TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN TOÁN
----------
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài :
KHÔNG GIAN VECTƠ TÔPÔ
KHÔNG GIAN LỒI ĐỊA PHƯƠNG
Giảng viên hướng dẫn:
Th.s Lê Hồng Đức
SVTH : Châu Thị Tuyết Trang
MSSV : 1100070
Lớp : Sư Phạm Toán K36
Cần Thơ, tháng 5 năm 2014
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
LỜI CẢM ƠN
Trên con đường chinh phục thành công, một
phần động lực lớn cho em vượt lên những khó
khăn, thử thách chính là sự quan tâm, giúp đỡ
của các thầy, cô - những người trang bị cho em
kiến thức, kĩ năng vững vàng trong suốt quá
trình học tập, rèn luyện; gieo cho em niềm tin
vào tương lai tươi sáng.
Qua bốn năm đại học, dưới sự chỉ dạy, động
viên của các thầy, cô Bộ môn Toán- Khoa Sư
phạm – Trường Đại học Cần Thơ, em càng nhận
thức rõ hơn về năng lực bản thân và cố gắng
phát huy để tiếp tục hành trình lập nghiệp.
Đến đây, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành
đến các thầy, cô – đặc biệt là thầy Lê Hồng Đức
– giảng viên hướng dẫn em hoàn thành luận văn
này. Kính chúc các thầy, cô nhiều sức khỏe,
thành công trong cuộc sống!
05/2014
Sinh viên
Châu Thị Tuyết Trang
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 1
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
MỤC LỤC
A. PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................. 3
B. PHẦN NỘI DUNG .......................................................................................... 6
Chương 1: Không gian vectơ tôpô ...................................................................... 6
1.1 Định nghĩa ................................................................................................... 6
1.2 Tính chất ...................................................................................................... 6
1.3 Một số loại tập trong không gian vectơ tôpô ................................................ 8
1.4 Cơ sở lân cận ............................................................................................. 11
1.5 Tập bị chặn và tập compact trong không gian vectơ tôpô ........................... 15
1.6 Ánh xạ tuyến tính liên tục và phiếm hàm tuyến tính liên tục ...................... 20
1.7 Không gian vectơ tôpô con- Không gian vectơ tôpô thương ....................... 22
1.8 Một số không gian vectơ tôpô .................................................................... 23
CHƯƠNG 2: Không gian lồi địa phương ......................................................... 32
2.1 Tập lồi – Tập tuyệt đối lồi .......................................................................... 32
2.2 Định nghĩa không gian lồi địa phương ....................................................... 37
2.3 Cơ sở lân cận ............................................................................................. 37
2.4 Nửa chuẩn liên tục và phiếm hàm Minkowski ............................................ 39
2.5 Tập bị chặn và hoàn toàn bị chặn ............................................................... 47
2.6 Không gian thùng ...................................................................................... 49
Chương 3: Bài tập ............................................................................................. 52
C. PHẦN KẾT LUẬN ....................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 78
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 2
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
A. PHẦN MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Giải tích hàm là một ngành toán học đã được tìm hiểu và phát triển lâu đời.
Với những ứng dụng thực tiễn quan trọng, Giải tích hàm đã được đưa vào giảng
dạy ở bậc Đại học, làm nền tảng cho các nghiên cứu sau này. Qua đó, chúng ta biết
được cách xây dựng các không gian như không gian định chuẩn, không gian
Banach, không gian Hilbert...Tuy nhiên, các không gian kể trên chưa đủ rộng để
nghiên cứu các vấn đề của Giải tích.
Sự hình thành của lớp các không gian vectơ tôpô, đặc biệt là không gian lồi
địa phương cùng việc nghiên cứu các tính chất, mối liên hệ của các không gian này
đã góp phần giải quyết nhiều vấn đề nảy sinh. Từ đó, được sự hướng dẫn, gợi ý
của thầy Lê Hồng Đức, em đã chọn đề tài “Không gian vectơ tôpô – Không gian
lồi địa phương” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình.
II. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu, nâng cao mảng kiến thức Giải
tích hàm về các lớp không gian tổng quát như không gian vectơ tôpô và không gian
lồi địa phương. Đồng thời, thực hiện luận văn là bước đầu tạo đà cho các nghiên
cứu khoa học sau này Với cách trình bài khá chi tiết, rõ ràng, hi vọng luận văn sẽ
trở thành một tài liệu tham khảo cho các bạn đọc đam mê nghiên cứu toán học.
III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương và các tính chất của các
không gian đó.
IV. Phương pháp nghiên cứu
Tìm kiếm, tổng hợp tài liệu.
Khái quát, phân loại, hệ thống kiến thức.
Trình bày theo một thứ tự hợp lí.
V. Tóm tắt nội dung nghiên cứu
Luận văn gồm 3 chương:
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 3
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Chương 1: KHÔNG GIAN VECTƠ TÔPÔ
Trong phần này, định nghĩa không gian vectơ tôpô được trình bày theo quan
điểm các lân cận. Qua đó, rút ra được một số tính chất thú vị của nó, đặc biệt là
tính bất biến của phép tịnh tiến và phép vị tự. Tiếp theo, luận văn làm nổi bật các
tập phổ dụng của không gian vectơ tôpô như tập cân, tâp hút, ... Từ đó, các tập này
như một công cụ hỗ trợ giúp ta nghiên cứu các đặc điểm cơ sở lân cận của không
gian này. Đồng thời, rút ra một tính chất quan trọng cũng như cách trang bị tôpô
cho một không gian vectơ; đó là: Cấu trúc tôpô trong không gian vectơ tôpô X
hoàn toàn xác định nếu biết được một cơ sở lân cận tại 0 của nó.
Bên cạnh đó, thông qua các định lý, mệnh đề; một số không gian vectơ tôpô
được khảo sát như không gian vectơ tôpô Hausdorff, không gian vectơ tôpô mt hóa
được, không gian vectơ tôpô hữu hạn chiều...
Chương 2: KHÔNG GIAN LỒI ĐịA PHƯƠNG
Trước khi trình bày khái niệm của không gian lồi địa phương, luận văn đã nêu
các tính chất của tập lồi, tập tuyệt đối lồi và mối liên hệ giữa các tập này với tập
cân, tập hút trong không gian vectơ tôpô...Việc nghiên cứu các tập này nhằm
hướng đến định nghĩa không gian lồi địa phương theo quan điểm cơ sở lân cận lồi
tại 0.
Tiếp đến, ta sẽ thấy được một cách xây dựng không gian lồi địa phương khác
thông qua nghiên cứu họ các nửa chuẩn liên tục, phiếm hàm Minkowski với các
tính chất liên hệ giữa cơ sở lân cận tại 0 và tôpô sinh bởi họ các nửa chuẩn liên tục.
Khi đó, dễ dàng cho ta nghiên cứu sâu hơn các thuộc tính của nó như tính chất bị
chặn, hoàn toàn bị chặn.
Luận văn cũng khẳng định được không gian định chuẩn cũng là một không
gian lồi địa phương; đồng thời giới thiệu một số lớp không gian lồi địa phương với
tôpô sinh bởi họ các nửa chuẩn Đặc biệt, nghiên cứu không gian thùng cùng với
tính chất chặn đều cho ta thấy được sự đa dạng của không gian lồi địa phương.
Chương 3: BÀI TẬP
Bài tập về không gian vectơ tôpô và không gian lồi địa phương trong luận văn
được phân thành 5 dạng bao gồm:
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 4
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
- Các bài toán chứng minh một không gian vectơ tôpô có là không gian vectơ
tôpô ( không gian lồi địa phương).
- Bài tập liên quan đến tính chất các tập cân, lồi, hút...
- Bài tập về phép toán trên các nửa chuẩn, chứng minh điều kiện để một nửa
chuẩn liên tục.
- Các bài tập liên quan đến các lớp không gian vectơ tôpô, không gian lồi địa
phương.
- Một số bài tập khác.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 5
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
B. PHẦN NỘI DUNG
Chương 1:
KHÔNG GIAN VECTƠ TÔPÔ
1.1 Định nghĩa
Cho X là một không gian vectơ trên trường K (trường thực hoặc phức) và
là một tôpô trên X .
Xét hai ánh xạ () : X x X X
x, y x y
( ): K x X X
, x
x
Khi đó, X , được gọi là một không gian vectơ tôpô nếu các ánh xạ trên
liên tục.
Theo quan điểm lân cận,
* Ánh xạ (+) liên tục nếu với mỗi x, y X x X luôn tồn tại U x , V y
sao cho U V W, W x y .
* Ánh xạ ( ) liên tục nếu với mỗi , x K x X luôn tồn tại V x sao cho
0, K : thì V W, W x .
Hai ánh xạ (+) và ( ) liên tục thì được gọi là tôpô tương thích với cấu trúc
đại số trên X .
Nhận xét
Mọi tính chất đúng trong không gian tôpô và không gian vectơ đều đúng trong
không gian vectơ tôpô.
1.2 Tính chất
1.2.1 Định nghĩa
Cho X là một không gian vectơ tôpô trên trường K , a X , K .
Ánh xạ
Ánh xạ
Ta : X X
x xa
V : X X
x x
được gọi là một phép tịnh tiến (theo a ) trong X .
là một phép vị tự (theo tỉ số ) trong X .
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 6
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
1.2.2 Mệnh đề
Phép tịnh tiến Ta và phép vị tự V ( K \ 0) là các phép đồng phôi.
Chứng minh
Dễ dàng kiểm tra được Ta là một song ánh.
Theo định nghĩa phép cộng trong không gian vectơ tôpô X , ta suy ra được Ta
và Ta1 : X X Ta1 ( y ) y a, y X là các ánh xạ liên tục.
Như vậy, phép tịnh tiến là một phép đồng phôi.
Tương tự, ta cũng chứng minh được V là một phép đồng phôi với ánh xạ
y
ngược V1 ( y ) .
* Nhận xét
i. Ánh xạ : X X
( x) a x liên tục. Hơn nữa, khi 0 thì là
một phép đồng phôi.
ii. Nếu G là một tập mở trong X và với K \ 0 , a X , A X thì các
tập a G, G, A G là các tập mở trong X .
iii. Nếu F là một tập đóng trong X và với K \ 0 , a X , A X thì
các tập a F , F , A F là các tập đóng trong X .
Chứng minh
i. Ta nhận thấy Ta V .
Mặt khác, theo định nghĩa trên Ta và V là các ánh xạ liên tục nên tích của nó
là một ánh xạ liên tục.
Hơn nữa, từ mệnh đề trên, là tích của hai phép đồng phôi khi 0 nên
là một phép đồng phôi.
Ta có thể kiểm tra qua định nghĩa phép đồng phôi với 1 ( y )
1
y a .
ii. Ta thấy a G Ta (G ), G V (G ) .
Đồng thời, G là một tập mở trong X và Ta , V là các phép đồng phôi nên
ảnh của G là một tập mở.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 7
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Do đó, a G , G là các tập mở.
Ta xét a G là ảnh của G qua phép đồng phôi , vậy a G cũng là một
tập mở.
Khi đó, A G a G là hợp một họ các tập mở nên là một tập mở.
aA
iii. Tương tự như (ii).
1.2.3 Mệnh đề
Giả sử V là một lân cận của X , K \ 0 , x X .
Khi đó, x V là lân cận của x và V là lân cận của .
Chứng minh
Ta có: V là một lân cận của 0 X nên tồn tại tập G mở trong X sao cho
0 G V .
x x G x V , x X
Do đó,
mà các tập x G và G là các tập mở.
K
0 G V ,
Vậy x V x và V 0 .
1.3 Một số loại tập trong không gian vectơ tôpô
1.3.1 Tập cân
a) Định nghĩa
Cho A X với X là không gian vectơ tôpô trên trường K .
A là tập cân nếu A A, K và 1.
* Nhận xét
i) Mọi tập cân đều chứa 0.
ii) Giao của một họ các tập cân là một tập cân.
Chứng minh
i) Giả sử A là tập cân trong không gian vectơ tôpô X .
Khi đó, A A, K và 1 0 0 0. A A . Vậy A chứa 0.
ii) Giả sử Ai là các tập cân i I . Đặt A Ai .
iI
Vì Ai là tập cân nên Ai Ai , K và 1.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 8
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Suy ra A Ai Ai Ai A ( K và 1 ).
iI
iI
iI
Vậy A là tập cân.
b) Mệnh đề
Với X là không gian vectơ tôpô trên trường K . A, B là hai tập cân,
, , K . Khi đó,
i) A, A B là các tập cân trong X .
ii) Nếu 1 thì A A.
iii) Nếu thì A A.
Chứng minh
i) K : 1.
Ta có: A A A nên A là tập cân.
Tương tự: A B A B A B A B .
Vậy A B là tập cân.
ii) Ta có: K : 1 1.
A A (vì A là tập cân) (1)
Mặt khác, 1
1
1
1
1.
A là tập cân suy ra A là tập cân, vậy thì A
1
A A A. (2)
Từ (1) và (2) ta có được 1 thì A A.
iii) Ta xét hai trường hợp:
(+) 0 : 0 0 thì A A.
1 vì A cân nên A A A A.
Vậy nếu thì A A.
(+) 0 :
c) Định lý
Giả sử X là không gian vectơ tôpô trên trường K , A là một tập cân trong X .
i) A cũng là một tập cân.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 9
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
ii) Nếu Ao chứa 0 thì Ao là một tập cân.
Chứng minh
i. Ta có: K : 1.
Ta thấy A là ảnh của A qua phép vị tự V nên A là tập đóng hay
A A . Mà A A A A A , vậy A là một tập cân.
ii. Giả sử 0 Ao , ta cần chứng minh Ao Ao , K : 1.
o
Ta thấy Ao A , K : 0 1.
Thật vậy:
o
() Ao A .
Lấy b Ao a Ao : b a. Mà a là một điểm trong của A nên tồn tại
G mở sao cho a G A nên a G A . Mặt khác, G là một tập mở trong
o
X , vậy a là một điểm trong của A hay b a A .
o
() Ao A .
o
Với b A G mở sao cho b G A , vì 0 nên
b
1
G A .
1
b
Do G mở nên ta có được Ao hay b Ao .
Thêm vào đó 0 Ao nên với 0 thì Ao là một tập cân.
1.3.2 Tập hút
a) Định nghĩa
Cho X là không gian vectơ tôpô trên trường K .
Tập A X được gọi là một tập hút nếu x X , tồn tại 0 sao cho
x A, với mọi thỏa 0 .
b) Tính chất
Cho X là không gian vectơ tôpô trên trường K .
i. Tập hút chứa 0.
ii. Giao một họ hữu hạn các tập hút là tập hút.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 10
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
iii. Tập A X là tập hút và dãy i iN là dãy số không bị chặn trong K thì
X i A .
i 1
Chứng minh
i. Theo định nghĩa, nếu A là tập hút thì x X , tồn tại 0 sao cho
x A, với mọi thỏa 0 . Ta chọn x 0 , khi đó 0 .0 A.
n
ii. Giả sử Ai i 1, n là các tập hút trong X . Đặt A Ai .
i 1
Khi đó, , tồn tại i 0 sao cho x Ai , K thỏa 0 i i 1, n
x X .
Chọn u min ui i 1,n , ta được 0 sao cho x Ai , x X .
Vậy x X , tồn tại 0 sao cho x A, K thỏa 0 .
iii) Giả sử A X là tập hút và dãy i iN là dãy số không bị chặn trong K .
i 1
i 1
Lấy x i A io : x i o A X nên i A X .
Ngược lại, với x X , vì A X là tập hút nên tồn tại 0 sao cho
x A, K thỏa 0 .
i iN
Do
io : io
1
Suy ra
1
io
1
io
là dãy số không bị chặn trong
K , vậy thì
.
i 1
i 1
x A x io A i A . Khi đó i A X .
Hay X i A .
i 1
1.4 Cơ sở lân cận
1.4.1 Định lý
Cấu trúc tôpô trong không gian vectơ tôpô X hoàn toàn xác định nếu biết
được một cơ sở lân cận tại 0 của nó.
Chứng minh
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 11
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
(+) Lấy điểm x X . Giả sử V là một lân cận của x . Khi đó, tồn tại G mở
trong X sao cho x G V . Suy ra, y y x G y x V hay y x V y .
(+) Giả sử Bx là một cơ sở địa phương tại x X , với y X và U y . Ta
được, Tx y U x y U . Hơn nữa, x y U là một lân cận của x X .
(+) Vậy tồn tại tập mở W Bx sao cho W x y U y x W U mà
y x W là một lân cận của y nên y x W: W B x là cơ sở lân cận tại y .
Cho x thì y W: W B0 là một cơ sở lân cận mở của y .
(+) Do hợp của các cơ sở lân cận mở trong X là một cơ sở của X nên
y B0 : y X y W: W B0 là một cơ sở trong X .
Từ đó, ta có thể trang bị cho một không gian vectơ X thành một không gian
vectơ tôpô bằng cách xây dựng một cơ sở lân cận tại 0 cho nó.
1.4.2 Mệnh đề
Cho X là một không gian vectơ tôpô, B0 là một cơ sở lân cận tại 0 thuộc X .
Khi đó:
i) Mọi tập thuộc cơ sở B0 là một tập hút.
ii) Tồn tại ít nhất một lân cận cân của 0 thuộc B0 .
iii) Tồn tại U B0 sao cho U U V , V B0 .
Chứng minh
i) Lấy bất kì V B0 , xét ánh xạ: f : K X với f ( ) x, x X .
Vì X là một không gian vectơ tôpô nên f liên tục. Mà f (0) 0 nên 0
sao cho f ( ) V , .
Suy ra x V , x X , . Vậy V B0 là một tập hút.
ii) Với ánh xạ nhân là liên tục và U 0 , ta có được x V , x X , .
Suy ra U V , x U , . Chọn
1 , ta được U V ,
1 .
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 12
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
(+) Đặt W V . Khi đó, W 0 và U V W , 1 .
1
1
V x V x V , x W .
1
Vậy thì W V , 1, 1 W V W, 1. Do đó, tồn
(+) Lấy x W và 0 1. Ta có: x
1
tại lân cận cân trong cơ sở lân cận tại 0.
iii) Xét ánh xạ g : X x X X với g x, y x y . Ánh xạ g là liên tục trong
không gian vectơ tôpô X . Vậy tồn tại U1 , U 2 0 sao cho U1 U 2 V , V 0 .
Chọn U U1 U 2 U U V , V 0 .
* Nhận xét
Cho X là một không gian vectơ tôpô, B0 là một cơ sở lân cận tại 0 thuộc X .
n
Tồn tại U B0 sao cho U V , V B0 .
i 1
Chứng minh
Quy nạp theo iii).
1.4.3 Định nghĩa
Tôpô trong không gian vectơ X bất biến đối với phép tịnh tiến nếu mọi
phép tịnh tiến trong X là một phép đồng phôi.
1.4.4 Mệnh đề
Cho X là một không gian vectơ và bất biến với phép tịnh tiến sao cho có cơ
sở lân cận B0 của 0 thỏa:
i) V B0 , tồn tại U B0 sao cho U U V .
ii) V là tập cân và hút.
Khi đó, X , là một không gian vectơ tôpô.
Chứng minh
Ta cần chứng minh tương thích với cấu trúc đại số trong X , điều đó tương
đương với phép toán cộng và nhân liên tục.
(+) x, y X và W B0 , theo i) thì tồn tại V B0 sao cho V V W .
Mà x V x , y V y và x y W x y .
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 13
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Mặt khác, x V y V x y V V x y W x y .
Từ đó, suy ra phép toán cộng là liên tục.
(+) K , x X và W B x .
Vậy tồn tại một lân cận mở V B0 sao cho x V W . Hơn nữa, theo i) thì
tồn tại U B0 sao cho U U V .
x U ,
Do U là tập hút và cân nên tồn tại 0 sao cho
.
U U ,
Chọn n 1 để 1 n .
1
Theo mệnh đề 1.4.2 thì ta có J J ... J nJ U J U với J là
n
một lân cận tại 0 của X . Suy ra x J x .
Lấy y x J y x J và .
Vì U là cân và
n
1 nên y x J U U .
n
1
Do đó, y x x y x x U U x V W , .
Vậy ánh xạ nhân là liên tục. Khi đó, X , là một không gian vectơ tôpô.
1.4.5 Định lý
Giả sử X là một không gian vectơ tôpô. Khi đó, mỗi lân cận của 0 đều chứa ít
nhất một lân cận mở, cân.
Chứng minh
(+) Theo 2.4.2, với mỗi V 0 thì tồn tại một lân cận cân U V .
Vì U 0 nên tồn tại tập G ' mở sao cho 0 G ' U . Khi đó, G ' và - G ' là
các lân cận mở, cân của 0.
(+) Đặt G G ' G ' .
Khi đó, G là giao của hai tập mở, cân nên là một tập mở, cân. Vậy G là một
lân cận mở, cân được chứa trong V .
1.4.6 Mệnh đề
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 14
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Cho X là một không gian vectơ tôpô, F X . Khi đó, F F V V 0 .
Hơn nữa, với mỗi lân cận của 0 đều chứa một lân cận đóng cân của 0.
Chứng minh
Ta cần chứng minh F F V V 0 và F V V 0 F .
(+) Lấy x F và V là một lân cận đối xứng của 0. Lúc này, x V x .
Vì x F nên x V F y x V F , vậy y x V và y F .
Suy ra, y x V x y V (do V là một lân cận đối xứng). Vậy thì
x F V .
Cho nên x F V V 0 hay F F V V 0
(+) Với x F V V 0 F V y V y F , V 0 . Do đó, tồn tại
z F sao cho x z V z x V x V x . Vậy z x V F nên
x F . Điều này tương đương với F V V 0 F .
Giả sử V 0 . Suy ra, tồn tại U 0 sao cho U U V . Do U 0 tồn tại
F 0 sao cho F U và F cân.
Theo chứng minh trên, ta được F F U F U U V .
Vậy lân cận V của 0 chứa một lân cận đóng cân F của 0.
Nhận xét
Trong một không gian vectơ tôpô, phần tử 0 luôn có một cơ sở lân cận đóng.
Chứng minh
Đặt F F : F 0 . Ta thấy F là một tập đóng.
Theo 1.4.6, mỗi lân cận của 0 đều chứa một lân cận đóng.
Khi đó, V 0 , F F : 0 F V vậy F là một cơ sở lân cận đóng.
1.5 Tập bị chặn và tập compact trong không gian vectơ tôpô
1.5.1 Tập bị chặn
a) Định nghĩa
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 15
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Tập bị chặn trong một không gian vectơ tôpô X là một tập con của X bị hút
bởi một lân cận bất kì của 0.
A X bị chặn V 0 , 0 : A V ,
b) Tính chất
i. Trong một không gian vectơ tôpô, mỗi tập một phần tử là tập bị chặn. Hơn
nữa, tập chứa hữu hạn các phần tử cũng là một tập bị chặn.
ii. Tập con của một tập bị chặn là tập bị chặn.
iii. Bao đóng của một tập bị chặn thì bị chặn .
iv. Tổng và hợp hữu hạn của các tập bị chặn là tập bị chặn.
Chứng minh
Giả sử X không gian vectơ tôpô
i) Lấy x X , X không gian vectơ tôpô nên ánh xạ nhân liên tục.
Khi đó V 0 : x V , 1 . Vậy x là tập bị chặn.
(*) Giả sử A x1 , x2 ,..., xn x X là một tập gồm n phần tử. Khi đó, mỗi xi A thì
i
i 0 : xi i , i . Chọn max i i 1,n 0 : xi , , i .
Vậy V 0 , max i i 1,n 0 : A V , . Do đó, A là một tập
bị chặn.
ii. Với B A là một tập bị chặn trong X . Ta có: V 0 , max i i 1,n 0
A V B A V , . Vậy B bị chặn.
iii. Với A là một tập bị chặn trong X . V 0 , 0 : A V ,
Suy ra V 0 , U V , 0 : A A U V , . Vậy A bị chặn.
iv. Ta chứng minh nếu A, B bị chặn trong X thì A B, A B là những tập bị
chặn.
1 0 : A V , 1
Thật vậy, với V là một lân cận tại 0. Như vậy,
.
2 0 : B V , 2
(+) Chọn max 1 , 2 : A B A B V , . Vậy A B bị
chặn.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 16
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
(+) Tồn tại U là một lân cận của 0 và U V sao cho U U V .
Ta được 0 : A B A B U U V , nên A B bị chặn.
Từ đó, dùng phương pháp qui nạp, ta có điều phải chứng minh.
c) Định lý
Cho X là một không gian vectơ tôpô, tập A X là một tập bị chặn khi và chỉ
khi tồn tại một dương thỏa A V , với V là một lân cận tùy ý của 0.
Chứng minh
Với A X là tập bị chặn, theo định nghĩa 0 : A V .
Giả sử có một dương thỏa A V ,
V 0 . Do đó, thì
A A
Suy ra, A V , . Vậy A bị chặn.
1.5.2 Tập hoàn toàn bị chặn
a) Định nghĩa
Cho X là không gian vectơ tôpô, A X là một tập con hoàn toàn bị chặn khi
và chỉ khi tồn tại một tập hữu hạn B X sao cho với mọi lân cận V 0 thì
A B V .
b) Nhận xét
Tập hoàn toàn bị chặn thì bị chặn.
Chứng minh
(+) Giả sử A là tập hoàn toàn bị chặn. Khi đó, với mọi lân cận V 0 thì
A B V , với B X là tập hữu hạn.
(+) Do B hữu hạn nên theo 2.5.1b, B là một tập bị chặn. Vậy thì
U 0 , 0 : B U , .
(+) Với mọi V 0 , U 0 : U U V , chọn
2
1
n * , suy ra B U .
n
n
1
1
1
1
A B U B U U U V .
n
n
n
n
Vậy V 0 ,
1
0 : A A U , . Cho nên A là tập bị chặn.
n
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 17
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
1.5.3 Tập compact
a) Định nghĩa
Cho X , là không gian vectơ tôpô, A X là một tập compact nếu với mọi
phủ mở của A trong X thì A có một phủ con hữu hạn.
Định nghĩa này tương đương Vi 0 , Vi A, n0 : A Vi .
i
i 1, n0
Thật vậy, Vi là một lân cận của 0 thì tồn tại lân cận mở Gi của 0 sao cho
Vi Gi , vậy họ Gi i là một phủ mở chứa A .
Khi đó, tồn tại một phủ con hữu hạn Gi chứa A .
i 1, n0
Nhận xét
Tập con của một tập compact là tập compact.
Chứng minh
Với B là một tập con của tập compact A .
Khi đó, mọi phủ mở của A cũng là phủ mở của B . Do A compact nên A chứa
một phủ con hữu hạn. Mà B A nên B cũng có một phủ con hữu hạn. Vậy B
compact.
b) Mệnh đề
Cho A1 , A2 là các tập compact trong X . Khi đó, A1 A2 , A1 A2 là các tập
n
n
compact. Hơn nữa, với các i K i 1, n thì i Ai và i Ai cũng là các tập
i 1
i 1
compact.
Chứng minh
Giả sử A1 , A2 là các tập compact trong không gian vectơ tôpô X .
(+) Vi 0 , Vi A1 A2
i
Vi A1 , n0 : A1 Vi
i 1, n0
i
, Vi 0
Theo định nghĩa, ta có:
i Vi A2 , m0 : A2 i 1,m0 Vi
Đặt k max n0 , m0 , suy ra A1 A2 Vi . Do vậy, A1 A2 compact.
i 1, k
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 18
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Hơn nữa, dễ thấy i Ai với i K i 1, n là các tập compact. Khi đó, bằng
n
quy nạp, ta suy ra được i Ai cũng là các tập compact.
i 1
(+) X là một không gian vectơ tôpô nên ánh xạ
( ) : A1 x A2 X
x y
x, y
liên tục. Mà
ảnh của tập compact là tập compact nên A1 A2 là một tập compact.
n
Tương tự chứng minh trên, để chứng minh i Ai là tập compact, ta dùng
i 1
quy nạp.
c) Định lý
Nếu A là một tập compact và B là một tập con đóng trong không gian vectơ
tôpô X . Khi đó, A B là một tập đóng.
Chứng minh
(+) Lấy x X \ A B x A B x xi B , với mỗi xi A
(+) Vì B là một tập con đóng nên theo 1.4.6 thì Vi 0 : x xi Vi B .
Mà Vi 0 nên U i 0 : U i U i Vi ( U i mở) cho nên xi U i là tập mở.
(+) Ta thấy xi U i là một phủ mở chứa A . Do A compact nên
i
n
A xi U i
i 1
n
n
i 1
i 1
(+) Đặt V U i , suy ra x A V x xi U i U i x xi Vi
i
i0 : x A V x xi0 Vi0 x A V B .
x V A B . Mà x V x nên A B là một tập đóng.
d) Định lý
Cho X là một không gian vectơ tôpô. Nếu Y là một tập con compact và Z là
một tập con đóng trong X thì tồn tại một lân cận mở V của 0 sao cho
Y V Z V .
Chứng minh
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 19
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
(+) Ta có Z là một tập đóng và Y Z nên với x Y , V 0 x V x
sao cho x V Z .
(+) Mặt khác, do X là một không gian vectơ tôpô nên ánh xạ ( ): X x X x X X
liên tục. Từ đó, tồn tại một lân cận U mở, đối xứng của 0 sao cho U U U V .
Suy ra, x U U U x V , x Y nên x U U U Z , x Y .
(+) Mà U U x U U U Z x U U Z U , x Y .
(+) Hơn nữa, U mở nên x U xY là một phủ mở của Y mà tập Y là một tập
n
compact nên tồn tại hữu hạn xi Y i 1, n sao cho Y xi U xi , với U xi là
i 1
lân cận tương ứng của 0 với mọi xi .
(+) Đặt V U xi , mà giao hữu hạn của U xi mở là mở. Khi đó V là một tập mở.
i
n
n
Vậy Y V xi U xi V xi U xi U xi .
i 1
i 1
Ta lại có xi U xi U xi Z V , i nên Y V Z V .
1.6 Ánh xạ tuyến tính liên tục và phiếm hàm tuyến tính liên tục
1.6.1 Định nghĩa
Cho X là một không gian vectơ tôpô và ánh xạ f : X Y .
Ánh xạ f là ánh xạ tuyến tính liên tục nếu thỏa:
i) f ( x y ) f ( x) f ( y ),
, K , x, y X .
ii) f liên tục.
Thay Y K , ta được f là một phiếm hàm tuyến tính liên tục.
1.6.2 Tính chất
i) Ảnh của một tập cân qua ánh xạ tuyến tính liên tục là một tập cân.
ii) Ánh xạ tuyến tính liên tục trong không gian vectơ tôpô biến một tập bị chặn
(hoàn toàn bị chặn) thành một tập bị chặn (hoàn toàn bị chặn)
iii) Nếu f : X Y là một toàn ánh tuyến tính liên tục thì ảnh của một tập hút
là một tập hút.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 20
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Chứng minh
i) Giả sử A là một tập cân trong không gian vectơ tôpô X và f : X Y là ánh xạ
liên tục.
Ta có: K , 1 thì A A . Khi đó, f A f A f A .
Vậy f A là một tập cân.
ii) Với B là một tập bị chặn trong không gian vectơ tôpô X và f : X Y là ánh
xạ liên tục.
Do vậy, V f 0 , U 0 : f U V . Hơn nữa, B là một tập bị chặn nên
0 : B U . Vậy 0 : f B f B f U V .
Ta được f B là một tập bị chặn.
iii) Giả sử C là một tập hút trong X .
Vì f là một toàn ánh nên y Y , x X : f x y
Do C là tập hút nên 0, x C y f x f x f C , .
1.6.3 Định lý
Cho X là các không gian vectơ tôpô, f : X K là một phiếm hàm tuyến
tính. Khi đó, các mệnh đề sau tương đương
i) f liên tục.
ii) Ker f là tập đóng.
iii) Tồn tại một lân cận của 0 sao cho f bị chặn trong lân cận đó.
Chứng minh
i) ii) Ta có Ker f x X : f x 0 . Khi đó, V là lân cận của 0 thì
x V x .
Vậy với mọi x Ker f thì Ker f x V .
ii) iii) Với Ker f là tập đóng thì Ker f X hoặc Ker f không đâu trù mật.
(+) Nếu Ker f X thì f x 0, x X . Vậy f bị chặn bởi 0, V x .
(+) Nếu Ker f không đâu trù mật thì X \ Ker f là tập mở khác rỗng.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 21
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Lấy x X \ Ker f x Ker f , tồn tại lận cân U 0 : x U Ker f .
Do U cân nên f U cân, suy ra f U bị chặn
iii) i) Giả sử với V là một lân cận tại 0, và k K , k 0 f V k
Lấy 0 , suy ra x V
k
k
x V f
x k f x .
Vậy f liên tục tại 0 nên f liên tục trên X .
1.7 Không gian vectơ tôpô con- Không gian vectơ tôpô thương
1.7.1 Không gian vectơ tôpô con
Cho X , là các không gian vectơ tôpô.
Y , được gọi là không gian vectơ tôpô con của X , khi và chỉ khi Y X và
là tôpô cảm sinh bởi phải tương thích với cấu trúc đại số của Y .
Nhận xét
Nếu M là một không gian vectơ tôpô con của không gian vectơ tôpô X thì
M , X / M cũng là các không gian vectơ tôpô con.
1.7.2 Không gian vectơ tôpô thương
a) Định nghĩa
Với M là một không gian vectơ tôpô con của không gian vectơ tôpô X . Xét
không gian vectơ thương X / M và ánh xạ chính tắc
i: X X /M
x xM
.
X / M với tôpô mạnh nhất trên X / M làm cho i liên tục lập thành một không gian
vectơ tôpô thương.
Nhận xét
Tập con của X / M là mở nếu nó là ảnh của một tập mở qua ánh xạ i
Chứng minh
Giả sử G là một tập mở trong X . Khi đó, i G G M .Vì G nên G M là
tập mở.
1.7.3 Tích và tổng các không gian vectơ tôpô
a) Tích các không gian vectơ tôpô
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 22
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Cho X i iI là họ các không gian vectơ tôpô.
Xét không gian vectơ tích X i với tôpô tích, trong đó các cơ sở lân cận của
iI
x xi iI là Vi , Vi xi . X i cùng với tôpô tích lập thành không gian vectơ
iI
iI
tôpô tích.
b) Tổng các không gian vectơ tôpô
Trong không gian vectơ tôpô tích
X
i
, không gian vectơ con
iI
X i x xi iI chứa các phần tử có cơ sở lân cận Vi , Vi xi là một không
iI
iI
gian vectơ tôpô tổng.
Nhận xét
i) Ánh xạ đồng nhất X i X i là liên tục hay tôpô trong X i mạnh hơn
iI
iI
iI
tôpô cảm sinh bởi tôpô của X i .
iI
ii) Phép nhúng : X j X i và phép chiếu p :
X
iI
i
X j là các ánh xạ
iI
liên tục.
1.8 Một số không gian vectơ tôpô
1.8.1 Không gian vectơ tôpô Hausdorff
a) Định nghĩa
Cho X , là các không gian vectơ tôpô, X là một không gian vectơ tôpô
Hausdorff nếu X , là một không gian Hausdorff T2 không gian .
Các định lý sau đây khẳng định các điều kiện để một không gian vectơ tôpô là
Hausdorff.
b) Định lý
Giả sử X không gian vectơ tôpô, X là Hausdorff khi và chỉ khi với mọi phần
tử khác 0 thuộc X có một lân cận tại 0 không chứa nó.
Chứng minh
Giả sử X là không gian vectơ tôpô Hausdorff.
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 23
Lớp: Sư phạm toán học K36
Luận văn tốt nghiệp
Không gian vectơ tôpô – Không gian lồi địa phương
Lấy x X \ 0 , khi đó có U , V 0 để x U x , V 0 và
x U V . Vậy tồn tại lân cận V của 0 không chứa X .
(Phản chứng) Giả sử với mọi phần tử khác 0 thuộc X có một lân cận tại 0
không chứa nó thì X không là Hausdorff.
(+) Lấy tùy ý x, y X : x y , suy ra x y 0 . Vậy V 0 : x y V .
(+) Do V 0 nên U 0 : U U V . Như vậy, x U x và y U y .
Mà X không là Hausdorff nên x, y X : x y để x U y U (*)
z x U z x U
Suy ra, z x U y U
.
z y U z y U
Ta được, x y x z z y U U V (mâu thuẫn (*)).
Vậy X là không gian vectơ tôpô Hausdorff.
c) Định lý
Một không gian vectơ tôpô là Hausdorff khi và chỉ khi mỗi tập hợp chứa duy
nhất một phần tử là tập đóng.
Chứng minh
Giả sử X là không gian vectơ tôpô Hausdorff và x X , ta chứng minh
X \ x là một tập mở.
(+) Lấy bất kỳ y X \ x y x 0 , theo 2.8.1b) thì tồn tại V 0 : y x V
hay y x V x vậy tồn tại U 0 : y U ( x V )
Cho nên y U là một lân cận của y không chứa x . Suy ra, y U X \ x .
(+) Do y U là một lân cận của y nên tồn tại G mở sao cho y G y U .
Ta được, y G X \ x hay y là điểm trong của X \ x , với mọi y X \ x .
X \ x là tập mở hay x là tập đóng trong X .
Giả sử xxX là một tập đóng.
(+) y X \ x V 0 : y V x (*). Vì V 0 nên tồn tại lân cận
mở, đối xứng U 0 : U U V .
(+) Ta chứng minh y U x U . Giả sử y U x U .
SVECTƠH: Châu Thị Tuyết Trang
Trang 24
Lớp: Sư phạm toán học K36