泛函分析试题四

泛函分析期末考试题库及答案一、选择题（每题5分，共20分）1. 以下哪个概念不是泛函分析中的基本概念？A. 线性空间B. 拓扑空间C. 度量空间D. 向量空间答案： D2. 一个线性算子是连续的，当且仅当：A. 它是有界的B. 它的逆算子存在C. 它在定义域上处处定义D. 它在值域上处处定义答案： A3. 一个线性泛函在定义域上的连续性意味着：A. 它在定义域上处处定义B. 它在定义域上处处连续C. 它在定义域上处处可微D. 它在定义域上处处可导答案： B4. 希尔伯特空间中的一个向量是：A. 有限维的B. 可数维的C. 可测的D. 完备的答案： D二、填空题（每题5分，共20分）1. 一个线性算子的核是指所有使得算子映射为零向量的向量集合，用符号表示为______。

答案： Ker(T)2. 一个线性算子的值域是指所有可能的像的集合，用符号表示为______。

答案： Im(T)3. 一个线性空间是完备的，如果它是在某种______下的完备度量空间。

答案：范数4. 一个线性泛函在定义域上的连续性等价于它在定义域上的______。

答案：有界性三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述什么是紧性以及在泛函分析中的重要性。

答案：紧性是指一个拓扑空间中任意开覆盖都存在有限子覆盖的性质。

在泛函分析中，紧性保证了某些函数类（如连续函数）在紧集上的极值存在性，这对于证明某些存在性定理和优化问题至关重要。

2. 解释什么是线性泛函的弱收敛性，并给出一个例子。

答案：线性泛函的弱收敛性是指对于定义域中的每一个向量，线性泛函在该向量上的值收敛。

例如，考虑在L^2空间上的线性泛函，如果一个函数序列在L^2空间中弱收敛于某个函数，那么对于每一个连续线性泛函，该泛函在函数序列上的值序列收敛于该泛函在极限函数上的值。

3. 描述什么是Riesz表示定理，并说明其在泛函分析中的应用。

答案： Riesz表示定理指出，在希尔伯特空间中，每一个连续线性泛函都可以由一个唯一的向量表示。

泛函分析考试题型及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 设函数空间E为所有连续函数的集合，定义泛函F(u)=∫₀¹u(x)dx，则F(u)是线性的。

A. 正确B. 错误答案：A2. 每一个线性泛函都可以表示为一个内积。

A. 正确B. 错误答案：B3. 泛函分析中的“泛函”一词指的是函数的函数。

A. 正确B. 错误答案：A4. 弱收敛和强收敛是等价的。

A. 正确B. 错误答案：B5. 紧算子总是有界算子。

A. 正确B. 错误答案：A6. 每一个闭算子都是有界的。

A. 正确B. 错误答案：B7. 每一个有界线性算子都是紧算子。

A. 正确B. 错误答案：B8. 每一个线性泛函都可以用Riesz表示定理表示。

A. 正确B. 错误答案：A9. 每一个线性算子都可以分解为一个紧算子和一个有界算子的和。

A. 正确B. 错误答案：B10. 每一个线性算子都可以分解为一个有界算子和一个紧算子的和。

A. 正确B. 错误答案：A二、填空题（每题3分，共15分）1. 设X是赋范线性空间，如果对于X中的每一个序列{x_n}，都有‖x_n‖→0当且仅当x_n→0，则称X是______空间。

答案：完备2. 设T是线性算子，如果T(X)是X的闭子空间，则称T是______算子。

答案：闭3. 设E是Hilbert空间，如果对于每一个x∈E，都有∥Tx∥≥∥x∥，则称T是______算子。

答案：正4. 设E是Banach空间，如果对于每一个序列{x_n}⊂E，都有∑‖x_n‖<∞当且仅当∑x_n收敛，则称E是______空间。

答案：自反5. 设E是线性空间，如果对于每一个序列{x_n}⊂E，都有∑x_n收敛当且仅当∑‖x_n‖<∞，则称E是______空间。

答案：序列完备三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述Hahn-Banach定理的内容。

答案：Hahn-Banach定理指出，如果X是一个赋范线性空间，p是X 的一个线性子空间，f是p上的一个线性泛函，并且存在一个常数M使得对于所有x∈p，有|f(x)|≤M‖x‖，则存在X上的一个线性泛函F，使得F|p=f，并且对于所有x∈X，有|F(x)|≤M‖x‖。

泛函分析期末试题及答案一、选择题1. 下列哪个不是泛函分析的主要研究对象？A. 函数空间B. 向量空间C. 线性映射D. 点集答案：D2. 泛函是指将一个向量空间的元素映射到一个标量的函数。

以下哪个选项是泛函的定义？A. 函数空间B. 向量空间C. 线性映射D. 函数空间的对偶空间答案：C3. 在泛函分析中，范数是一种度量向量空间中向量大小的方法。

以下哪个选项是范数的定义？A. 函数空间B. 向量空间C. 线性映射D. 函数空间的对偶范数答案：B4. 下列哪个不是泛函分析中的基本定理？A. 嵌入定理B. 开铃定理C. Hahn-Banach定理D. Banach-Steinhaus定理答案：B5. 泛函分析中的内积是指满足一定条件的映射。

以下哪个选项是内积的定义？A. 函数空间B. 向量空间C. 线性映射D. 内积空间答案：D二、填空题1. 完成下列范数的定义：范数是一个实值函数，对于一个向量空间中的向量x，满足以下三个性质：(1) 正定性：||x|| ≥ 0，且当且仅当x=0时，||x|| = 0；(2) 齐次性：对于任意实数a，||ax|| = |a| · ||x||；(3) 三角不等式：对于任意两个向量x和y，||x+y|| ≤ ||x|| + ||y||。

2. 填写完整的Hahn-Banach定理的表述：设X是一个实或复数的线性空间，Y是X的一个线性子空间，f是定义在Y上的线性泛函，对于所有的y∈Y，有f(y) ≤ p(y)，其中p是X上的一个次线性泛函，且满足p(y) ≤ p(x)对所有的x∈X成立，则存在一个定义在整个X上的线性泛函F，满足F(x) ≤ p(x)对所有的x∈X成立，并且在Y上，F和f的限制是相等的。

三、计算题1. 对于给定的函数空间C[0,1]，计算函数f(x) = x^2在C[0,1]上的范数。

解答：根据范数的定义，范数是一个实值函数，对于一个向量空间中的向量x，满足以下三个性质：(1) 正定性：||x|| ≥ 0，且当且仅当x=0时，||x|| = 0；(2) 齐次性：对于任意实数a，||ax|| = |a| · ||x||；(3) 三角不等式：对于任意两个向量x和y，||x+y|| ≤ ||x|| + ||y||。

一、（10分）设(,)d x y 为空间X 上的距离。

证明(,)(,)1(,)d x y d x y d x y =+ 也是X 上的距离。

1、 求证 为 空间。

（其中 为 空间, 为 空间）2、 S 是由一切序列 组成的集合, 在S 中定义距离为3、 , 求证S 是一个完备的距离空间。

4、 Hilbert 空间X 中的正交投影算子为线性有界算子。

5、 附加题开映射定理( ) 设 都是 空间, 若 是一个满射, 则 是开映射。

Hahn —Banach 延拓定理( ) 设 是 空间, 是 的线性子空间, 是定义在 上的有界线性泛函, 则在 上必有有界线性泛函 满足：()()()()()()()000012f x f x x X f f =∀∈=延拓条件；保范条件，其中00f 表示0f 在0X 上的范数。

闭图像定理( ) 设 都是 空间, 若 是 的闭线性算子, 并且 是闭的, 则 是连续的。

共鸣定理( ) 设 是 空间, 是 空间, 如果, 那么存在常数 , 使得()A M A W ≤∀∈。

五、（10分）在 上定义内积:（1）如果21(),6f x x x =-+求||||f ； （2）证明任一函数()g x a bx =+都正交于21()6f x x x =-+。

六、（10分）设 为Hilbert 空间 的闭子空间, 证明对每个 必存在唯一的 有0inf y Mx x x y ∈-=- 七、（15分）设 , 求证: 。

八、（15分）简答题1.试说明 与 中函数的差异；一、2.泛函分析也称无穷维分析, 为什么要研究无穷维分析, 试举例说明；3.Hilbert 空间是最接近有限维Euclid 空间的空间，请做简要说明。

二、在 上定义内积 ,若记 为 中奇函数全体, 为 中偶函数全体, 求证： 且。

三、设 为内积空间 中的一个稠密子集, 且 , 证明 。

在 中赋予距离 问 是完备空间吗？ 为什么？设 若 是从 的算子, 计算 若 是从 的算子再求 。

泛函分析期末考试试卷（总分100分） 一、选择题（每个3分，共15分）1、设X 是赋范线性空间，X y x ∈,，T 是X 到X 中的压缩映射，则下列哪个式子成立（ ）.A ．10<<-≤-αα，　y x Ty Tx B.1≥-≤-αα，　y x Ty Tx C.10<<-≥-αα，　y x Ty Tx D.1≥-≥-αα，　y x Ty Tx 2、设X 是线性空间，X y x ∈,，实数x 称为x 的范数,下列哪个条件不是应满足的条件：（ ）.A. 0等价于0且,0==≥x x xB.()数复为任意实,αααx x =C. y x y x +≤+D. y x xy +≤ 3、下列关于度量空间中的点列的说法哪个是错误的（ ）. A ．收敛点列的极限是唯一的 B. 基本点列是收敛点列 C ．基本点列是有界点列 D.收敛点列是有界点列 4、巴拿赫空间X 的子集空间Y 为完备的充要条件是（ ）. A ．集X 是开的 B.集Y 是开的 C.集X 是闭的 D.集Y 是闭的5、设(1)p l p <<+∞的共轭空间为q l ，则有11p q+的值为（ ）.A. 1-B.12 C. 1 D. 12- 二、填空题（每个3分，共15分）1、度量空间中的每一个收敛点列都是（ ）。

2、任何赋范线性空间的共轭空间是（ ）。

3、1l 的共轭空间是（ ）。

4、设X按内积空间<x,y>成为内积空间，则对于X中任意向量x,y 成立不等式（）当且仅当x与y线性相关时不等式等号成立。

5、设T为复希尔伯特空间X上有界线性算子，则T为自伴算子的充要条件是（）。

三、判断题（每个3分，共15分）1、设X是线性赋范空间，X中的单位球是列紧集，则X必为有限维。

( )2、距离空间中的列紧集都是可分的。

( )3、若范数满足平行四边形法则，范数可以诱导内积。

( )4、任何一个Hilbert空间都有正交基。

泛函分析试题及答案一、选择题1. 在泛函分析中，以下哪个概念描述了一个函数对于输入变量的敏感程度？A. 泛函B. 导数C. 凸函数D. 可测函数答案：B. 导数2. 设X和Y是两个Banach空间，f:X→Y是一个线性算子。

以下哪个条件可以保证f是有界线性算子？A. f是可逆的B. f是连续的C. f是紧致的D. f是自共轭的答案：B. f是连续的3. 在泛函分析中，以下哪个概念描述了一个函数在每个点上的局部模式与全局模式之间的一致性？A. 可微性B. 凸性C. 全纯性D. 一致连续性答案：B. 凸性4. 设X和Y是两个赋范空间，f:X→Y是一个线性算子。

以下哪个条件可以保证f是有界线性算子？A. f是单射且存在常数C>0，使得对于所有x∈X都有||f(x)|| ≤C||x||B. 对于每个有界集A ⊂ X，f(A)是有界集C. f是连续的D. f是满射答案：A. f是单射且存在常数C>0，使得对于所有x∈X都有||f(x)|| ≤ C||x||二、填空题1. 在Hilbert空间中，内积运算满足线性性和_____________性。

答案：共轭对称性2. 设X是一个有界完备度量空间，那么X是一个____________空间。

答案：Banach空间3. 在泛函分析中，将一个函数的导数定义为其_____________。

答案：弱导数4. 设X是一个线性空间，D是X上的一个有界线性算子。

如果对于所有x和y都有⟨Dx, y⟩ = ⟨x, Dy⟩，那么D被称为______________。

答案：自伴算子三、解答题1. 请简要说明什么是范数，并给出一些范数的例子。

范数是定义在一个线性空间上的一种函数，用于衡量该空间中的向量的大小。

它满足以下三个性质：- 非负性：对于任意向量x，其范数必须大于等于0，即||x|| ≥ 0，并且当且仅当x为零向量时，范数等于0。

- 齐次性：对于任意向量x和任意实数α，有||αx|| = |α| ||x||，其中|α|表示α的绝对值。

第四章习题第一部分(1-18)1. 在 1中令ρ1(x , y ) = (x - y )2，ρ2(x , y ) = | x - y |1/2，，问ρ1, ρ2是否为 1上的距离？ [解] 显然ρ1, ρ2满足距离空间定义中的非负性和对称性． 但ρ1不满足三角不等式：取点x = -1, y = 0, z = 1，则 ρ1(x , z ) = 4 > 2 = ρ1(x , y ) + ρ1(y , z )，所以ρ1不是 1上的距离。

而∀x , y , z ∈ 1，ρ2(x , y ) =||||2||||||||||y z z x y z z x y z z x y x -⋅-+-+-≤-+-≤-||||)||||(2y z z x y z z x -+-=-+-==ρ2(x , z ) + ρ2(z , y )； 所以ρ2是 1上的距离．2. 设(X , ρ)是距离空间，令ρ1(x , y ) =ny x ),(ρ，∀x , y ∈X ．证明(X , ρ1)也是距离空间．[证明] 显然ρ1满足距离空间定义中的非负性和对称性， 故只需证明ρ1满足三角不等式即可． 实际上∀x , y , z ∈X ，nny z z x y x y x ),(),(),(),(1ρρρρ+≤=nnnn ny z z x n z y x M y z z x )),(),((),,,(),(),(ρρρρ+=++≤),(),(),(),(11y z z x y z z x n n ρρρρ+=+=．3. 设(X , ρ)是距离空间，证明| ρ(x , z ) - ρ(y , z ) | ≤ ρ(x , y )，∀x , y , z ∈X ；| ρ(x , y ) - ρ(z , w ) | ≤ ρ(x , z ) + ρ(y , w )，∀x , y , z , w ∈X ．[证明] ∀x , y , z , w ∈X ，由三角不等式有- ρ(x , y ) ≤ ρ(x , z ) - ρ(y , z ) ≤ ρ(x , y )，故第一个不等式成立． 由第一个不等式可直接推出第二个不等式：| ρ(x , y ) - ρ(z , w ) | ≤ | ρ(x , y ) - ρ(y , z ) | + | ρ(y , z ) - ρ(z , w ) | ≤ ρ(x , z ) + ρ(y , w )．4. 用Cauchy 不等式证明(| ζ1 | + | ζ1 | + ... + | ζn | )2 ≤ n (| ζ1 |2 + | ζ1 |2 + ... + | ζn |2 )． [证明] 在P159中的Cauchy 不等式中令a i = | ζi |，b i = 1，∀i = 1, 2, ..., n 即可．5. 用图形表示C [a , b ]上的S (x 0, 1)． [注] 我不明白此题意义，建议不做．6. 设(X , d )是距离空间，A ⊆ X ，int(A )表示A 的全体内点所组成的集合．证明int(A )是开集．[证明] 若A = ∅，则int(A ) = ∅，结论显然成立． 若A ≠ ∅，则∀x ∈ A ，∃r > 0使得S (x , r ) ⊆ A ．对∀y ∈ S (x , r )，令s = r - d (x , y )，则s > 0，并且S (y , s ) ⊆ S (x , r ) ⊆ A ； 所以y ∈ int(A )．故S (x , r ) ⊆ int(A )，从而int(A )是开集．7. 设(X , d )是距离空间，A ⊆ X ，A ≠ ∅．证明：A 是开集当且仅当A 是开球的并． [证明] 若A 是开球的并，由于开球是开集，所以A 是开集．若A 是开集，∀x ∈A ，存在r (x ) > 0，使得S (x , r (x )) ⊆ A ． 显然A = ⋂x ∈A S (x , r (x ))．8. 举例说明对于一般的距离空间X ，并不是总有),(),(r x S r x S =，∀x ∈X ，r > 0． [例] 设X = {a , b }，定义d : X ⨯ X → 为d (a , a ) = d (b , b ) = 0，d (a , b ) = 1． 则(X , d )是距离空间．当r = 1时，不论x 为a 还是b ，总有),(}{),(r x S X x r x S =≠=．9. 设(X , d )是距离空间，X B A ⊆,．证明：B A B A ⋃=⋃，B A B A ⋂⊆⋂． [证明] 由于A A ⊆，B B ⊆，故B A B A ⋃⊆⋃．由于A 和B 都是闭集，所以B A ⋃也是闭集，所以B A B A ⋃⊆⋃．另一方面，由B A B A ⋃⊆,，得B A B A ⋃⊆,，所以B A B A ⋃⊆⋃； 这样就证明了第一个等式．由B A B A ,⊆⋂得B A B A ,⊆⋂，所以B A B A ⋂⊆⋂。

泛函分析考研试题及答案一、选择题（每题5分，共20分）1. 以下哪个选项是泛函分析中线性算子的定义？A. 定义在函数空间上的映射B. 满足加法和乘法封闭性的映射C. 满足加法和乘法封闭性的线性映射D. 定义在向量空间上的映射答案：C2. 泛函分析中，紧性的定义是什么？A. 任意序列都有收敛子序列B. 任意序列都有收敛子序列，且收敛到该空间中的点C. 任意开覆盖都有有限子覆盖D. 任意闭集都是紧致的答案：B3. 下列哪个定理是泛函分析中关于线性算子的基本定理？A. 泰勒定理B. 格林定理C. 霍德尔定理D. 里斯表示定理答案：D4. 在泛函分析中，下列哪个概念用于描述空间的完备性？A. 可分性B. 完备性C. 紧性D. 连续性答案：B二、填空题（每题5分，共20分）1. 定义在函数空间上的线性算子，如果满足______，则称其为有界算子。

答案：对于任意的x，存在常数M，使得||Tx||≤M||x||2. 希尔伯特空间中的Riesz表示定理表明，对于任意的线性泛函f，存在唯一的向量______，使得f(x)=<x,y>。

答案：y3. 线性算子的谱定义为使得______的λ的集合。

答案：(A-λI)^{-1}不存在4. 紧算子的一个重要性质是其谱中只有______点。

答案：0三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述泛函分析中弱收敛和强收敛的区别。

答案：弱收敛是指序列的泛函极限存在，即对于任意的连续线性泛函f，序列的泛函极限存在。

强收敛则要求序列在原空间中收敛，即存在极限点。

2. 请解释什么是Banach空间。

答案：Banach空间是完备的赋范线性空间，即对于空间中的任意柯西序列，都存在极限点在该空间中。

3. 什么是紧算子？请举例说明。

答案：紧算子是将任意有界集映射为相对紧集的线性算子。

例如，定义在L^2空间上的卷积算子就是紧算子。

四、计算题（每题15分，共30分）1. 设线性算子A: L^2[0,1]→L^2[0,1]定义为(Af)(x)=∫₀¹f(t)dt，求A的谱。

泛函分析考试题型及答案
1. 单项选择题
(1) 泛函分析中，Banach空间的定义是：
A. 完备的赋范线性空间
B. 完备的有界线性空间
C. 完备的线性空间
D. 有界线性空间
答案：A
2. 填空题
(2) 在泛函分析中，如果线性算子T:X→Y是连续的，则称T为
________。

答案：有界线性算子
3. 计算题
(3) 设线性算子T:ℝ^n→ℝ^m，且T是连续的。

证明：如果T是单射的，则T是开映射。

答案：证明略。

4. 简答题
(4) 简述Hahn-Banach定理的内容。

答案：Hahn-Banach定理指出，如果p是实数域上的线性泛函，定义在向量空间X的一个子空间M上，并且存在常数c>0使得对于所有x∈M，有|p(x)|≤c‖x‖，那么存在X上的线性泛函P，使得对于所有x∈M，P(x)=p(x)，并且对于所有x∈X，有|P(x)|≤c‖x‖。

5. 论述题
(5) 论述闭图定理及其在泛函分析中的应用。

答案：闭图定理是泛函分析中的一个重要定理，它指出如果T:X→Y 是一个线性算子，并且T的图是X×Y中的闭集，则T是连续的。

这个
定理在研究线性算子的连续性时非常有用，因为它提供了一个判断线
性算子连续性的几何方法。

在泛函分析中，闭图定理可以用来证明一
些算子的连续性，或者在研究算子的紧性、有界性等性质时作为工具。

6. 证明题
(6) 证明：如果X和Y是Banach空间，T:X→Y是一个有界线性算子，那么T的值域是闭的当且仅当T*:Y*→X*是满射的。

答案：证明略。

泛函分析期末考试题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 泛函分析中，下列哪个概念不是线性空间？A. 所有实数构成的集合B. 所有连续函数构成的集合C. 所有有界线性算子构成的集合D. 所有可测函数构成的集合答案：D2. 在Banach空间中，下列哪个性质是定义所必需的？A. 完备性B. 线性C. 有界性D. 连续性答案：A3. 希尔伯特空间中的内积满足哪些性质？A. 线性、对称性和正定性B. 线性、反对称性和正定性C. 线性、对称性和反对称性D. 反对称性、正定性和有界性答案：A4. 下列哪个定理是泛函分析中的闭图定理？A. Hahn-Banach定理B. Tychonoff定理C. Banach-Steinhaus定理D. Riesz表示定理答案：C5. 线性算子的有界性是指什么？A. 算子的值域是有界的B. 算子的核是有界的C. 算子的值域是完备的D. 算子的范数是有限的答案：D6. 在泛函分析中，紧算子的定义是什么？A. 算子的值域是紧集B. 算子的核是紧集C. 算子的值域是有限维的D. 算子是连续的且有界答案：A7. 下列哪个概念是泛函分析中对偶空间？A. 线性空间B. 赋范线性空间C. 线性算子D. 线性泛函构成的空间答案：D8. 在泛函分析中，弱收敛和强收敛的区别是什么？A. 弱收敛涉及内积，强收敛涉及范数B. 弱收敛涉及范数，强收敛涉及内积C. 弱收敛和强收敛是等价的D. 弱收敛和强收敛都是线性的答案：A9. 泛函分析中的单位圆盘是指什么？A. 所有模长小于1的复数构成的集合B. 所有模长等于1的复数构成的集合C. 所有模长大于1的复数构成的集合D. 所有实部大于1的复数构成的集合答案：B10. 泛函分析中，下列哪个定理是关于线性泛函的表示？A. Riesz表示定理B. Riesz-Fischer定理C. Riesz-Thorin插值定理D. Riesz-Szegö不等式答案：A二、填空题（每题2分，共20分）1. 在泛函分析中，如果一个线性算子是单射的，那么它的核是________。

曹广福版实变函数与泛函分析第四章答案第四章习题参考解答1．设)(x f 是E 上的可积函数，如果对于E 上的任意可测子集A ，有0)(=?dx x f A ，试证：)(x f ，].[.E e a证明：因为}1)(|{}0)(|{1k x f x E x f x E k ≥=≠∞= ，而N k ∈?，}1)(|{kx f x E ≥}1)(|{}1)(|{k x f x E k x f x E -≤≥= .由已知，=+=-≤≥≥kx f x E kx f x E kx f x E dx x f dx x f dx x f 1)(|{1)(|{1|)(|{)()()(000=+.又因为0}1)(|{11)(0}1)(|{}1)(|{≥≥=≥=≥≥??kx f x mE k dx k dx x f kx f x E kx f x E ， 0}1)(|{1)1()(0}1)(|{}1)(|{≤-≤-=-≤=≥≥??k x f x mE k dx k dx x f kx f x E kx f x E所以，0}1)(|{}1)(|{=-≤=≥k x f x mE k x f x mE .故,0}1)(|{}1)(|{}1|)(|{=-≤+≥=≥kx f x mE k x f x mE k x f x mE ,从而00}1|)(|{}1|)(|{[}0)(|{111==≥≤≥=≠∑∑∞=∞=∞=k k k k x f x mE k x f x E m x f x mE .即，0)(=x f ，].[.E e a .2.设f ，g 都是E 上的非负可测函数，并且对任意常数a ，都有})(|{})(|{a x g x mE a x f x mE ≥=≥，试证：)()(x g x f =，从而，=?dx x f E )(dx x g E)(.证明：我们证f，g 是同一个简单函数序列∞=1){m m ψ的极限函数.N m ∈?及12,,1,0-=m m k ，令}21)(2|{,mm k m k x f k x E E +≤≤=，并且})(|{2,m x f x E E m m m ≥=.则k m E ,是互不相交的可测集，并且k m m k E E m ,21== ，定义简单函数∑==mk m m k E m m x kx 20)(2)(,χψ. 下面证明：)()(lim x f x m m =∞→ψ，E x ∈.E x ∈?0,若+∞=)(0x f ，则N m ∈?，m m m E x 2,0∈，所以)()(0∞→∞→=m m x m ψ，即)()(lim 00x f x m n =∞→ψ；若+∞<)(0x f ，则可取正整数)(00x f m >，0m m ≥?时, }21)(2|{})(0|{1210m m m k k x f k x E m x f x E x m +<≤=<≤∈-= .故，存在)120(-≤≤mm k k ，}21)(2|{0m m k x f k x E x +<≤∈.即，m m k x f k 21)(20+<≤，m m k E m m kx k x mk m 2)(2)(20,==∑=χψ.所以，0212212)()()(|)()(|00000→=-+<-=-=-m m m m m m k k k x f x x f x x f ψψ，从而，)()(lim 00x f x m n =∞→ψ.同理，N m ∈?，定义简单函数列==mkm m k E m m x kx 20)(2)(*,χψ，其中：}21)(2|{*,m m k m k x g k x E E +<≤=，12,,1,0-=m m k .})(|{*,m x g x E E k m ≥=.同上一样可证明：)()(li m 0x g x m n =∞→ψ，E x ∈.因为R a '∈?，有})(|{})(|{a x g x mE a x f x mE≥=≥.故R a '∈?，})(|{b x f a x mE <≤})(|{b x g a x mE <≤=.从而，)120(-≤≤?mm k k ，有k m m m m m k m mE k x g k x mE k x f k x mE mE ,*,}21)(2|{}21)(2|{=+<≤=+<≤=m m m m m m mE m x g x mE m x f x mE mE 2,*2,})(|{})(|{=≥=≥=.即，N m ∈?，=)(x m ψ)(x m ?.因此)()(lim )(lim )(x g x x x f m m m m ===∞→∞→?ψ.3.若=为有理数，当为无理数，当x x x x x f 31)(，计算?1,0[)(dx x f .解：设x x E |]1,0[{0∈=为有理数}，01]1,0[E E -=，则+=1)()(]1,0[E dx x f dx x f]1,0[)(dx x f ?+==111E EE dx xdx xdx x=+==1111E E E dx xdx xdx x2]2[11101]1,0[====x dx xdx x.4.设21,,E E 是]1,0[中n 个可测集，若]1,0[内每一点至少属于n 个集中的q个集，证明：21,,E E 中至少有一个测度不小于nq.证：令∑==ni E x x f i1)()(χ，其中i E χ为i E 上的特征函数]1,0[∈?x ，有q x x f ni E i ≥=∑=1)()(χ，所以q qdx dx x f =≥??]1,0]1,0[)(.∑∑?∑∑??========≤n i ni i E n i E n i E mE dx x dx x dx x f q i i 11111,0]1,0[]1,0[)()()(χχ.如果每个n q mE i <，则∑∑===?=>n i n i i q n qn n q mE 11.这与∑=≤ni i mE q 1矛盾.从而，)1(n i i ≤≤?使得nqmE i ≥. 5.设f ，g 都是E 上的可积函数，试证明：22g f+也是E 上可积函数.证明：（1）先证：设)(x f 与)(x F 都是E 上的可测函数且)()(0x F x f ≤≤ ].[.E e a ，若)(x F 在E 可积，则)(x f 在E 可积.事实上，N m l ∈?,，因为)()(0x F x f ≤≤ ].[.E e a ，故l l x F x f )}({)}({0≤≤，即+∞<≤≤≤EE llE ldx x f dx x F dx x F dx x f mm)()}({)}({)}({，其中：m m S E E =，}||||{∞<=x x S m .从而∞=?1})}({{l l E dx x F m是单调递增有上界?Edx x F )(的数列，故：≤=∞→EE ll E dx x F dx x f dx x f mm)()}({lim )(.又因为?∞=mE m dx x f 1})({单调递增有上界，所以?∞→mE l dx x f )(lim存在，并且+∞<≤=∞→EE ll Edx x F dx x f dx x f m)()}({lim )(，即?∞→∞→mE ll m dx x f )}({lim lim+∞<≤?dx x f E)(.所以)(x f 在E 可积.（2）再证：22g f+在E 上可积.事实上，因为f ，g 在E 上可积，所以||f 与||g 在E 上可积，从而||f +||g 在E 上可积. 又因为||||22g f g f+≤+，由（1）。

泛函分析试题及答案一、单项选择题（每题5分，共20分）1. 在泛函分析中，下列哪个概念不是线性空间的公理之一？A. 封闭性B. 加法结合律C. 交换律D. 分配律答案：A2. 一个线性泛函在定义域内是连续的，那么它在定义域内也是：A. 有界的B. 无界的C. 可微的D. 可导的答案：A3. 紧算子一定是：A. 有界算子B. 单射算子C. 满射算子D. 可逆算子答案：A4. 希尔伯特空间中，下列哪个性质不是正交性的定义？A. 正交向量的长度不为零B. 正交向量的内积为零C. 正交向量的数量可以是无限的D. 正交向量在同一个空间中答案：C二、简答题（每题10分，共20分）1. 请简述什么是巴拿赫空间，并给出一个例子。

答案：巴拿赫空间是完备的赋范线性空间，即在该空间中，任何柯西序列都收敛于该空间中的一个点。

一个典型的例子是所有连续函数构成的空间，赋予最大范数。

2. 什么是紧算子？请解释其性质。

答案：紧算子是定义在巴拿赫空间上的有界线性算子，其值域是原空间的一个闭子空间，并且是可分的。

紧算子的一个重要性质是它们将单位球面映射到一个相对紧集。

三、计算题（每题20分，共40分）1. 设线性算子A在希尔伯特空间H上定义，且满足A^*A = I，证明A是单射的。

答案：设x, y属于H，且Ax = Ay，那么A^*(Ax) = A^*(Ay)，即x = y。

因此，A是单射的。

2. 给定线性泛函f在希尔伯特空间H上定义，且满足f(x) = <x, y>，其中y是H中的一个固定向量。

证明f是连续的。

答案：由于f(x) = <x, y>，根据内积的性质，|f(x)| ≤ ||x||||y||，其中||y||是y的范数。

因此，f在H上是连续的。

四、论述题（每题20分，共20分）1. 论述希尔伯特空间中正交投影算子的性质。

答案：希尔伯特空间中的正交投影算子P具有以下性质：- P是线性的。

- P是自伴的，即P^* = P。

泛函分析第四章习题第二部分（19-30）第四章习题第二部分(19-30)19. 证明：)1(∞<1）存在0>K ，使得对任意的A x i ∈=)(ξ有K i p i <∑∞=1||ξ，2）对任意的0>ε，存在自然数N ，使得对任意的A x i ∈=)(ξ有pN i p iεξ<∑∞+=1||．[证明] 若A 是列紧集，则A 是全有界集，第一个条件显然成立．设}1|)({)(m n x n i n ≤≤=ξ是A 的有限-2ε网，则存在自然数N 使pN i pn i)2(||1)(εξ<∑∞+=，对m n ,,2,1 =?．对A x i ∈=?)(ξ，存在m n n ≤≤001:，使得2 ),(0ε<="">那么εεξξξξ<+<+-≤∑∑∑∞+=∞+=∞+=2),()||()||()||(00011)(11)(11x x d n pN i p in pN i p n iipN i p i，从而第二个条件成立．反过来，假设集合A 满足这两个条件，设},2,1|)({)( ==n x n i n ξ是A 中任意一个点列，由第一个条件，对任意的 ,2,1=i ，数集}{)(n i ξ有界，存在自然数列的子列}{1kn 使}{)(11kn ξ收敛于1ξ．又存在}{1kn 的子列}{2k n 使}{)(11kn ξ收敛于2ξ，等等如此下去．令)()(jj j jn in x ξ=，利用第二个条件容易证明}{j jn x 是基本列．令)(i x ξ=，利用第一个条件可以证明p l x ∈，并且}{j jn x 收敛于x ．即可在},2,1|)({)( ==n x n i n ξ中选出收敛子列，所以集合A 是列紧集．20. 证明：s 中的集合A 是列紧集的充要条件是：对任意自然数i ，存在0>i c 使得，对任意的A x i ∈=)(ξ有i i c ≤||ξ．[证明] 若存在自然数i ，对任意的0>M ，存在A x i ∈=)(ξ使得M i >||ξ．这样就可以做一个A 中的序列)()(n i n x ξ=使得n n i >||) (ξ．若}{n x 有子列}{kn x 收敛，设其极限为)(i y η=，则因021||1||21)()(≠→-+-?ii n ii n iik k ηξηξ，所以),(y x d kn 不收敛于零，得到矛盾，所以}{n x 没有收敛子列，即A 不是列紧集，必要性得证．下面证明充分性．设对任意自然数i ，存在0>i c 使得，对任意的A x i ∈=)(ξ有i i c ≤||ξ．设}{n x 是A 中任一序列，存在}{n x 的子列)}({)1,(1,n i n x ξ=使1)1,(1ηξ→n ，下一步，存在}{1,n x 的子列)}({)2,(2,n i n x ξ=使得2)2,(2ηξ→n ，依次做下去；然后考虑}{n x 的子列}{,n n x ，则它的第i 个坐标收敛于i η．令}{i y η=，显然}{,n n x 收敛于s y ∈．所以A 是列紧集．21. 设(X , d )是距离空间，A ? X ，令f (x ) = Ay ∈inf d (x , y )，?x ∈X ．证明f 是连续函数．[证明] ?x 1, x 2∈X ，?ε > 0，? y 1, y 2∈A ，使得d (x 1, y 1) - ε < f (x 1)，d (x 2, y 2) - ε < f (x 2)．由于d (x 1, y 1) - ε < f (x 1) ≤ d (x 1, y 2)，d (x 2, y 2) - ε < f (x 2) ≤ d (x 2, y 1)，我们有f (x 1) - f (x 2) < d (x 1, y 2) - ( d (x 2, y 2) - ε ) ≤ | d (x 1, y 2) - d (x 2, y 2) | + ε ≤ d (x 1, x 2) + ε， f (x 2) - f (x 1) < d (x 2, y 1) -( d (x 1, y 1) - ε ) ≤ | d (x 2, y 1) - d (x 1, y 1) | + ε ≤ d (x 1, x 2) + ε，所以| f (x 2) - f (x 1) | ≤ d (x 1, x 2) + ε，由ε的任意性，| f (x 2) - f (x 1) | ≤ d (x 1, x 2)．所以f 是(X , d )上的连续函数．（由证明可见，实际上是一致连续函数）．22. 设(X , d )是距离空间，F 1, F 2? X ，F 1, F 2是闭集且F 1?F 2= ?．证明存在开集G 1, G 2? X ，使得F 1? G 1，F 2? G 2且G 1?G 2= ?． [证明] 对任意闭集F ，定义f F (x ) = inf y ∈F d (x , y )，由21题结果知f F 是(X , d )上的连续函数．显然当x ∈F 时，f F (x ) = 0，而当x ?F 时，f F (x ) > 0．令)()()()(211x f x f x f x g F F F +=则g 是(X , d )上的连续函数，且g (F 1) = 0，g (F 2) = 1．令G 1 = g -1(-∞, 1/2)，G 2 = g -1(1/2, +∞)，则容易看出它们就是满足条件的开集．23. 举例说明全有界集不一定是列紧的．[例] 最为熟悉的例子是考虑 1中的开区间I = (0, 1)；作为1的子空间，显然它是全有界的距离空间，但不是列紧的距离空间．24. 证明距离空间(X , d )中紧集的闭子集也是紧集[证明] 设E 为(X , d )中紧集，F 是(X , d )中闭集，F ? E ．设A = {A α | α∈Λ }是F 的一个开覆盖，则B = A ?{X \ F }是E 的一个开覆盖．由E 紧，B 有有限子覆盖C ，则可得到F 的有限覆盖C \{X \ F }，实际上它也是A 的一个有限子覆盖．所以F 是紧集．25. 证明：距离空间(X , d )中列紧集F 的闭包是紧集．[证明] 由F 列紧，知F 自列紧，因此F 是紧集．26. 设(X , d )为紧距离空间，{ F n }是闭集列，F 1 ? F 2 ? ... ? F n ? ...，并且F n ≠ ?．证明：?n F n ≠ ?．这个结论在一般的距离空间是否成立？[证明] 若?n F n = ?，则{ F n c }是X 的一个开覆盖，它存在有限的子覆盖．由于F 1c ? F 2c ? ... ? F n c ? ...，故存在自然数N 使得F N c = X ，此即F N = ?．这与题目假设相矛盾．在一般的距离空间显然没有这样的结论．例如，在 1上考虑闭集列{ F n }，其中F n = [ n , +∞)．27. 设(X , d )为距离空间，F 是X 中的紧集，f : F → 1连续．证明f 一致连续． [证明] 若不然，存在0>ε，及F 中的序列}{n x ，}{n y ，使得ny x d n n 1),(<，但ε≥-|)()(|n n y f x f ．由于F 是X 中的紧集，故也是自列紧集；存在自然数列的一个子列}{k n 使得}{kn x ，}{kn y 皆收敛于F 中点．设x x kn →，y y kn →，由kn n n y x d kk 1),(<，ε≥-|)()(|kkn n y f x f ，知y x =，但ε≥-|)()(|y f x f ，此为不可能．28. 设]1,0[C f ∈，求证方程?+=tds s x t f t x 0)()()(λ，]1,0[∈t 有连续解．[解] 因0=λ时方程是平凡的，不妨设0≠λ，记n a 1=，n 满足||2λ>n ．考虑映射],0[],0[:a C a C T →，?+=tdt s x t f t Tx 0)()()(λ．注意到),(21),(|||)()(|m a x ||),(0]1,0[y x d y x ad ds s y s x Ty Tx d tt ≤≤-=?∈λλ，所以T 为压缩映射，故有唯一不动点],0[1a C x ∈，此x 即为方程的局部解．同理方程??++=taadt s x dt s x t f t Tx )()()()(0λλ有解]2,[2a a C x ∈，如此下去，直到],)1[(na a n C x n -∈．则)()(t x t x i =，],)1[(ia a i C t -∈即为所求的整体的连续解．29. 设A = (a ij )n ?n 为实矩阵，满足1)(1,12<-∑==nj i ij ijaδ．证明：对?b = (b 1, b 2, ..., b n )T，方程组Ax = b 有唯一解．[证明] 定义T : n → n 为Tx = x - Ax + b ．则x ∈ n 为方程组的解等价于x 是T 的不动点，实际上，||))((||),(y x A I Ty Tx d --=21121))))((((∑∑==--=ni nj j j ij ij y x a δ2111212)))()()(((∑∑∑===--≤ni nj j j nj ij ij y x a δ∑∑∑===--=ni nj j j nj ij ij y x a 121122112))(())((δ),())((211,12y x d a n j i ij ij∑==-=δ．所以T : n → n 为压缩映射，故有唯一不动点x ，此x 即为方程组的唯一解．30. 设(X , d )为完备距离空间，T : X → X 满足1),(),(supinf 0<=≠y x d y T x T d nn yx nα．证明T有唯一不动点．[证明] 存在自然数N 使得21),(),(supα+<≠y x d y Tx Td NNyx ，因此对?x , y ∈X ，有d (T N x , T N y ) ≤210α+d (x , y )．所以T N为压缩映射，故T N有唯一不动点x∈X．因为T N(Tx) = T (T N x) = Tx，所以Tx也是T N的不动点．由于T N的不动点是唯一的，所以Tx = x，即x∈X是T的不动点．因为T的不动点必是T N的不动点，所以T的不动点是唯一的．。

泛函分析考试题型及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 泛函分析中，下列哪个概念不是线性空间的基本元素？A. 向量B. 线性组合C. 线性映射D. 拓扑结构答案：D2. 在希尔伯特空间中，以下哪个性质不是内积空间必须具备的？A. 正定性B. 线性C. 对称性D. 交换性答案：D3. 下列哪个定理不是泛函分析中的基本定理？A. 赫尔德不等式B. 闵可夫斯基不等式C. 贝叶斯定理D. 一致有界性原理答案：C4. 巴拿赫空间是指完备的赋范线性空间，以下哪个条件不是巴拿赫空间必须满足的？A. 线性B. 赋范C. 完备性D. 有限维答案：D5. 在泛函分析中，紧算子是指将有界集映射到相对紧集的线性算子，以下哪个性质不是紧算子必须具备的？A. 线性B. 有界性C. 紧性D. 单射性答案：D6. 下列哪个概念不是泛函分析中的拓扑概念？A. 开集B. 闭集C. 连续性D. 线性映射答案：D7. 泛函分析中，下列哪个概念与巴拿赫空间无关？A. 赋范线性空间B. 完备性C. 紧性D. 线性答案：C8. 在泛函分析中，下列哪个性质不是线性泛函必须具备的？A. 线性B. 有界性C. 单射性D. 连续性答案：C9. 下列哪个定理不是泛函分析中解决方程问题的基本定理？A. 赫尔德定理B. 拉克斯-米尔格拉姆定理C. 贝祖定理D. 弗雷德霍姆选择定理答案：C10. 在泛函分析中，下列哪个概念不是线性算子的基本性质？A. 线性B. 有界性C. 紧性D. 可逆性答案：D二、填空题（每题2分，共20分）1. 泛函分析中的线性空间必须满足向量加法和标量乘法的______性。

答案：封闭2. 希尔伯特空间中的内积必须满足正定性、线性、对称性和______性。

答案：共轭对称3. 巴拿赫空间是完备的______线性空间。

答案：赋范4. 紧算子将有界集映射到______集。

答案：相对紧5. 巴拿赫空间中的完备性是指空间中的每个柯西序列都收敛到空间内的某个元素，这种性质也称为______性。

泛函分析试题及答案### 泛函分析试题及答案#### 一、选择题（每题5分，共20分）1. 泛函分析中，下列哪个概念不是线性空间的概念？A. 线性组合B. 线性映射C. 线性泛函D. 非线性变换答案：D2. 在Banach空间中，以下哪个条件不是完备性的必要条件？A. 空间中的每个Cauchy序列都收敛于空间内B. 空间是完备的C. 空间中存在一个完备的度量D. 空间中的每个有界序列都有一个收敛的子序列答案：C3. 泛函分析中，Hilbert空间的完备性是相对于哪种范数？A. 欧几里得范数B. 赋范范数C. 内积诱导的范数D. 以上都是答案：C4. 下列哪个定理不是泛函分析中的基本定理？A. Hahn-Banach定理B. Riesz表示定理C. 闭图定理D. 微积分基本定理答案：D#### 二、填空题（每题5分，共20分）1. 线性泛函在定义域上的连续性等价于其在定义域的原点处的连续性，这是基于泛函分析中的________定理。

答案：Hahn-Banach2. 在Hilbert空间中，任意两个向量的内积满足平行四边形法则，即对于任意向量\( u \)和\( v \)，有\( \|u+v\|^2 + \|u-v\|^2 =2(\|u\|^2 + \|v\|^2) \)，这是基于________定理。

答案：平行四边形3. 线性算子的谱半径公式为\( r(T) = \lim_{n \to \infty}\|T^n\|^{1/n} \)，其中\( T \)是Banach空间上的有界线性算子，这是基于________定理。

答案：Gelfand公式4. 在泛函分析中，紧算子的定义是：如果对于空间中的每一个有界序列，其在算子下的像序列都有一个收敛的子序列，则称该算子为紧算子，这是基于________定理。

答案：Arzelà-Ascoli#### 三、简答题（每题15分，共30分）1. 简述Riesz表示定理的内容及其在泛函分析中的意义。

泛函分析复习题一．选择题：1. 设 },,,,{21 n e e e 是希尔伯特空间H 上的一组规范正交系，则下列论断未必正确的是 ( )A. },,,,{21 n e e e 线性无关；B. 对任何的H x ∈，都有∑∞==122|),(|n n xe x ；C. 任意两组数N a a a ,,,21 ，N b b b ,,,21 都有 ∑∑∑====⎪⎭⎫ ⎝⎛Nn n n N n N n n n n n b a e b e a 111,；D. ()⎩⎨⎧≠==ji j i e e j i ,0,1,， ,3,2,1,=j i 。

2. 下列关于p L 空间（1≥p 且2≠p ）的论述不正确的是（ ）A. pL 空间是一个赋范线性空间；B. p L 空间是完备的；C. p L 空间是距离空间；D. p L 空间是希尔伯特空间。

3. 下列关于2L 空间的论述不正确的是（ ）A. 2L 空间是一个赋范线性空间；B. 2L 空间不一定完备的；C. 2L 空间是内积空间；D. 2L 空间是可分的。

4. 设X为一个实赋范线性空间，⋅为他上面的范数，则下面不正确的是（ ）A. 对任何X x ∈，都有0≥x ，B. 对任何X x ∈，R a ∈都有x a ax ||=，C. 对任何X x ∈，X y ∈，都有222y x y x +=+， D. 对任何X x ∈，X y ∈，都有y x y x +≤+。

5. 设X 为一个距离空间，下面不正确的是（ ）A. X 和空集φ都是开集；B. 任意多个开集的并还是开集；C. 任意多个开集的交也是开集；D. 有限多个开集的交也是开集。

6. 设X 为一个距离空间，下面不正确的是（ ）A. X 和空集φ都是闭集；B. 任意多个闭集的并还是闭集；C. 任意多个闭集的交也是闭集；D. 有限多个闭集的并也是闭集。

7. 下面论述正确的是（ ）A. 紧集不一定是有界的。

B. 紧集的子集一定是紧集。

泛函分析期末考试题库及答案一、选择题（每题5分，共20分）1. 下列哪个选项不是泛函分析中的基本概念？A. 线性空间B. 线性算子C. 微分方程D. 范数答案：C2. 希尔伯特空间中的内积满足的性质不包括以下哪一项？A. 线性B. 对称性C. 正定性D. 可逆性答案：D3. 以下哪个是紧算子的性质？A. 有界B. 可逆C. 连续D. 可微答案：A4. 以下哪个定理是泛函分析中的基本定理？A. 泰勒定理B. 格林定理C. 里斯表示定理D. 牛顿-莱布尼茨定理答案：C二、填空题（每题5分，共20分）1. 在泛函分析中，一个线性空间的基是一组线性______的向量。

答案：无关2. 一个线性算子是______的，如果它将一个有界集映射到一个有界集。

答案：有界3. 一个线性算子是______的，如果它将一个紧集映射到一个紧集。

答案：紧4. 一个线性算子是______的，如果它在某个线性空间上是连续的。

答案：连续三、简答题（每题10分，共30分）1. 简述什么是线性空间，并给出其基本性质。

答案：线性空间是一个集合，其中的元素称为向量，满足加法和数乘两种运算，并且满足加法交换律、加法结合律、数乘分配律等性质。

2. 解释什么是紧算子，并给出一个例子。

答案：紧算子是一个线性算子，它将任意有界序列映射到一个收敛序列。

例如，考虑在L^2空间上的算子K，定义为K(f)(x) =∫f(t)sin(x-t)dt，它是一个紧算子。

3. 描述什么是希尔伯特空间，并说明其与欧几里得空间的关系。

答案：希尔伯特空间是一个完备的内积空间，它允许无限维向量的存在。

希尔伯特空间是欧几里得空间的推广，其中欧几里得空间是有限维的希尔伯特空间。

四、计算题（每题15分，共30分）1. 给定线性算子A: L^2(0,1) → L^2(0,1)，定义为A(f)(x) =∫₀^x f(t)dt，证明A是一个紧算子。

答案：略2. 考虑在L^2(-1,1)上的算子B，定义为B(f)(x) = xf(x)，证明B是一个有界算子，并求出其范数。