⊥⊥⊥⊥⊥⊥ ⊃=⇒⊂⇒⊂ )()( MMMMMMM ,故得证。
2.[思路:只需证明两组基可以被互相
达即可,利用归纳法]
(1)
u
可被
x
生成。
1
1
1
1
x
x
u = ,故 1u可被 x生成。
假设故
n
u 可被
x
生成。则由表达式知 ][],,[ 11 xuniuxu nin ∈⇒≤∈ ++ ,故
得证。
(2)
x
可被
u
生成。
111 uxx = ,故 1x可被u生成。
假设故
n
x 可被u生成。则由表达式知 ][],,[ 11 uxnixux nin ∈⇒≤∈ ++ ,故
得证。
2
3.[
:掌握证明一个度量空间不可分的方法,即构造不可数个离散
点]
(1)T是σ紧的度量空间,则 ∪
∞
=
=
1n
n
KT ,其中
n
K 为渐张紧集。
∪
∞
=
=
1
)()(
n
nc
KCTC ,由于 )(
n
KC 可分, ∞<<= pTLTC p
c
0),()( ,故 )(TLp 可
分。
(2) )(TL∞ 不可分。
这里T具有无穷个元素,且可测集的基数不可数,记作 A,构造函
数集: }:)({ AaxX
a
∈ 则也是不可数多个且两两之间的距离为 1。假设
)(TL∞ 可分,设其可数稠密集为F,则
BbbBXbBXtsAaa
aa
∈∈∈∈∃=∀ ),,(),,(,.,,,
3
1
2121
εεε
故
3
2
21
21
=≤−=
∞
ε
aa
XX
,矛盾,故 )(TL∞ 不可分。
4. )⇐ 如果H包含一个可数的极大规范正交集,则H可以表示成可数个
一维空间的直和,由于一维空间可以看做复平面或一维实数,故是可
分的。
)⇒ 反证法:假设H包含一个不可数可数的极大规范正交集,则易有
有不可数个基,且两两距离大于 1。由题 3知一定不可分。
5.[思路:类似的题目画一个图就容易解决]
假设 HM ≠ ,则 ∩ 0)()(,0)(,0)(,, =∈−≠≠∈∀ ⊥⊥ MMxyLyxLyLxLMyx ,
故 1dim =⊥M 。
3
6.(1)明显 }{
n
u 无收敛子列,故不是列紧的进而不是紧的。
(2) 2
∀ ∑
∞
=
,选取有限 ε 网为
},
1
,{
1
1
Za
in
a
u
n
a
i
i
N
i
i
i ∈≤∑
−
=
,又由于Q是闭区间的乘积空间,故是紧的。
(3) )⇒ ∞<≤∑
∞
=1
2
n
n
x δ ,故
Nn
tsntsN
Ni
i
2
1
,.,,
4
1
,.,,0
2
εε
δ
ε <∃<∃>∀ ∑
∞
=
,其余证明
同上。
)⇐ 假设 ∞=∑
∞
=1
2
n
n
δ ,则 1,1,1,., 0
1
2
1
≥=>↑∃ ∑
−
= −
kntsn
k
k
n
ni
ik
δ ,记 ∑
−
= −
=
1
1
k
k
n
ni
iik
uv δ ,则易
有 }{
k
v 是一组正交基,且两两距离大于 1,故 S不是紧的。
7.[思路:注意
k
E 的构造]
根据提示选取
∑
∈
=
k
En
n
k
ak
c
2
1 ,即得。
8. )(),( 22
2
1 BlHAlH ≅≅ ,不妨令 )()( BcardAcard ≤ ,则 )(
2
Al 可嵌入到 )(2 Bl ,
即 1H 同构于 2H 的某个子空间。
9.[结论:一般的有 Fourier系数趋于 0]
考 虑 ])2,0([2 πL 上 的 函 数
A
χ , 由 Parseval 恒 等 式 ,
0sincoslim
0)sin(coslim0)(lim)(
22
222
0
22
0
2
=⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +⇒
=+⇒=⇒∞<=
∫∫
∫∫∑ ∫
∞→
∞→∞→
∈
AA
n
A
n
inx
A
n
Zn
inx
AA
nxdxnxdx
dxnxinxdxexdxex
ππ
χχχ
4
故有结论成立。
10.[思路:利用上一题]
性质 1: )()()()( BBABAA µµµµ −+= ∪∩
性质 2:
∪ ∪
n
i
n
i
n
i
n
i
n
i
ZnnxxnS
1
]
arcsin2
,
arcsin2
[]
arcsin)1(2
,
arcsin)1(2
[
},sin:]2,0[{),(
=
+
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧ −+−−+−+−
=
∈≥∈=
επεππεππεπ
επε
故有 +∈∀−= ZnnS ,arcsin42)),(( επεµ ,且趋于 π2 。
令 E是 }{sin xn
k
收敛的点,则 }sin{ xn
kE
χ 逐点收敛。且由上题知,
xeaxnxxdxn
k
E
k
Lebesgue
E
k
k
..,0sin)(lim0sinlim =⇒= ++ ∞→∞→ ∫ χ
控制收敛定理
xeaxnxxdxn
k
E
k
Lebesgue
E
k
k
..,0sin)(lim0sinlim =⇒= −− ∞→∞→ ∫ χ
控制收敛定理
进一步 }sin{ xn
kE
χ 依测度收敛到 0。即
εεχµε <>>∀∃>∀ })sin)(:({,,.,,0 xnxxKktsK
kE
而 ),(}sin)(:{ εεχ
kkE
nSExnxx ∩=> ,且 επεµ −>′>′∃ 2)),((,,.,
k
nSKktsK
故由性质 1和 2有 },max{ KKk ′>∀ , εµ 2)( 函数解决]
一些小结论: 0
2
sin ≠
x ,
2
sin2
2
sin))
2
1
sin((
cos
1
x
x
xN
nx
N
n
−+
=∑
=
2
sin2
2
cos))
2
1
cos((
sin
1
x
x
xN
nx
N
n
−+
−=∑
=
首先考虑 ⋯,1,0),2exp()( ±== kikttf π
则若 0=k , 1=f ,等式明显成立;
若 0≠k ,则
}
sin2
cos)2)
2
1
cos((
sin2
sin)2)
2
1
sin((
{
1
)2sin()2cos(
1
)2exp(
1
)(
1
111
απ
απαπ
απ
απαπ
απαπαπα
k
kkN
i
k
kkN
N
knikn
N
ikn
N
nf
N
N
n
N
n
N
n
−+
−
−+
=
+== ∑∑∑
===
取绝对值有 22
sin2
1
)(
1
1 απ
α
kN
nf
N
N
n
≤∑
=
故再取极限有左为 0,右式显然为 0,故对这样的基函数等式均成
立,且对其张成的任意有限维子空间成立。
由于
f
连续,则其 Fourier级数处处收敛。[注意这里是处处收敛]
故
g∃>∀ ,0ε 是基张成的有限维子空间中的元素, ε<− gfts ,. 处处成
立。则 εαα <−∀ ∑∑
==
N
n
N
n
ng
N
nf
N
N
11
)(
1
)(
1
, ,且 ε<−∫
1
0
gf ,由
ε
的任意性,
6
有对 f 等式也成立。
对于 Riemann可积函数,可以做到 ε<− gf 除有限点外均成立,
否则达布上下和不等,故当N充分大时仍然能保证成立。
但对于 Lesbegue可积函数,结论不一定正确,例如给定
α
是无理数,
则
⎩
⎨
⎧ =
=
else
nx
xf
,0
}{,1
)(
α
,显然 f 可积,但不是 Riemann可积,积分为 0。
但 1)(1,
1
=∀ ∑
=
N
n
nf
N
N α ,故不想等。问题的本质出在几乎处处收敛在本
题中是不可以被忽视的。
14.[思路:这是一类将大家熟悉的欧式空间求距离的问题抽象到
Hilbert空间]
(1)考虑三个无关向量 },,1{ 2xx 生成的空间E,问题即求 3x 到这个空间的
距离,而由唯一性,所选取的 cba ,, 构成的元素即为其投影。应用最小
二乘法,容易求出 0,
5
3
,0 === cba 。
(2)本质为二面角问题,根据
g
的限制, >−>=<< gxxgx ,
5
3
, 33 ,故
xx
xx
g
5
3
5
3
3
3
−
−
= 即得最大值。
15.问题同上,3个向量变为
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧ −−−
2222 ,,
xxx
exxee
16.由唯一分解定理知 ⊥∈′∈′+= MmMmmmx ,,0 ,且m是 0x 在M上的投射
7
点,也是距离最近的点,故左
m
′= ;
又 mymymyxyMy ′≤′′==∈∀ ⊥ ),(),,(),(,1, 0 , 而
m
m
y
′
′
= , 则
mym
′=′ ),( ,故左右相等。
18.由于 gf , 均是有限生成的,故有一个大周期使得 gf , 均为同周期函
数,故定义有意义,且易证可成为内积。明显 }{ iste 规范正交极大,有
不可数个元素,故完备空间不可分。