研究拓撲線性空間到拓撲線性空間之間滿足各種拓撲和代數條件的映射的分支學科。它是20世紀30年代形成的。從變分法、微分方程、積分方程、函數論以及量子物理等的研究中發展起來的,它運用幾何學、代數學的觀點和方法研究分析學的課題,可看作無限維的分析學。半個多世紀來,一方面它不斷以其他眾多學科所提供的素材來提取自己研究的物件和某些研究手段,並形成瞭自己的許多重要分支,例如運算元譜理論、巴拿赫代數、拓撲線性空間(也稱拓撲向量空間)理論、廣義函數論等等;另一方面,它也強有有力地推動著其他不少分析學科的發展。它在微分方程、概率論、函數論、連續介質力學、量子物理、計算數學、控制論、最優化理論等學科中都有重要的應用,還是建立群上調和分析理論的基本工具,也是研究無限個自由度物理系統的重要而自然的工具之一。今天,它的觀點和方法已經滲入到不少工程技術性的學科之中,已成為近代分析的基礎之一。
泛函分析的起源 泛函分析的源頭之一是變分法。18世紀形成的變分法的核心課題是研究形如
![](/img3/4002.gif)
![](/img3/4003.gif)
![](/img3/4004.gif)
泛函分析的另一個源頭是積分方程。自從1823年N.H.阿貝爾從力學問題中提出並研究積分方程
![](/img3/4005.gif)
![](/img3/4006.gif)
![](/img3/4007.gif)
泛函分析的形成 泛函分析作為學科的形成,以致它的整個發展,至今主要是圍繞著對偶理論和算子譜論展開的。
度量空間和函數希爾伯特空間 幾乎與希爾伯特同時,M.R.弗雷歇就提出並研究瞭以具體函數類為主要背景的抽象度量空間(也稱距離空間)以及度量空間中的緊性、完備性、可分性等泛函分析的基本概念。這裡包含著一般拓撲學(又稱點集拓撲學)的萌芽。另一方面,希爾伯特的學生E.施密特在積分方程的研究中發展瞭希爾伯特譜論。他在1908年的論文中已使用復l2、內積和范數的符號,給出瞭正交、閉集、向量子空間的定義,並證明在閉向量子空間上投影的存在性。這是基本的幾何概念正式進入瞭泛函分析。1902年H.L.勒貝格的積分理論問世(似乎當時希爾伯特不知道),有力地加速泛函分析的形成。1906~1907年,E.菲舍爾和F.(F.)裡斯利用新積分工具相互獨立地證明瞭裡斯—菲舍爾定理。裡斯在此基礎上引入平方可積函數空間L2[α,b],證明瞭它的完備性、可分性,並很自然地將弗雷德霍姆理論推廣到K(x,y)是矩形[α,b]×[α,b]上平方可積函數的情形。
連續線性泛函 泛函分析的一個基本概念。圍繞對它的研究形成的對偶理論至今仍是泛函分析中心課題之一。對它的研究最早可追溯到C.博萊特(1897)提出要用連續性條件來刻畫一定函數類上的連續線性映射T:E→F。1903年阿達馬在E是C[α,b]([α,b]上連續函數的全體),F是實數域,當{fn}一致收斂於f 時,Tfn→Tf的情況下,將T表示成一列積分的極限的形式。但這種表示不惟一,並且有極大任意性。後來在實l2空間上,弗雷歇和裡斯獨立地在T是所謂強連續假設下給出簡單而惟一的表示,即希爾伯特空間l2上的連續線性泛函表示定理。裡斯在1909~1910年又相繼給出C[α,b]、Lp[α,b]、lp(p>1)上的表示定理。在這些表示定理的證明中實質上已蘊含線性子空間(又稱向量子空間)上連續線性泛函必可延拓到全空間的事實。E.黑利從1912年開始(中間經過第一次世界大戰的中斷),直到1921年用“賦范數列空間”(他並未用這個名稱)代替具體的C[α,b]、Lp[α,b]、lp等而考慮較抽象形態的延拓問題。他使用瞭凸性以及在有限維空間情況下早為H.閔科夫斯基用過的術語,如支撐超平面等。
巴拿赫空間 在許多具體的無限維空間以及它們上面相應的收斂性出現之後,抽象形態的線性空間(向量空間)以及按范數收斂的出現就成為自然的瞭。1922~1923年,E.哈恩和巴拿赫(同時還有N.維納)獨立地引入賦范線性空間。當時的討論事實上都限於完備的賦范線性空間。1922年哈恩從當時分析數學許多分支已達到的成果和方法中提煉出瞭共鳴定理。1927年H.施坦豪斯和巴拿赫用完備度量空間的第二綱性代替原來所謂“滑動峰”證明方法,給出現今常見的證明。1922~1923年巴拿赫又得到瞭壓縮映射的不動點定理、開映射定理。1927年哈恩完全解決瞭完備賦范線性空間上泛函延拓定理的證明,並第一次引入賦范線性空間E的對偶空間(共軛空間)K
![](/img3/4008.gif)
算子譜論 事實上,希爾伯特譜論已是泛函分析算子譜論的開始(雖就算子而言是具體的由核K(x,y)所確定的積分算子,可就觀念和研究方法而言卻是代數的)。
然而早在18世紀,人們已從數學的各個領域的經驗中開始對算子有所意識,特別從種種方程的解具有疊加性中瞭解到許多重要運算,例如微分運算、積分運算等都具有線性。但作為譜論的直接源頭是弗雷德霍姆理論,這個理論與有限階線性方程組求解理論極其相似。人們自然會問:怎樣的線性運算和熟知的有限維空間上線性變換的若爾當型與弗雷德霍姆理論有相似的性質?這個問題在裡斯之前,有人探索過,但未解決。1916~1918年,裡斯給出瞭完全的回答。他先限於lp,後又考察C[α,b],他未用希爾伯特的雙線性形式,而直接用術語算子代替它,引入全連續算子概念。最終他又把討論基本上推廣到瞭巴拿赫空間上。其中涉及共軛算子的某些結果,後由J.P.紹德爾(1932)補充完成。通常稱它為裡斯—紹德爾理論。裡斯受希爾伯特發現連續譜現象的啟發,用與希爾伯特完全不同的但具有典型泛函分析意味的方法得到l2上有界自共軛算子A的譜分解:
![](/img3/4009.gif)
![](/img3/4063.gif)
泛函分析的重要分支
巴拿赫代數 20世紀30年代初代數環論的重要進展以及它在群表示論上的應用,促使馮·諾伊曼於1935年開始以很大的興趣研究瞭希爾伯特空間H上有界線性算子全體B(H)的(對稱)弱閉子環,獲得(部分與F.J.默裡合作)完整而深入的結果。後人稱這種算子環為馮·諾伊曼代數,也稱W
![](/img3/4008.gif)
![](/img3/4008.gif)
![](/img3/4008.gif)
拓撲線性空間 泛函分析的另一重要分支是拓撲線性空間理論。在弗雷歇引入距離,並用它來統一過去分析學中的許多重要收斂時,就知道[α,b]上一列函數的“點點收斂”概念是不能用距離收斂來描述的。跨入30年代,泛函分析中大量使用弱收斂、弱拓撲。它們都不能用距離來描述,這就很自然地要把賦范線性空間理論發展成更一般的拓撲線性空間理論,其中最主要的成就是局部凸拓撲線性空間理論。這一分支的發展是與一般拓撲學的發展緊密聯系在一起的。拓撲學方法在這裡發揮瞭極重要的作用。勒雷—紹德爾不動點定理是有力的例證之一。從1935年開始,經過十多年時間,這一分支終於形成,它的許多重要結果不僅在泛函分析中有廣泛的應用,也為其他分析學科的深入研究提供瞭基本框架和有力的工具。
廣義函數論 泛函分析中具有廣泛應用的又一重要分支。30年代開始,很多數學傢研究微分方程的“弱解”,這自然地導致廣義導(函)數概念。應註意的是點點不連續的函數可能有廣義導數而僅在一點不連續的函數卻可能沒有廣義導數。對一個具體的微分方程,所需的廣義導數可以容納在當時已形成的巴拿赫空間理論的框架之中。然而對物理學傢P.A.M.狄喇克引入的“不存在的”函數δ,通過如下一些操作,例如
![](/img3/4064.gif)
![](/img3/4065.gif)
![](/img3/4066.gif)
非線性泛函 上面所談到的一些重要的成果和分支,除其中個別定理(如不動點定理)外,都屬於泛函分析中的線性部分。就泛函分析的起源而言,變分法中所討論的泛函J[y]就已經是非線性的瞭。然而就發展的現狀來說,泛函分析中非線性理論遠沒有達到線性理論部分那樣豐富多采的結果。這很可能是由於線性與非線性問題有本質區別,而線性問題要比非線性問題簡單得多。對分析學各個領域中出現的各種形式的問題,隻要本質上屬於線性的問題,盡管是很復雜的問題,相對的說,人們是易於取得成功的。在豐富成果的基礎上自然容易形成統一而漂亮的線性理論,獲得廣泛的應用。然而,現實中非線性問題遠比線性問題多。由於處理上的困難,不少非線性問題就用線性的近似來代替。隨著認識的深入,線性問題研究到一定階段,人們自然就向非線性問題進軍,這就為泛函分析非線性部分的發展提供瞭前提。圍繞著非線性積分方程、非線性積分微分方程以及各種近似求解法等等,已逐漸形成瞭在應用上具有一定廣泛性的泛函分析的非線性理論,例如近似解理論、單調算子理論、隱函數理論、拓撲度理論、分歧理論等等(見非線性算子、大范圍變分法)。隨著近代微分幾何、拓撲學和大范圍分析的發展,今後非線性泛函分析定將有更廣闊的前景。