Asupra unor subspații cebâșeviene din spațiul normat al funcțiilor lipschitziene
Abstract
Authors
Costica Mustata
“Tiberiu Popoviciu” Institute of Numerical Analysis, Romanian Academy, Romania
Keywords
Paper coordinates
C. Mustăţa, On the Chebyshev subspaces in normed space of Lipschitz functions, Rev. Anal. Numer. Teoria Approximatiei, 2 (1973) no. 1, 81-87 (MR 52 # 8758) (in Romanian).
ASUPRA UNOR SUBSPATII CEBIŞEVIENE DIN SPAŢIUL NORMAT AL FUNCTIILOR LIPSCHITZIENE
de
COSTICA MUSTĂTA
(Cluj)
În această lucrare se arată că singurul subspațiu cebîșevian de forma Y^(_|_)Y^{\perp} al spatiului normat X_(0)^(#)X_{0}^{\#} al functiilor lipschitziene cu valori reale, definite pe un spatiu metric XX este subspațiul {Phi}^(1))\{\Phi\}^{1)}, dacă submulțimea nevidă Y sube XY \subseteq X satisface anumite condiții.
Fie XX un spatiu metric care are cel puțin două puncte distincte şi dd metrica lui. Pe XX definim următoarele multimi de functii:
{:(1)X^(#)={f:X rarr R,s u p_({:[x!=y],[x","y in X]:})(|f(x)-f(y)|)/(d(x,y)) < oo}:}\begin{equation*}
X^{\#}=\left\{f: X \rightarrow R, \sup _{\substack{x \neq y \\ x, y \in X}} \frac{|f(x)-f(y)|}{d(x, y)}<\infty\right\} \tag{1}
\end{equation*}
unde „"o" este un anumit element fixat din XX.
Multimea X^(#)X^{\#} se poate inzestra cu o structură de spațiu liniar real, definind suma a două funcţii din X^(#)X^{\#} și înmulțirea unei functii din X^(#)X^{\#} cu un scalar real in mod obişnuit. Evident, X_(0)^(#)X_{0}^{\#} este un subspatiu liniar al lui X^(#)X^{\#}.
Dacă Y sube XY \subseteq X este nevidă, atunci pentru orice f inX^(#)f \in X^{\#} notăm
{:(3)K_(Y)(f)=s u p_({:[x!=y],[x","y in Y]:})(|f(x)-f(y)|)/(d(x,y)):}\begin{equation*}
K_{Y}(f)=\sup _{\substack{x \neq y \\ x, y \in Y}} \frac{|f(x)-f(y)|}{d(x, y)} \tag{3}
\end{equation*}
Dacă YY este format dintr-un singur punct, punem K_(Y)(f)=0K_{Y}(f)=0. In particular, dacă Y=XY=X, functionala K_(X)K_{X} este o normă pe X_(0)^(#)X_{0}^{\#}, de aceea, pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} notăm
(4)
K_(Y)(f)=||f||_(X).K_{Y}(f)=\|f\|_{X} .
Spațiul liniar real X_(0)^(#)X_{0}^{\#}, înzestrat cu norma dată de egalitatea (3) îl numim spatiul normat al functiilor lipschitziene care se aulează în o in Xo \in X.
2. Are loc
teorema 1. Fie YY o submultime nevidă a lui XX. Atunci există pentru orice f inX^(#)f \in X^{\#} o functie F inX^(#)F \in X^{\#} astfel incît:
a) F|_(Y)=f|_(Y)\left.\mathbf{F}\right|_{Y}=\left.f\right|_{Y}
b) K_(X)(F)=K_(Y)(f)K_{X}(F)=K_{Y}(f).
Demonstrația acestei teoreme se găseşte în lucrarea [1].
Dacă f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#}, în general nu rezultă că funcția FF cu proprietățile a) şi b) din teorema 1 este tot din X_(0)^(#)X_{0}^{\#}. Următorul exemplu dovedeşte acest fapt:
Fie X=RX=R. Definim functia :
f(x)={[|x|," dacă ",-1 <= x <= +1],[1," dacă ",x in R-[-1","+1]]:}f(x)=\left\{\begin{array}{lll}
|x| & \text { dacă } & -1 \leqq x \leqq+1 \\
1 & \text { dacă } & x \in R-[-1,+1]
\end{array}\right.ăă
Această funcție este lipschitziană ; ea aparţine lui R_(0)^(#)R_{0}^{\#}, unde ,,o" este originea axei reale RR şi ||f||_(X)=1\|f\|_{X}=1. Dacă considerăm submultimea Y=[2,3]Y=[2,3], atunci ||f||_(Y)=K_(Y)(f)=0\|f\|_{Y}=K_{Y}(f)=0, deci F(x)=1F(x)=1 pentru orice x in Rx \in R, de unde rezultă că F!inX_(0)^(#)F \notin X_{0}^{\#}.
O consecinfă imediată a Teoremei 1 este
teorema 2. Fie Y sube XY \subseteq X care contine o in Xo \in X. Atunci pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} există o funcţie F inX_(0)^(#)F \in X_{0}^{\#} astfel încît:
a) F|_(Y)=f|_(Y)\left.F\right|_{Y}=\left.f\right|_{Y}
b) ||F||_(X)=||f||_(X)\|F\|_{X}=\|f\|_{X}
Functia FF din teoremele 1 şi 2 se numeşte o prelungire a functiei ff de pe submulţimea nevidă YY pe întreg spațiul metric XX.
3. Problema de care ne vom ocupa în continuare este problema unicității prelungirii în cazul TEOREMEI 2. Problema unicității unor prelungiri de functii a fost tratată şi în alte lucrări. Astfel în lucrările [2] și [3] se studiază unicitatea prelungirii în cazul Teoremei lui hahn-banach. Fie Y sube XY \subseteq X. Notăm
(5)
Evident, Y^(_|_)Y^{\perp} este un subspatiu liniar al lui X_(0)^(#)X_{0}^{\#}.
De asemeni notăm
(6)
i n f_(g inY^(_|_))||f-g||_(X)=d(f,Y^(_|_))\inf _{g \in Y^{\perp}}\|f-g\|_{X}=d\left(f, Y^{\perp}\right)
pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} şi
{:(7)i n f_(y in Y)d(x","y)=d(x","Y):}\begin{equation*}
\inf _{y \in Y} d(x, y)=d(x, Y) \tag{7}
\end{equation*}
pentru orice x in Xx \in X.
lema 1. Fie Y sube XY \subseteq X cu o in Yo \in Y. Atunci are loc pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#}, următoarea egalitate
(8)
||f||_(Y)=d(f,Y _|_)\|f\|_{Y}=d(f, Y \perp)
Demonstratic. Fie f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#}. Pentru orice g inY^(_|_)g \in Y^{\perp} avem
{:[||f||_(Y)=s u p_({:[x!=y],[x","y in Y]:})(|f(x)-f(y)|)/(d(x,y))=s u p_({:[x!=y],[x","y in Y]:})(|(f-g)(x)-(f-g)(y)|)/(d(x,y)) <= ],[ <= s u p_({:[x!=y],[x","y in X]:})(|(f-g)(x)-(f-g)(y)|)/(d(x,y))=||f-g||_(X).]:}\begin{aligned}
\|f\|_{Y}= & \sup _{\substack{x \neq y \\
x, y \in Y}} \frac{|f(x)-f(y)|}{d(x, y)}=\sup _{\substack{x \neq y \\
x, y \in Y}} \frac{|(f-g)(x)-(f-g)(y)|}{d(x, y)} \leqslant \\
& \leqslant \sup _{\substack{x \neq y \\
x, y \in X}} \frac{|(f-g)(x)-(f-g)(y)|}{d(x, y)}=\|f-g\|_{X} .
\end{aligned}
De aici deducem
(9)
||f||_(Y) <= d(f,Y _|_)\|f\|_{Y} \leqslant d(f, Y \perp)
Pe de altă parte, pentru ff există, în baza teoremei 2, o funcţie F inX_(0)^(#)F \in X_{0}^{\#} astfel ca F|_(Y)=f|_(Y)\left.F\right|_{Y}=\left.f\right|_{Y} sid ||F||_(X)=||f||_(Y^('))\|F\|_{X}=\|f\|_{Y^{\prime}} deci f-F in Y _|_f-F \in Y \perp. Atunci ||f||_(Y)==||f-(f-F)||_(X) >= i n f||f-g||_(X)=d(f,Y _|_)\|f\|_{Y}= =\|f-(f-F)\|_{X} \geqslant \inf \|f-g\|_{X}=d(f, Y \perp).
g inY^(_|_)g \in Y^{\perp}
De aici deducem
(10)
||f||_(Y) >= d(f,Y _|_)\|f\|_{Y} \geqslant d(f, Y \perp)
Din (9) şi (10) rezultă (8).
Definiția 1. Un subspațiu liniar GG al lui X_(0)^(#)X_{0}^{\#} se numeşte cebîşevian, dacă pentru orice f inX_(0)^(#)\\Gf \in X_{0}^{\#} \backslash G există un singur element g_(0)in Gg_{0} \in G astfel încît i n f_(s in C)||f-g||_(X)=||f-g_(0)||_(X)\inf _{s \in C}\|f-g\|_{X}=\left\|f-g_{0}\right\|_{X}. g in Gg \in G
lema 2. Fie Y sube XY \subseteq X cu o in Yo \in Y. Atunci următoarele afirmaţii sînt echivalente: 1^(@)Y _|_1^{\circ} Y \perp este cebîşevian 2^(@)2^{\circ} Oricare ar fi f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#}, există un singur F inX_(0)^(#)F \in X_{0}^{\#} cu F|_(Y)=f|_(Y)\left.F\right|_{Y}=\left.f\right|_{Y} şi ||F||_(X)=||f||_(Y)\|F\|_{X}=\|f\|_{Y}.
Demonstratie. Demonstrafia este analogă cu cea a teoremei 1.1 din lucrarea [3]. 1^(@)=>2^(@)1^{\circ} \Rightarrow 2^{\circ}. Să presupunem că 2^(@)2^{\circ} nu are loc, adică există f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} şi F_(1),F_(2)dinX_(0)^(#),F_(1)!=F_(2)F_{1}, F_{2} \operatorname{din} X_{0}^{\#}, F_{1} \neq F_{2} cu f|_(Y)=F_(1)|_(Y)=F_(2)|_(Y)\left.f\right|_{Y}=\left.F_{1}\right|_{Y}=\left.F_{2}\right|_{Y} și ||f||_(Y)=||F_(1)||_(X)=||F_(2)||_(X)\|f\|_{Y}=\left\|F_{1}\right\|_{X}=\left\|F_{2}\right\|_{X}, Atunci F_(1)-F_(2)in Y _|_F_{1}-F_{2} \in Y \perp si ||F_(1)||_(X)=||F_(1)-(F_(1)-F_(2))||_(X)=d(F_(1),Y _|_)=||F_(1)||_(Y)==||f||_(Y)=||F_(1)||_(X)\left\|F_{1}\right\|_{X}=\left\|F_{1}-\left(F_{1}-F_{2}\right)\right\|_{X}=d\left(F_{1}, Y \perp\right)=\left\|F_{1}\right\|_{Y}= =\|f\|_{Y}=\left\|F_{1}\right\|_{X}. De aici deducem că
||F_(1)||_(X)=||F_(1)-(F_(1)-F_(2))||_(X)=d(F_(1),Y _|_),\left\|F_{1}\right\|_{X}=\left\|F_{1}-\left(F_{1}-F_{2}\right)\right\|_{X}=d\left(F_{1}, Y \perp\right),
adică F_(1)F_{1} are două cele mai bune aproximante, pe Phi\Phi și F_(1)-F_(2)F_{1}-F_{2}, ceea ce contrazice faptul că Y _|_Y \perp este cebîşevian. 2^(@)=>1^(@)2^{\circ} \Rightarrow 1^{\circ}. Mai întîi observăm că Y _|_Y \perp este proximinal, adică pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} există cel puţin un g inY^(_|_)g \in Y^{\perp} astfel încît infimumul din formula (6) să fie atins.
Intr-adevăr, conform teoremei 2 și lemei 1, pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#}. există F in XF \in X astfel ca
||f-(f-F)||_(X)=||f||_(Y)=d(f,Y _|_).\|f-(f-F)\|_{X}=\|f\|_{Y}=d(f, Y \perp) .
Să presupunem acum că Y _|_Y \perp nu este cebîşevian. Atunci există f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} şi există g_(1),g_(2)in Y _|_,g_(1)!=g_(2)g_{1}, g_{2} \in Y \perp, g_{1} \neq g_{2} astfel încît să avem ||f-g_(1)||_(X)=||f-g_(2)||_(X)==d(f,Y _|_)\left\|f-g_{1}\right\|_{X}=\left\|f-g_{2}\right\|_{X}= =d(f, Y \perp). Tinînd seama de Lema 1 şi de faptul că (f-g_(1))|_(Y)=(f-g_(2))|_(Y)=f|_(Y)\left.\left(f-g_{1}\right)\right|_{Y}=\left.\left(f-g_{2}\right)\right|_{Y}=\left.f\right|_{Y} rezultă atunci că prelungirea lui ff nu este unică.
4. corolarul 1. Fie Y sube X quad cu quad o in YY \subseteq X \quad c u \quad o \in Y. Dacă Y _|_Y \perp este cebîşevian atunci pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} are loc egalitatea
(11) quads u p_(y in Y)[f(y)-||f||_(Y)*d(x,y)]=i n f_(y in Y)[f(y)+||f||_(Y)*d(x,y)]\quad \sup _{y \in Y}\left[f(y)-\|f\|_{Y} \cdot d(x, y)\right]=\inf _{y \in Y}\left[f(y)+\|f\|_{Y} \cdot d(x, y)\right],
oricare ar fi x in Xx \in X.
Demonstratie. În lucrarea [1] se arată că, fiind dată o funcţie f inX^(#)f \in X^{\#}, functiile
{:[F_(1)(x)=i n f_(y in Y)[f(y)+K_(Y)(f)d(x,y)]","],[F_(2)(x)=s u p_(y in Y)[f(y)-K_(Y)(f)d(x,y)].]:}\begin{aligned}
& F_{1}(x)=\inf _{y \in Y}\left[f(y)+K_{Y}(f) d(x, y)\right], \\
& F_{2}(x)=\sup _{y \in Y}\left[f(y)-K_{Y}(f) d(x, y)\right] .
\end{aligned}
sînt prelungiri ale lui ff. In particular, dacă f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#}, atunci aceste două prelungiti se scriu
{:[F_(1)(x)=i n f_(y in Y)[f(y)+||f||_(Y)*d(x,y)]],[(12)F_(2)(x)=s u p_(y in Y)[f(y)-||f||_(Y)*d(x,y)].]:}\begin{align*}
& F_{1}(x)=\inf _{y \in Y}\left[f(y)+\|f\|_{Y} \cdot d(x, y)\right] \\
& F_{2}(x)=\sup _{y \in Y}\left[f(y)-\|f\|_{Y} \cdot d(x, y)\right] . \tag{12}
\end{align*}
In baza lemei 2 are loc relatia (11).
corolarux, 2. Fie Y sube XY \subseteq X cu o in Yo \in Y. Dacă Y _|_Y \perp este cebîşevian, atunci oricare ar fi f inX_(0)^(#),f!=Phif \in X_{0}^{\#}, f \neq \Phi şi oricare ar fi quad x in Xf i \quad x \in X are loc inegalitatea
{:(13)d(x","Y) <= (s u p_(y in Y)f(y)-i n f_(y in Y)f(y))/(2||f||_(Y)).:}\begin{equation*}
d(x, Y) \leqq \frac{\sup _{y \in Y} f(y)-\inf _{y \in Y} f(y)}{2\|f\|_{Y}} . \tag{13}
\end{equation*}
Demonstratie. Avem
s u p_(y in Y)[f(y)-||f||_(Y)d(x,y)] <= s u p_(y in X)f(y)-||f||_(Y)i n f_(y in Y)d(x,y)\sup _{y \in Y}\left[f(y)-\|f\|_{Y} d(x, y)\right] \leqq \sup _{y \in X} f(y)-\|f\|_{Y} \inf _{y \in Y} d(x, y)
şi
i n f_(y in Y)[f(y)+||f||_(Y)d(x,y)] >= _(y in Y)i n f_(y in Y)f(y)+||f||_(Y)i n f_(y in Y)d(x,y).\inf _{y \in Y}\left[f(y)+\|f\|_{Y} d(x, y)\right] \geq_{y \in Y} \inf _{y \in Y} f(y)+\|f\|_{Y} \inf _{y \in Y} d(x, y) .
Avînd în vedere egalităţile (7) şi (11) rezultă (13).
5. Definiția 2. Spunem că o submultime Y sube XY \subseteq X are proprietatea CC dacă ea are cel puțin un punct de acumulare şi contine pe o in Xo \in X.
corolarul 3. Dacă Y sube XY \subseteq X are proprietatea CC şi Y _|_Y \perp este cebîşevian, atunci bar(Y)=X\bar{Y}=X.
Demonstratie. Fie x_(0)in Xx_{0} \in X un punct de acumulare al lui YY. Atunci există un şir ( x_(n)x_{n} ) de puncte din YY, convergent către x_(0)x_{0} şi cu x_(n)=(1)/(1)x_(0)x_{n}=\frac{1}{1} x_{0} pentru orice n in Nn \in N. Definim functia f:X rarr Rf: X \rightarrow R prin
Putem presupune de la început că pentru toți n in Nn \in N avem f(x_(n)) < 0f\left(x_{n}\right)<0; în caz contrar găsim n_(0)in Nn_{0} \in N astfel ca pentru toţi n > n_(0)n>n_{0} să avem f(x_(n)) < 0f\left(x_{n}\right)<0.
Fie varphi_(n):R rarr[0,1]\varphi_{n}: R \rightarrow[0,1] dată de
Pentru fiecare n in Nn \in N, funcţia varphi_(n)\varphi_{n} este lipschitziană pe XX şi varphi_(n)(0)=0\varphi_{n}(0)=0 deci varphi_(n)inX_(0)^(#)\varphi_{n} \in X_{0}^{\#}. Avem
Pe de altă parte, conform COROLARULUI 2 are loc inegalitatea
d(x,Y) <= (s u p_(y in Y)varphi_(n)(y)-i n f_(y in Y)varphi_(n)(y))/(2||varphi_(n)||_(Y))=(1)/(2||varphi_(n)||_(Y))d(x, Y) \leqq \frac{\sup _{y \in Y} \varphi_{n}(y)-\inf _{y \in Y} \varphi_{n}(y)}{2\left\|\varphi_{n}\right\|_{Y}}=\frac{1}{2\left\|\varphi_{n}\right\|_{Y}}
pentru orice n in Nn \in N. În baza relației (15) rezultă că
pentru orice n in Nn \in N și pentru orice x in Xx \in X. Trecînd la limită găsim d(x,Y)=0d(x, Y)=0 pentru orice x in Xx \in X. Deci X sube YX \subseteq Y. Deoarece bar(Y)sube X\bar{Y} \subseteq X rezultă că bar(Y)=X\bar{Y}=X.
teorema 3. Fie Y sube XY \subseteq X cu o in Y\in Y. Pentru ca pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} să existe o singură prelungire F inX_(0)^(#)F \in X_{0}^{\#} cu proprietățile a) şi b) din TEOREMA 2 este suficient, iar dacă YY are PROPRIETATEA CC și necesar ca Y^(˙)⊥={Phi}\dot{Y} \perp=\{\Phi\}, sau, echivalent bar(Y)=X\bar{Y}=X.
Demonstratie. Necesitate. Să presupunem că prelungirea oricărui f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} în sensul teoremei 2 este unică. Atunci, conform lamei 2, Y _|_Y \perp este cebîșevian. Dacă YY are propriétatea C , conform COROLARUl, 3 avem bar(Y)=X\bar{Y}=X sau, echivalent Y⊥={Phi}Y \perp=\{\Phi\}.
Suficiența. Să presupunem că bar(Y)=X\bar{Y}=X. Fie f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#}. Functia ff fiind lipschitziană, ea este uniform continuă şi o putem prelungi în mod unic
de pe YY pe bar(Y)\bar{Y} prin uniform continuitate. Fie FF această prelungire a lui ff pe bar(Y)=X\bar{Y}=X. Este un fapt banal că ||F||_(X)=||f||_(Y)\|F\|_{X}=\|f\|_{Y}.
teorema 4. Fie Y sube XY \subseteq X cu o in Y\in Y. Dacă pentru orice f inX_(0)^(#)f \in X_{0}^{\#} există unic F inX_(0)^(#)F \in X_{0}^{\#} astfel ca F|_(Y)=f|_(Y)\left.F\right|_{Y}=\left.f\right|_{Y} si ||F||_(X)=||f||_(Y)\|F\|_{X}=\|f\|_{Y}, atunci pentru orice h inX^(#)h \in X^{\#} există unic H inX^(#)H \in X^{\#} astfel ca H|_(Y)=h|_(Y)\left.H\right|_{Y}=\left.h\right|_{Y} şi K_(X)(H)=K_(Y)(h)K_{X}(H)=K_{Y}(h).
Demonstrație. Să presupunem că există h inX^(#)h \in X^{\#} astfel încît H_(1)H_{1} și H_(2)H_{2}, H_(1)=H_(2)H_{1}=H_{2} din X^(#)X^{\#} să fie prelungiti ale lui hh în sensul teoremen 1. Atunci functiile H_(1)-h(o)H_{1}-h(\mathrm{o}) şi H_(2)-h(o)H_{2}-h(\mathrm{o}) sînt prelungiri ale lui h-h(o)inX_(0)^(#)h-h(\mathrm{o}) \in X_{0}^{\#}. Cum prelungirea lui h-h(0)h-h(0) este unică, rezultă că H_(1)-h(0)=H_(2)-h(0)H_{1}-h(0)=H_{2}-h(0) pe XX, adică H_(1)=H_(2)H_{1}=H_{2} pe XX.
În consecință rezultă că afirmațiile teoremei 3 rămîn valabile și pentru funcțiile din X^(#)X^{\#}, cînd prelungirea unui f inX^(#)f \in X^{\#} se face de pe YY 曰o pe XX.
ON THE CHEBYSHEV SUBSPACES OF THE SPACES
OF REAL-VALUED LIPSCHITZ FUNCTIONS
SUMMARY
In this paper is shown that the subspace {Phi}\{\Phi\} ( Phi\Phi is the zero function on XX ) is the only Chebyshev subspace of the form Y _|_Y \perp of the space X_(0)^(#)X_{0}^{\#} of the real-valued Lipschitz functions defined on the metric space XX, if the subset Y sub XY \subset X has a cluster point.
BIBIIOGRAFIE
[1] Czipser J. şi Gehér L., Extension of functions satisfiyng a Lipschitz condition, Acta [2][2] K Math. Acad. Sci. Hungar 6, 213-220 (1955)
[2] Kolumban I. Ob edinstvenosti prodoljenia lineinih functionalov, Mathematica, Cluj, [3] 4 (27), 267-270 (1962).
[3] Phelps R. P., Uniqueness of Hanh-Banach extension and unique best approvimation, Trans. Amer. Math. Soc. 95, 238-255, (1960).
Primit ka 27. X. 1972.
Institutul de Calcul din Cluj
al Academiei Republicii Socialiste România
Ảici {Phi}\{\Phi\} este subspațiul format din functia identic nulă pe X\mathbf{X},