Примеры решения типовых задач. 1. Используя теоремы об общем виде линейных ограниченных функционалов в различных пространствах, выяснить

 

1. Используя теоремы об общем виде линейных ограниченных функционалов в различных пространствах, выяснить, задает ли данная формула линейный ограниченный функционал. В случае положительного ответа найти его норму.

 

Пример 1. , .

 

Решение. По теореме об общем виде линейного ограниченного функционала в пространстве , для любого существует единственный вектор , такой, что для любого выполняется равенство . Обратно, если выполняется это равенство, то , причем . Рассмотрим вектор , у которого , , , а остальные координаты равны нулю. Тогда , и для этого вектора . В силу указанной теоремы является линейным ограниченным функционалом в пространстве , и

.

 

Пример 2. , .

 

Решение. Рассмотрим вектор

.

Для этого вектора выполняется равенство . Но (почему?). Значит, в силу теоремы об общем виде линейного ограниченного функционала в пространстве функционал не является линейным ограниченным.

 

Пример 3. , .

 

Решение. По теореме об общем виде линейного ограниченного функционала в пространстве для любого существует единственный вектор , такой, что выполняется равенство

,

и обратно. При этом . Рассмотрим вектор , для которого . Так как , то является линейным ограниченным функционалом, причем .

 

Пример 4. , .

Решение. По теореме об общем виде линейного ограниченного функционала в пространстве , для любого существует единственный вектор , такой, что выполняется равенство , и обратно. При этом . В данном случае , а поэтому .

Рассмотрим вектор , такой, что , а остальные . Для этого вектора . Так как , то является линейным ограниченным функционалом, причем

.

 

Пример 5. , .

Решение. По теореме об общем виде линейного ограниченного функционала в пространстве при для любого существует единственный вектор , такой, что выполняется равенство , и обратно. При этом . В данном случае , тогда . Преобразуем интеграл

Функция

 

принадлежит , так как функция интегрируема по Лебегу на отрезке . Отсюда в силу указанной теоремы является линейным ограниченным функционалом, причем

.

 

Пример 6. , .

 

Решение. По теореме об общем виде линейного ограниченного функционала в пространстве для любого существует единственная непрерывная слева функция , такая, что и выполняется равенство , и обратно, причем . Подберем функцию так, чтобы . При этом мы будем пользоваться следующей формулой:

(1)

которая справедлива, если – кусочно-непрерывно дифференцируемая функция, имеющая на точки разрыва первого рода со скачками соответственно, а вне точек разрыва ограниченную производную. Преобразуем , выполнив в интеграле замену . Тогда

.

Ввиду формулы (1) отсюда следует, что имеет 2 точки разрыва первого рода: со скачком в этой точке и со скачком . При этом на интервалах непрерывности должно выполняться следующее равенство:

.

Поэтому на интервалах непрерывности, содержащихся в отрезке , функция имеет вид , а на интервалах непрерывности, содержащихся в отрезке , функция постоянна (со своей константой на каждом интервале!). Учитывая, что функция согласно теореме должна быть непрерывной слева на отрезке и удовлетворять условию , получим (рисунок 7):

Так как

,

то . Значит, является линейным ограниченным функционалом, причем .

 

 

Рисунок 7 – График функции

 

2. Пусть Х – банахово пространство над полем К. Задает ли данная формула линейный ограниченный функционал ? В случае положительного ответа найти его норму.

Пример 1. , .

 

Решение. Очевидно, что функционал линеен. Оценим сверху:

, (2)

т. е. число 3 является константой ограниченности для . Значит, − ограниченный линейный функционал, причем

. (3)

Подберем ненулевой вектор так, чтобы неравенства (2) обратились в равенства. Подходит . Имеем , . Следовательно,

(4)

Из (3) и (4) заключаем, что .

 

Пример 2. , .

Решение. Очевидно, что − линейный функционал. Так как

,

то ограничен, причем (см. пример 1)

. (5)

Возьмем . Имеем , . Значит (см. пример 1),

. (6)

Из неравенств (5) и (6) получаем .

 

Пример 3. , .

Решение. Очевидно, − линейный функционал. Так как

, (7)

то ограничен, причем (см. пример 1)

. (8)

Подберем теперь непрерывную функцию так, чтобы выполнялись следующие условия, гарантирующие, что все неравенства в (7) обращаются в равенства:

.

Например, . Для нее , . Тогда имеем (см. пример 1)

. (9)

Вследствие неравенств (8) и (9) получаем .