在
泛函分析中,开映射是一类特殊的映射。如果
巴拿赫空间之间的连续函数是满射的,那么它就是一个开映射(open mapping)。
简介
在
泛函分析中,开映射是一类特殊的映射。如果
巴拿赫空间之间的连续函数是满射的,那么它就是一个开映射(open mapping)。
如果X和Y是巴拿赫空间,A: X → Y是一个满射的连续线性算子,那么A就是一个开映射(也就是说,如果U是X内的开集,那么A(U)在Y内是开放的)。
该定理的证明用到了
贝尔纲定理,X和Y的完备性都是十分重要的。如果仅仅假设X或Y是
赋范空间,那么定理的结论就不一定成立。然而,如果X和Y是弗雷歇空间,那么定理的结论仍然成立。
性质
(1)从离散空间到离散空间的任何映射都是开映射;
证明:设为离散空间 X 到离散空间 Y 的映射, 对 X 中任一开集 U, 因为Y是离散空间, 所以
是 Y 中的一个开集,即 f 是一个开映射。
(2)从平庸空间到离散空间的任何映射都是开映射;
证明:设 f: X→Y为平庸空间X到离散空间Y的映射, 因为 包含于Y, 而Y为离散空间, 所以 和 为 Y 中的开集,即f是一个开映射。
(3)设 X 和 Y 是两个拓扑空间,映射 为
同胚,则映射 为一个开映射。
证明:设U是X的任意开集,由于映射 为同胚, 则 也是同胚, 因而 是连续映射。对X的任意开集U,有 为 Y 中的开集,从而 为一个开映射。
(4)设X和Y是两个拓扑空间,映射为一一映射,若 f 为连续的开映射,则为同胚。
证明:欲证明 为同胚, 由已知条件, 只需证明连续即可。对X中的任意开集U有。由于f为开映射,故为 Y 中的开集,从而说明连续。
这样即有如下结论:X和Y是两个拓扑空间,为同胚的充要条件是f为一一的连续开映射。
(5)设 X,Y 和 Z 是拓扑空间,映射和都为开映射,则也为开映射。
证明:设W为Z中的任意开集, 由为开映射有为Y中的开集, 再由为开映射得为 Z 中的开集. 而, 所以为 Z 中的开集, 这就证明了为开
映射。
(6)设 X 和 Y 是两个拓扑空间,是一个满的连续开映射,则Y的拓扑是相对于满射f而言
的商拓扑。
推论
(1)如果 是巴拿赫空间X和Y之间的双射连续线性算子,那么反函数 也是连续的。
(2)如果 是巴拿赫空间X和Y之间的线性算子,且如果对于X内的每一个序列 ,只要 且 就有y = 0,那么A就是连续的(
闭图像定理)。
开映射定理
开映射定理是指如果巴拿赫空间之间的连续函数是满射的,那么它就是一个开映射。
证明
我们
需要证明,如果是巴拿赫空间之间的连续线性满射,那么A就是一个开映射。为此,只需证明A把X内的单位球映射到Y的原点的一个邻域。
设U,V分别为X和Y内的单位球。那么X是单位球的倍数kU的序列的并集,k∈ N,且由于A是满射,
根据贝尔纲定理,巴拿赫空间Y不能是可数个无处稠密集的并集,故存在k > 0,使得A(kU)的闭包具有非空的内部。因此,存在一个开球B(c, r),其中心为c,半径r > 0,包含在A(kU)的闭包内。如果v∈ V,那么c + rv和c位于B(c, r)内,因此是A(kU)的极限点,根据加法的连续性,它们的差rv是包含于的极限点。根据A的线性,这意味着任何都位于A(δ1U)的闭包内,其中δ =r/ (2k)。于是可以推出,对于任何和任何ε > 0,都存在某个,满足:
并且
x1| |且||y − A x1||<δ / 2。定义序列如下。假设:
并且
我们可以选择xn+ 1,使得:
且
因此xn+ 1满足。设
从第一个不等式可知,{sn}是一个柯西序列,且由于X是完备的,sn收敛于某个。序列趋于y,因此根据A的连续性,有Ax=y。而且:
这表明每一个都属于A(2U),或等价地,X内的单位球的像A(U)包含了Y内的开球(δ / 2)V。因此,A(U)是Y内0的邻域,定理得证。
开映射定理的推广
X 或Y 的局部凸性不是十分重要的,但完备性则是:当X和Y是F空间时,定理仍然成立。更进一步,这个定理可以用以下的方法与
贝尔纲定理结合:
设X为F空间,Y为
拓扑向量空间。如果是一个连续线性算子,那么要么A(X)是Y内的贫集,要么A(X)= Y。在后一个情况中,A是开映射,Y也是F空间。
更进一步,在这个情况中,如果N是A的核,那么A有一个标准分解,形如下式:
其中X/N是X对闭集N的商空间(也是F空间)。商映射X→X/N是开放的,且映射α是拓扑向量空间的同构。