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Espacio nuclear

En matemáticas , los espacios nucleares son espacios vectoriales topológicos que pueden considerarse como una generalización de los espacios euclidianos de dimensión finita y comparten muchas de sus propiedades deseables. Sin embargo, los espacios nucleares son bastante diferentes de los espacios de Hilbert , otra generalización de los espacios euclidianos de dimensión finita. Fueron introducidos por Alexander Grothendieck .

La topología de los espacios nucleares se puede definir mediante una familia de seminormas cuyas bolas unitarias disminuyen rápidamente de tamaño. Los espacios vectoriales cuyos elementos son "suaves" en algún sentido tienden a ser espacios nucleares; un ejemplo típico de un espacio nuclear es el conjunto de funciones suaves en una variedad compacta . Todos los espacios vectoriales de dimensión finita son nucleares. No hay espacios de Banach que sean nucleares, excepto los de dimensión finita. En la práctica, a menudo es cierta una especie de recíproco: si un espacio vectorial topológico "de origen natural" no es un espacio de Banach, entonces hay una buena probabilidad de que sea nuclear.

Motivación original: El teorema del núcleo de Schwartz

Gran parte de la teoría de los espacios nucleares fue desarrollada por Alexander Grothendieck mientras investigaba el teorema del núcleo de Schwartz y publicada en (Grothendieck 1955). A continuación, describiremos esta motivación.

Para cualquier subconjunto abierto y el mapa canónico es un isomorfismo de TVS (donde tiene la topología de convergencia uniforme en subconjuntos acotados ) y además, ambos espacios son canónicamente TVS-isomorfos a (donde dado que es nuclear, este producto tensorial es simultáneamente el producto tensorial inyectivo y el producto tensorial proyectivo ). [1] En resumen, el teorema del núcleo de Schwartz establece que: donde todos estos TVS-isomorfismos son canónicos.

Este resultado es falso si uno reemplaza el espacio con (que es un espacio reflexivo que es incluso isomorfo a su propio espacio dual fuerte) y reemplaza con el dual de este espacio. [2] ¿Por qué un resultado tan bueno se cumple para el espacio de distribuciones y funciones de prueba pero no para el espacio de Hilbert (que generalmente se considera uno de los TVS "más buenos")? Esta pregunta llevó a Grothendieck a descubrir los espacios nucleares, los mapas nucleares y el producto tensorial inyectivo .

Motivaciones desde la geometría

Otro conjunto de ejemplos motivadores proviene directamente de la geometría y la teoría de variedades suaves [3] apéndice 2. Dadas variedades suaves y un espacio vectorial topológico de Hausdorff localmente convexo, entonces existen los siguientes isomorfismos de espacios nucleares

Definición

En esta sección se enumeran algunas de las definiciones más comunes de un espacio nuclear. Las definiciones que aparecen a continuación son todas equivalentes. Nótese que algunos autores utilizan una definición más restrictiva de un espacio nuclear, añadiendo la condición de que el espacio también debe ser un espacio de Fréchet . (Esto significa que el espacio es completo y la topología está dada por una familia contable de seminormas).

La siguiente definición fue utilizada por Grothendieck para definir los espacios nucleares. [4]

Definición 0 : Sea un espacio vectorial topológico localmente convexo. Entonces es nuclear si para cada espacio localmente convexo la incrustación del espacio vectorial canónico es una incrustación de sistemas de transición de tiempo (TVS) cuya imagen es densa en el codominio (donde el dominio es el producto tensorial proyectivo y el codominio es el espacio de todas las formas bilineales continuas por separado en dotadas de la topología de convergencia uniforme en subconjuntos equicontinuos ).

Empecemos recordando algunos antecedentes. Un espacio vectorial topológico localmente convexo tiene una topología que está definida por alguna familia de seminormas . Para cada seminorma, la bola unidad es un entorno simétrico convexo cerrado del origen y, a la inversa, cada entorno simétrico convexo cerrado de 0 es la bola unidad de alguna seminorma. (Para espacios vectoriales complejos, la condición "simétrico" debe reemplazarse por " equilibrado "). Si es una seminorma en entonces denota el espacio de Banach dado al completar el espacio normado auxiliar usando la seminorma . Hay una función natural (no necesariamente inyectiva).

Si es otra seminorma, mayor que (puntualmente como una función en ), entonces hay una función natural de a tal que la primera función se factoriza como Estas funciones son siempre continuas. El espacio es nuclear cuando se cumple una condición más fuerte, a saber, que estas funciones son operadores nucleares . La condición de ser un operador nuclear es sutil, y hay más detalles disponibles en el artículo correspondiente.

Definición 1 : Un espacio nuclear es un espacio vectorial topológico localmente convexo tal que para cada seminorma podemos encontrar una seminorma más grande de modo que la función natural sea nuclear .

De manera informal, esto significa que siempre que se nos da la bola unidad de alguna seminorma, podemos encontrar una bola unidad "mucho más pequeña" de otra seminorma dentro de ella, o que cada entorno de 0 contiene un entorno "mucho más pequeño". No es necesario comprobar esta condición para todas las seminormas ; es suficiente comprobarla para un conjunto de seminormas que generan la topología, en otras palabras, un conjunto de seminormas que son una subbase para la topología.

En lugar de utilizar espacios de Banach y operadores nucleares arbitrarios, podemos dar una definición en términos de espacios de Hilbert y operadores de trazas , que son más fáciles de entender. (En los espacios de Hilbert, los operadores nucleares a menudo se denominan operadores de trazas). Diremos que una seminorma es una seminorma de Hilbert si es un espacio de Hilbert, o equivalentemente si proviene de una forma semidefinida positiva sesquilineal en

Definición 2 : Un espacio nuclear es un espacio vectorial topológico con una topología definida por una familia de seminormas de Hilbert, de modo que para cada seminorma de Hilbert podemos encontrar una seminorma de Hilbert más grande de modo que la función natural de a es la clase traza .

Algunos autores prefieren utilizar operadores de Hilbert-Schmidt en lugar de operadores de trazas. Esto no supone una gran diferencia, ya que todos los operadores de trazas son de Hilbert-Schmidt y el producto de dos operadores de Hilbert-Schmidt es de trazas.

Definición 3 : Un espacio nuclear es un espacio vectorial topológico con una topología definida por una familia de seminormas de Hilbert, de modo que para cada seminorma de Hilbert podemos encontrar una seminorma de Hilbert más grande de modo que la función natural de a es Hilbert–Schmidt.

Si estamos dispuestos a utilizar el concepto de operador nuclear de un espacio vectorial topológico localmente convexo arbitrario en un espacio de Banach, podemos dar definiciones más cortas como las siguientes:

Definición 4 : Un espacio nuclear es un espacio vectorial topológico localmente convexo tal que para cada seminorma la función natural de es nuclear .

Definición 5 : Un espacio nuclear es un espacio vectorial topológico localmente convexo tal que toda función lineal continua en un espacio de Banach es nuclear.

Grothendieck utilizó una definición similar a la siguiente:

Definición 6 : Un espacio nuclear es un espacio vectorial topológico localmente convexo tal que para cada espacio vectorial topológico localmente convexo la función natural del producto tensorial proyectivo al inyectivo de y es un isomorfismo.

De hecho, es suficiente comprobar esto sólo para los espacios de Banach o incluso sólo para el espacio de Banach individual de series absolutamente convergentes.

Caracterizaciones

Sea un espacio localmente convexo de Hausdorff. Entonces, los siguientes son equivalentes:

  1. es nuclear;
  2. para cualquier espacio localmente convexo, la incrustación del espacio vectorial canónico es una incrustación de TVS cuya imagen es densa en el codominio;
  3. Para cualquier espacio de Banach, la incrustación del espacio vectorial canónico es un isomorfismo sobreyectivo de los TVS; [5]
  4. Para cualquier espacio de Hausdorff localmente convexo, la incrustación del espacio vectorial canónico es un isomorfismo sobreyectivo de los TVS; [5]
  5. La incrustación canónica de in es un isomorfismo sobreyectivo de TVS; [6]
  6. El mapa canónico de es un isomorfismo TVS sobreyectivo. [6]
  7. para cualquier seminorma podemos encontrar una seminorma mayor de modo que el mapa natural sea nuclear ;
  8. Para cualquier seminorma podemos encontrar una seminorma mayor de modo que la inyección canónica sea nuclear; [5]
  9. la topología de está definida por una familia de seminormas de Hilbert, de modo que para cualquier seminorma de Hilbert podemos encontrar una seminorma de Hilbert más grande de modo que el mapa natural sea de clase traza ;
  10. tiene una topología definida por una familia de seminormas de Hilbert, de modo que para cualquier seminorma de Hilbert podemos encontrar una seminorma de Hilbert más grande de modo que la función natural sea Hilbert–Schmidt;
  11. Para cualquier seminorma el mapa natural de es nuclear .
  12. cualquier mapa lineal continuo de un espacio de Banach es nuclear;
  13. Toda seminorma continua es prenuclear; [7]
  14. todo subconjunto equicontinuo de es prenuclear; [7]
  15. toda aplicación lineal de un espacio de Banach que transforma la bola unidad en un conjunto equicontinuo, es nuclear; [5]
  16. la finalización de es un espacio nuclear;

Si es un espacio de Fréchet entonces los siguientes son equivalentes:

  1. es nuclear;
  2. Toda secuencia sumable en es absolutamente sumable; [6]
  3. el fuerte dual de es nuclear;

Condiciones suficientes

Supongamos que y son un espacio localmente convexo con es nuclear.

Ejemplos

Si es un conjunto de cualquier cardinalidad, entonces y (con la topología del producto ) son ambos espacios nucleares. [12]

Un ejemplo de dimensión infinita relativamente simple de un espacio nuclear es el espacio de todas las secuencias rápidamente decrecientes ("rápidamente decreciente" significa que está acotado para cualquier polinomio ). Para cada número real es posible definir una norma por Si la completitud en esta norma es entonces hay una función natural de siempre que y esta es nuclear siempre que esencialmente porque la serie es entonces absolutamente convergente. En particular para cada norma es posible encontrar otra norma, digamos tal que la función sea nuclear. Por lo tanto, el espacio es nuclear.

Propiedades

Los espacios nucleares son en muchos aspectos similares a los espacios de dimensión finita y tienen muchas de sus buenas propiedades.

El teorema del núcleo

Gran parte de la teoría de los espacios nucleares fue desarrollada por Alexander Grothendieck mientras investigaba el teorema del núcleo de Schwartz y publicada en (Grothendieck 1955). Tenemos la siguiente generalización del teorema.

Teorema del núcleo de Schwartz : [9] Supóngase que es nuclear, es localmente convexo y es una forma bilineal continua en Entonces se origina a partir de un espacio de la forma donde y son subconjuntos equicontinuos adecuados de y De manera equivalente, es de la forma, donde y cada uno de y son equicontinuos. Además, estas secuencias pueden tomarse como secuencias nulas (es decir, convergentes a 0) en y respectivamente.

Teorema de Bochner-Minlos

Cualquier funcional positivo definido continuo en un espacio nuclear se denomina funcional característico si y para cualquier y [16] [17]

Dado un funcional característico en un espacio nuclear, el teorema de Bochner-Minlos (según Salomon Bochner y Robert Adol'fovich Minlos ) garantiza la existencia y unicidad de una medida de probabilidad correspondiente en el espacio dual tal que

donde es la transformada de Fourier de , extendiendo así la transformada de Fourier inversa a los espacios nucleares. [18]

En particular, si es el espacio nuclear donde hay espacios de Hilbert, el teorema de Bochner-Minlos garantiza la existencia de una medida de probabilidad con la función característica , es decir, la existencia de la medida gaussiana en el espacio dual . Dicha medida se denomina medida de ruido blanco . Cuando es el espacio de Schwartz, el elemento aleatorio correspondiente es una distribución aleatoria .

Espacios fuertemente nucleares

Un espacio fuertemente nuclear es un espacio vectorial topológico localmente convexo tal que para cualquier seminorma existe una seminorma más grande de modo que el mapa natural es un fuertemente nuclear .

Véase también

Referencias

  1. ^ Trèves 2006, pág. 531.
  2. ^ Trèves 2006, págs. 509–510.
  3. ^ Costello, Kevin (2011). Renormalización y teoría de campos efectivos. Providence, RI: American Mathematical Society. ISBN 978-0-8218-5288-0.OCLC 692084741  .
  4. ^ Schaefer y Wolff 1999, pág. 170.
  5. ^ abcd Trèves 2006, pág. 511.
  6. ^ abc Schaefer y Wolff 1999, pág. 184.
  7. ^ desde Schaefer & Wolff 1999, pág. 178.
  8. ^ abcdef Schaefer y Wolff 1999, pág. 103.
  9. ^ abcde Schaefer y Wolff 1999, pág. 172.
  10. ^ Schaefer y Wolff 1999, pág. 105.
  11. ^ desde Schaefer & Wolff 1999, pág. 173.
  12. ^ Schaefer y Wolff 1999, pág. 100.
  13. ^ Schaefer y Wolff 1999, pág. 101.
  14. ^ Trèves 2006, pág. 520.
  15. ^ Schaefer y Wolff 1999, pág. 110.
  16. ^ Holden y otros. 2009, pág. 258.
  17. ^ Simon 2005, págs. 10-11.
  18. ^ TR Johansen, El teorema de Bochner-Minlos para espacios nucleares y un espacio abstracto de ruido blanco , 2003.

Bibliografía