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开映射定理

Open mapping theorem

Banach 空间之间的满射有界线性算子把开集映成开集。

条目类型
定理

形式陈述

X,Y 是 Banach 空间,TB(X,Y)满射,则 T 是开映射:对每个开集 UXT(U)Y 中开。等价的定量形式是存在 c>0 使

BY(0,c)T(BX(0,1)).

因此,若 T 还是一一的,则逆映射 T1:YX 自动有界;这称有界逆定理。更一般地,商映射 X/kerTY 是 Banach 空间的拓扑同构。

直觉

线性满射可能有许多原像,但定理进一步保证小目标扰动总能由受控大小的输入扰动实现。若单位球的像薄得没有任何邻域,反复缩放也无法稳定覆盖目标空间;Baire 范畴与定义域完备性排除了这种情形。开映射性于是把纯代数的“有解”提升为分析上的“解对数据稳定”。

例子与边界

微分算子 D:C1([0,1])C([0,1])C1 范数是满射且开;选取积分并固定初值给出受控右逆。Banach 空间之间双射有界线性算子的逆无需另证连续。完备性不可随意删除:同一个不完备向量空间可取两个不同但可比较的范数,使恒等映射连续双射而逆不连续。定理只保证开集的像开,并不说闭集的像闭;满射条件也不可去掉。

坐标投影 T:1×11T(x,y)=x 是满射有界线性算子,且任意乘积开球的像包含相应开球。更一般地,若 T:XY 双射,开映射定理说明 T1 有界;这就是有界逆定理。若去掉满射,闭子空间的包含映射通常不会把源空间开集送成目标空间开集。

推论与应用

定理作用于Banach 空间之间的有界线性算子,并解释商映射 XX/kerT 的稳定性。它与一致有界原理同样依赖完备性和 Baire 思想,也常用于证明不同完备范数其实等价、解算子连续以及参数微扰不会导致无界放大。

闭图定理可由同一套 Banach 空间原理导出,而 PDE 中的先验估计常用它把“每个数据都有解”提升为解对数据的连续依赖。

参考资料
  • Walter Rudin, Functional Analysis, 2nd ed., McGraw-Hill, 1991,Ch. 2, open mapping and closed graph theorems。
  • Haim Brezis, Functional Analysis, Sobolev Spaces and Partial Differential Equations, Springer, 2011,Ch. 2, Banach–Schauder open mapping theorem。
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