Cho X, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn và (Ai)i∈I là họ các toán tử tuyến tính liên tục từ X vào Y . Khi đó nếu {Ai| ∈ I} là tập hợp bị chặn trong
L(X, Y ) thì với mỗi x ∈ X tập hợp {Aix|i ∈ I} là tập hợp bị chặn trong Y . Vấn đề đặt ra là điều ngược lại có còn đúng không? Định lý sau sẽ trả lời câu hỏi này.
Định lý 1.1. (Banach-Steinhaus)[6] Cho X là không gian Banach và Y là không gian tuyến tính định chuẩn. Giả sử {Ai|i ∈ I} là họ toán tử tuyến tính liên tục
từ X vào Y sao cho với mỗi x ∈ X tập hợp {Aix|i ∈ I} bị chặn trong Y . Khi đó
{Ai|i ∈ I} là tập hợp bị chặn trong L(X, Y ); nghĩa là tồn tại một số M dương sao cho
kAik ≤ M, với mọi i ∈ I.
Chứng minh. Với mỗi n ∈ N và i ∈ I, ta đặt
Bn,i = {x ∈ X : kAixk ≤ n } vì Ai liên tục nên Bn,i đóng. Đặt Bn = T
i∈I
Bn,i. Khi đó Bn đóng trong X.
Mặt khác, với mỗi x ∈ X tập hợp {Aix | i ∈ I } bị chặn trong Y , nên tồn tại số Mx dương sao cho kAixk ≤ Mx với mọi i ∈ I. Chọn n > Mx khi đó x ∈ Bn. Vậy X = S
n∈N
Bn.
Vì X là không gian Banach nên nó thuộc phạm trù thứ 2, do đó tồn tại số nguyên dương n0 sao cho
o
Bn0 6= ∅. Theo cách xây dựng tập hợp Bn0 là tập hợp đóng nên
o
§1. Nguyên lý bị chặn đều - Định lý Banach-Steihaus 41
Với mỗi x ∈ X khác không, ta có
x0 + rx
2kxk ∈ B(x0, r) ⊂ Bn0. Như vậy với mỗi i ∈ I, ta đều có
kAi(x0 + rx 2kxk)k ≤ n0. Từ đó suy ra kAi( rx 2kxk)k ≤ kAi(x0 + rx 2kxk)k + kAi(x0)k ≤ n0 + kAi(x0)k
Vì Ai tuyến tính nên, ta được k r 2kxkAi(x)k ≤ n0 + kAi(x0)k ≤ 2n0, hay kAi(x)k ≤ 4n0 r kxk với mọi x ∈ X. Vậy kAik ≤ 4n0 r , với mọi i ∈ I.
Định nghĩa 1.2. Cho X, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn và (Ai) là họ các toán tử tuyến tính từ X vào Y . Nếu với mỗi x ∈ X tồn tại một số dương
Mx sao cho kAn(x)k ≤ Mx với mọi i ∈ I thì ta nói họ (Ai) bị chặn điểm. Nếu họ (Ai) ⊂ L(X, Y ) và tập {Ai : i ∈ I} bị chặn trong L(X, Y ) thì ta nói họ (Ai) bị chặn đều.
Nhận xét. Từ định lý trên ta suy ra rằng nếu X là không gian Banach và họ (Ai) ⊂ L(X, Y ) bị chặn điểm thì bị chặn đều.
Định lý 1.3. Cho X là một không gian Banach, Y là một không gian tuyến tính định chuẩn và (An) là dãy các toán tử tuyến tính liên tục từ X vào Y . Nếu với mỗi x ∈ X sao cho Anx → Ax, khi n → ∞ thì A là toán tử tuyến tính liên tục và
kAk ≤ lim
n→∞
kAnk.
Chứng minh. Theo giẩ thiết với mỗi x ∈ X, Ax = lim
n→∞ Anx nghĩa là dãy (Anx) hội tụ trongY , do đó tập hợp {Anx| n ∈ N}bị chặn trong Y . Theo định lý Banach- Steinhaus tồn tại số M dương sao cho kAnk ≤ M với mọi n ∈ N.
§1. Nguyên lý bị chặn đều - Định lý Banach-Steihaus 43 Mặt khác, ta có kAnxk ≤ kAnkkxk nên lim n→∞kAnxk ≤ lim n→∞ kAnkkxk hay kAxk ≤ lim n→∞ kAnkkxk Suy ra kAxk ≤ Mkxk Vậy A liên tục và ta có kAk ≤ lim n→∞ kAnk.
Định nghĩa 1.4. ChoX, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn và họ(Aα)α∈I các toán tử tuyến tính từ X vào Y được gọi là họ đồng liên tục đều nếu với mỗi
ε > 0 tồn tại số δ > 0 sao cho với mọi x ∈ X thoả mãn kxk < δ thì kAαxk < ε
với mọi α ∈ I
Định lý 1.5. Cho X, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn và họ (Aα)α∈I các toán tử tuyến tính từ X vào Y . Họ (Aα)α∈I đồng liên tục đều khi và chỉ khi (Aα)α∈I bị chặn đều.