哈恩-巴拿赫定理

在泛函分析中，哈恩－巴拿赫定理是一个极为重要的工具。它允许了定义在某个向量空间上的有界线性算子扩张到整个空间，并说明了存在“足够”的连续线性泛函，定义在每一个賦範向量空間，使对偶空间的研究变得有趣味。这个定理以汉斯·哈恩和斯特凡·巴拿赫命名，他们在1920年代後期独立证明了这个定理。

表述
定理的最一般的表述需要一些准备。给定标量體（实数域或复数域）上的一个向量空间，一个函数称为次线性的，如果：

可以很容易证明，上的每一个范数和每一个半范数都是次线性的。其它的次线性函数也可以是很有用的。

哈恩－巴拿赫定理说明，如果是一个次线性函数，是的子空间上的一个线性泛函，满足：



那么存在到整个空间的一个线性扩张，也就是说，存在一个线性泛函ψ，使得：

以及：

扩张ψ一般不是由唯一指定的，定理的证明也没有给出任何求出ψ的方法：在无穷维空间的情形中，它依赖于佐恩引理——选择公理的一个表述。

我们可以把的次线性条件稍微减弱，只需要：

根据（Reed and Simon, 1980）。这揭示了哈恩-巴拿赫定理与凸性的密切联系。

重要的结果
这个定理有一些重要的结果，其中有些也有时称为“哈恩-巴拿赫定理”：
 如果V是一个赋范向量空间，其子空间为U（不一定是闭的），且φ : U → K是连续和线性的，那么存在φ的一个扩张ψ : V → K，也是连续和线性的，且范数与φ相同（关于线性映射的范数的讨论，参见巴拿赫空间）。也就是说，在赋范向量空间的范畴中，空间是一个内射对象。
 如果V是一个赋范向量空间，其子空间为U（不一定是闭的），且z是V的一个元素，不在U的闭包内，那么存在一个连续线性映射ψ : V → K，对于U内的所有x都满足ψ(x) = 0，ψ(z) = 1，且||ψ|| = 1/dist(z,U)。

哈恩-巴拿赫分离定理

哈恩-巴拿赫定理的另外一种形式，称为哈恩-巴拿赫分离定理。Klaus Thomsen, 哈恩-巴拿赫分离定理 ，Aarhus University, 高等分析讲座 Gabriel Nagy, 实分析  讲座 它在凸几何中有许多用途。R. Harvey and H. B. Lawson, "An intrinsic characterisation of Kahler manifolds," Invent. Math 74 (1983) 169-198.

定理：设为 或上的一个拓扑向量空间，和 是 的非空凸子集。假设。那么：

如果是开集，那么存在一个连续线性映射和 ，使得对于所有的和，都有 。
如果 是局部凸的， 是紧集，且 是闭集，那么存在一个连续线性映射 和 ，使得对于所有的和，都有 。

与选择公理的关系

前面已经提到，从选择公理可以推出哈恩-巴拿赫定理。然而，反过来不成立。注意超滤子引理比选择公理更弱，但从它也可以推出哈恩-巴拿赫定理（反过来则不行）。实际上，哈恩-巴拿赫定理还可以用比超滤子引理更弱的假设来证明。D. Pincus, The strength of Hahn–Banach's Theorem, in: Victoria Symposium on Non-standard Analysis, Lecture notes in Math. 369, Springer 1974, pp. 203-248.  Citation from  M. Foreman and F. Wehrung, The Hahn-Banach theorem implies the existence of a non-Lebesgue measurable set ，"Fundamenta Mathematicae"  138 (1991), p. 13-19.对于可分巴拿赫空间，Brown和Simpson证明了哈恩-巴拿赫定理可以从WKL0——一个二阶算术的弱子系统推出。D. K. Brown and S. G. Simpson, Which set existence axioms are needed to prove the separable Hahn-Banach theorem?, Annals of Pure and Applied Logic, 31, 1986, pp. 123-144. Source of citation .

参见

 M·里斯扩张定理
 自反空间

注释

参考文献

 Lawrence Narici and Edward Beckenstein, "The Hahn–Banach Theorem: The Life and Times", Topology and its Applications, Volume 77, Issue 2 (1997) Pages 193-211. 

 Michael Reed and Barry Simon, Methods of Modern Mathematical Physics, Vol. 1, Functional Analysis, Section III.3. Academic Press, San Diego, 1980. ISBN 0-12-585050-6.

Category:泛函分析
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