berührt die Spezialgebiete

Mathematik

Analysis

Funktionalanalysis

hat Merkmale von

topologischer Raum

metrischer Raum

vollständiger Raum

linearer Raum

Vektorraum

ist Spezialfall von

normierter Raum

umfasst als Spezialfälle

Hilbert-Raum

Im Folgenden sei K einer der Körper R oder C.

• Die Euklidischen und unitären Räume Kⁿ mit der Norm ,

sind Banach-Räume.

• Der Raum aller stetigen Funktionen

f : [a,b] → K auf einem abgeschlossenen Intervall wird zu einem Banach-Raum, wenn man die Norm solch einer Funktion als ||f|| = sup {|f(x)|: x∈[a,b]} definiert. Dies ist in der Tat eine Norm, da stetige Funktionen auf einem abgeschlossenen Intervall beschränkt sind. Der Raum ist vollständig unter dieser Norm und der resultierende Banach-Raum wird geschrieben als C[a,b].

• • Dieses Beispiel kann auf den Raum C(X) aller stetiger Funktionen

verallgemeinert werden, wobei X ein kompakter Raum ist, oder auf den Raum aller beschränkten stetigen Funktionen , wobei X ein beliebiger topologischer Raum ist, oder sogar auf den Raum B(X) aller beschränkten Funktionen wobei X eine beliebige Menge ist. In all diesen Beispielen kann man Funktionen multiplizieren und in dem selben Raum bleiben: diese Beispiele sind in Wirklichkeit Banach-Algebren .

• Sei eine reelle Zahl, so kann man den Raum aller endlichen Folgen () mit Elementen aus betrachten, so dass die unendliche Reihe ∑ |x_i|^p konvergiert. Diee p-te Wurzel des Wertes dieser Reihe sei dann definiert als die p-Norm der Folge. Der Raum zusammen mit dieser Norm ist ein Banach-Raum; er wird genannt mit l ^p.
• Der Banach-Raum l^∞ besteht aus allen beschränkten Folgen mit Elementen aus ' die Norm solch einer Folge ist definiert als das Supremum der Absolutbeträge der Elemente der Folge.
• Wiederum, falls eine reelle Zahl ist, kann man alle Funktionen f : [a, b] -> betrachten, wobei |f|^p Lebesgue-integrierbar ist. Die p-te Wurzel aus diesem Integral sei dann die Norm von f. An sich ist dieser Raum noch kein Banach-Raum, denn es gibt Funktionen, die nicht Null sind, ihre Norm jedoch wohl. Man definiert eine Äquivalenzrelation wie folgt: f und g sind äquivalent exakt dann, wenn die Norm von f - g Null ist. Die Menge der Äquivalenzklassen bildet dann einen Banach-Raum; er wird genannt mit L ^p[a, b]. Es ist entscheidend, hier das Lebesgue-Integral zu benutzen und nicht das Riemann-Integral, denn das Riemann-Integral würde keinen vollständigen Raum ergeben.

Sind V und W Banach-Räume über demselben Körper , so wird die Menge aller stetigen -linearen Abbildungen mit L(V,W) genannt.

Man bemerke, dass in unendlich-dimensionalen Räumen nicht alle linearen Abbildungen notwendigerweise stetig sind. L(V, W) ist ein Vektorraum, und indem man die Norm ||A|| = sup { ||Ax|| : x in V mit ||x|| ≤ 1 } definiert, kann er in einen Banach-Raum verwandelt werden.

Der Raum L(V) = L(V, V) bildet sogar eine unitäre Banach-Algebra; die Multiplikationsoperation ist gegeben durch die Komposition linearer Abbildungen.

Es ist möglich die Ableitung einer Funktion f : V -> W zwischen zwei Banachräumen zu definieren. Intuitiv sieht man, dass, falls x ein Element von V ist, die Ableitung von f in dem Punkt x eine stetige lineare Abbildung ist, die f nahe x approximiert.

Formell gesprochen bezeichnet man f differenzierbar in x, falls eine stetige lineare Abbildung A : V -> W existiert, so dass

lim_h->0 ||f(x + h) - f(x) - A(h)|| / ||h||    =     0

Der Grenzwert wird hier über alle Folgen mit nicht-Null-Element aus V gebildet, die gegen 0 konvergieren. Falls der Grenzwert existiert, schriebt man Df(x) = A und bezeichnet es die Ableitung von f in x.

Dieser Begriff der Ableitung ist eine Verallgemeinerung der gewöhnlichen Ableitung von Funktionen ', da die linearen Abbildungen von auf einfach Multiplikationen mit reellen Zahlen sind.

Falls f differenzierbar ist in jedem Punkt x aus V, dann ist Df : V -> L(V, W) eine weitere Abbildung zwischen Banachräumen (im Allgemeinen keine lineare Abbildung!), und kann möglicherweise erneut differenziert werden, wodurch die höheren Ableitungen von f definiert werden. Die n-te Ableitung in dem Punkt x kann somit als multilineare Abbildung gesehen werden.

Differentiation ist eine lineare Operation in dem folgenden Sinne: sind f und g zwei Abbildungen V - W, die in x differenzierbar sind, und r und s sind Skalare aus , dann ist rf + sg differenzierbar in x mit D(rf + sg)(x) = rD(f)(x) + sD(g)(x).

Die Kettenregel ist in diesem Zusammenhang ebenfalls gültig: falls f : V -> W differenzierbar ist in x aus V und g : W -> X differenzierbar ist in f(x), dann ist die Komposition g o f differenzierbar in x und die Ableitung ist die Komposition der Ableitungen:

D(g o f)(x) = D(g)(f(x)) o D(f)(x)

Ist V ein Banach-Raum und der zugrundeliegende Körper, dann ist selbst ebenfalls ein Banach-Raum (mit dem Absolutbetrag als Norm) und man kann den dualen Raum definieren durch . Dieser ist wiederum ein Banach-Raum. Er kann benutzt werden, um eine neue Topologie auf V zu definieren: die schwache Topologie .

Es gibt eine natürliche Abbildung F von V auf V'' definiert durch

F(x)(f) = f(x)

für alle x aus V und f aus V'. Wie es aus dem Satz von Hahn-Banach folgt, ist diese Abbildung injektiv; falls sie zudem noch surjektiv ist, so bezeichnet man den Banachraum V reflexiv . Reflexive Räume haben viele wichtige geometrisches Merkmalen. Ein Raum ist reflexiv exakt dann wenn sein Dual reflexiv ist, was der Fall ist exakt dann wenn seine Einheitskugel in der schwachen Topologie kompakt ist.

Jeder Hilbert-Raum ist ein Banach-Raum, aber nicht umgekehrt: ein Banach-Raum ist exakt dann ein Hilbert-Raum, wenn in ihm die Parallelogrammgleichung gilt.

Einige wichtige Räume in der Funktionalanalysis, zu dem Beispiel der Raum aller unendlich häufig differenzierbaren Funktionen oder der Raum aller Distributionen auf , sind zwar vollständig aber keine normierten Vektorräume und daher keine Banachräume. In Fréchet-Räumen hat man noch eine vollständige Metrik, während LF-Räume vollständige uniforme Vektorräume sind, die als Grenzwerte von Fréchet-Räumen auftauchen.

• Stefan Banach: Théorie des opérations linéaires (http://matwbn.icm.edu.pl/kstresc.php?tom=1&wyd=10). -- Warzawa 1932. (Monografie Matematyczne; 1) Zbl 0005.20901 (http://www-irma.u-strasbg.fr/math-cgi-bin/zmen/ZMATH/en/quick.html?format=complete&type=html&an=0005.20901)