Holomorficzność nieskończeniewymiarowa

Holomorficzność nieskończeniewymiarowa – dział analizy funkcjonalnej, gałęzi matematyki badający uogólnienia funkcji holomorficznych na funkcje określone na zespolonych przestrzeniach Banacha (lub ogólniej: przestrzeniach Frécheta), najczęściej nieskończonego wymiaru, i przyjmujące w nich wartości. Można uważać ją za część nieliniowej analizy funkcjonalnej.

Funkcje holomorficzne o wartościach wektorowych na płaszczyźnie zespolonej

Pierwszym krokiem w rozszerzaniu teorii funkcji holomorficznych na więcej niż jeden wymiar zespolony jest rozważanie tzw. funkcji holomorficznych o wartościach wektorowych, które nadal są określone na płaszczyźnie zespolonej $\mathbb {C} ,$ lecz przyjmują wartości w przestrzeniach Banacha. Tego rodzaju funkcje są istotne na przykład podczas budowania holomorficznej analizy funkcjonalnej (ang. holomorphic functional calculus) dla ograniczonych operatorów liniowych.

Funkcję $f\colon U\to X$ określoną na podzbiorze otwartym $U$ płaszczyzny zespolonej o wartościach w zespolonej przestrzeni Banacha $X$ nazywa się holomorficzną, jeżeli jest różniczkowalna w sensie zespolonym, tzn. dla każdego punktu $z\in U$ istnieje granica

$f'(z)=\lim _{\zeta \to z}~{\frac {f(\zeta )-f(z)}{\zeta -z}}.$

Całkę krzywoliniową funkcji holomorficznej $f\colon U\to X$ o wartościach wektorowych wzdłuż krzywej prostowalnej $\gamma \colon [a,b]\to U$ można zdefiniować w dokładnie ten sam sposób, co dla funkcji holomorficznych o wartościach zespolonych – jako granicę sum postaci

$\sum _{1\leqslant k\leqslant n}f(\gamma (t_{k}))(\gamma (t_{k})-\gamma (t_{k-1})),$

gdzie $a=t_{0}<t_{1}<\dots <t_{n}=b$ jest podziałem przedziału $[a,b],$ przy długościach podziałów dążących do zera.

Sprawdza się, że twierdzenie podstawowe Cauchy’ego zachodzi również dla funkcji holomorficznych o wartościach wektorowych. Istotnie, jeżeli $f\colon U\to X$ jest taką funkcją i $T\colon X\to \mathbb {C}$ jest ograniczonym operatorem liniowym, to można wykazać, iż

$T\left(\int _{\gamma }f(z)\,\operatorname {d} z\right)=\int _{\gamma }(T\circ f)(z)\,\operatorname {d} z.$

Więcej, złożenie funkcji $T\circ f\colon U\to \mathbb {C}$ jest funkcją holomorficzną o wartościach zespolonych, stąd dla krzywej zwykłej zamkniętej, której wnętrze zawiera się w $U,$ całka po prawej stronie jest równa zeru z klasycznego twierdzenia podstawowego Cauchy’ego. Zatem, ponieważ $T$ jest dowolny, to z twierdzenia Hahna-Banacha wynika, że

$\int _{\gamma }f(z)\,\operatorname {d} z=0,$

co kończy dowód twierdzenia podstawowego Cauchy’ego w przypadku funkcji o wartościach wektorowych.

Za pomocą tego silnego narzędzia można dowieść wzoru całkowego Cauchy’ego oraz tego, tak jak w przypadku klasycznym, że każda funkcja holomorficzna o wartościach wektorowych jest analityczna.

Użytecznym kryterium na holomorficzność funkcji $f\colon U\to X$ jest, że $T\circ f\colon U\to \mathbb {C}$ jest funkcją holomorficzną o wartościach wektorowych dla każdego ciągłego funkcjonału liniowego $T\colon X\to \mathbb {C} .$ Taka funkcja $f$ jest słabo holomorficzna. Można wykazać, że funkcja określona na otwartym podzbiorze płaszczyzny zespolonej o wartościach w przestrzeni Frécheta jest holomorficzna wtedy i tylko wtedy, gdy jest słabo holomorficzna.

Funkcje holomorficzne między przestrzeniami Banacha

Ogólniej, dla danych dwóch przestrzeni Banacha $X$ i $Y$ nad liczbami zespolonymi i zbioru otwartego $U$ w $X$ funkcję $f\colon U\to Y$ nazywa się holomorficzną, jeżeli w każdym punkcie $U$ istnieje pochodna Frécheta funkcji $f.$ W tym ogólniejszym kontekście również można pokazać, że funkcja holomorficzna także jest analityczna, tzn. może być lokalnie rozwinięta w szereg potęgowy. Nie jest jednak już prawdą, że jeżeli funkcja jest określona i holomorficzna w pewnej kuli, to szereg potęgowy wokół środka tej kuli jest zbieżny w całej kuli; np. istnieją funkcje holomorficzne określone na całej przestrzeni o skończonym promieniu zbieżności.

Funkcje holomorficzne między przestrzeniami liniowo-topologicznymi

W pełnej ogólności, dla danych dwóch przestrzeni liniowo-topologicznych $X$ i $Y$ nad liczbami zespolonymi i zbioru otwartego $U$ w $X$ istnieje wiele sposobów definiowania holomorficzności funkcji $f\colon U\to Y.$ W przeciwieństwie do przypadku skończeniewymiarowego, gdy $X$ oraz $Y$ są nieskończonego wymiaru, własności funkcji holomorficznych mogą zależeć od wybranej definicji. Aby ograniczyć liczbę rozważanych przypadków omówiona zostanie holomorficzność w przypadku, gdy $X$ i $Y$ są lokalnie wypukłe.

Sekcja ta przedstawia listę definicji pojęcia od najsłabszego do najsilniejszego. Kończy się ona dyskusją na temat niektórych twierdzeń wiążących wspomniane definicje, gdy przestrzenie $X$ i $Y$ spełniają pewne dodatkowe warunki.

Holomorficzność w sensie Gâteaux

Holomorficzność Gâteaux jest bezpośrednim uogólnieniem słabej holomorficzności na w pełni nieskończeniewymiarowy przypadek.

Niech $X$ i $Y$ będą przestrzeniami liniowo-topologicznymi lokalnie wypukłymi, a $U\subseteq X$ będzie zbiorem otwartym. Funkcja $f\colon U\to Y$ jest holomorficzna w sensie Gâteaux, jeżeli dla dowolnych $a\in U$ oraz $b\in X$ i każdego ciągłego funkcjonału liniowego $\varphi$ określonego na $Y$ funkcja

$f_{\phi }(z)=\phi \circ f(a+zb)$

jest funkcją holomorficzną zmiennej $z$ w otoczeniu $z=0.$ Zbiór funkcji holomorficznych w sensie Gâteaux oznacza się symbolem $\operatorname {H_{G}} (U,Y).$

W analizie funkcji holomorficznych w sensie Gâteaux wszystkie własności skończeniewymiarowych funkcji holomorficznych są spełnione na podprzestrzeniach $X$ skończonego wymiaru. Jednak, tak jak w zwykłej analizie funkcjonalnej, własności te mogą nie składać się w sposób jednorodny w całość, by dać jakiekolwiek odpowiadające im własności tych funkcji na pełnych zbiorach otwartych.

Przykłady

• Jeżeli $f$ jest określona na $U,$ to ma ona pochodne Gâteaux wszystkich rzędów, ponieważ dla $x\in U$ oraz $h_{1},\dots ,h_{k}\in X$ pochodna Gâteaux $k$-tego rzędu $\operatorname {D} ^{k}f(x)\{h_{1},\dots ,h_{k}\}$ zawiera wyłącznie iterowane pochodne kierunkowe w kierunkach otoczki $h_{i},$ która jest przestrzenią skończenie wymiarową. W tym przypadku iterowane pochodne Gâteaux są wieloliniowe względem $h_{i},$ ale w ogólności nie są one liniowe, gdy rozważa się je jako określone na całej przestrzeni $X.$

• Więcej, obowiązuje wersja twierdzenia Taylora:

  $f(x+y)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}{\widehat {\operatorname {D} }}^{n}f(x)(y).$

Symbol ${\widehat {\operatorname {D} }}^{n}f(x)(y)$ oznacza wielomian jednorodny stopnia $n$ zmiennej $y$ związanej z operatorem wieloliniowym $\operatorname {D} ^{n}f(x).$ Zbieżność tego szeregu nie jest jednostajna: jeżeli $V\subseteq X$ jest ustaloną podprzestrzenią skończonego wymiaru, to szereg zbiega jednostajnie na dowolnie małych otoczeniach $0\in Y,$ jednak jeżeli $V$ może być zmienna, to nie ma zbieżności – nie będzie jej w ogólności, o ile zezwoli się na tę zależność. Stoi to w całkowitej sprzeczności z przypadkiem skończeniewymiarowym.

• dla funkcji holomorficznych w sensie Gâteaux zachodzi twierdzenie Hartoga w następującym sensie:

Jeżeli $f\colon (U\subseteq X_{1})\times (V\subseteq X_{2})\to Y$ jest funkcją, która jest holomorficzna w sensie Gâteaux oddzielnie ze względu na każdy z jej argumentów, to wtedy $f$ jest holomorficzna w sensie Gâteaux na przestrzeni produktowej.

Hipoanalityczność

Funkcja $f\colon (U\subseteq X)\to Y$ jest hipoanalityczna (ang. hypoanalytic), jeżeli $f\in \operatorname {H_{G}} (U,Y)$ oraz $f$ jest ciągła na warunkowo zwartych podzbiorach $U.$

Holomorficzność

Funkcja $f\in \operatorname {H_{G}} (U,Y)$ jest holomorficzna, jeżeli dla każdego $x\in U$ rozwinięcie w szereg Taylora

$f(x+y)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{n!}}{\widehat {\operatorname {D} }}^{n}f(x)(y)$

(którego istnienie wynika już z holomorficzności w sensie Gâteaux) jest zbieżne i ciągłe względem $y$ w otoczeniu $0\in X.$ Holomorficzność łączy więc pojęcia słabej holomorficzności ze zbieżnością rozwinięcia w szereg potęgowy. Zbiór funkcji holomorficznych oznacza się symbolem $\operatorname {H} (U,Y).$

Holomorficzność lokalnie ograniczona

O funkcji $f\colon (U\subseteq X)\to Y$ mówi się, że jest lokalnie ograniczona, jeżeli każdy punkt $U$ ma otoczenie, którego obraz względem $f$ jest ograniczony w $Y.$ Jeżeli $f$ jest dodatkowo holomorficzna w sensie Gâteaux na $U,$ to $f$ jest lokalnie ograniczenie holomorficzna (ang. locally bounded holomorphic), co oznacza się $f\in \operatorname {H_{LB}} (U,Y).$

Bibliografia

• Richard V. Kadison, John R. Ringrose, Fundamentals of the Theory of Operator Algebras, Vol. 1: Elementary theory. American Mathematical Society, 1997. ISBN 0-8218-0819-2. (zob. rozdział 3.3.)
• Soo Bong Chae, Holomorphy and Calculus in Normed Spaces, Marcel Dekker, 1985. ISBN 0-8247-7231-8.