Теорема Риса о полноте — утверждение функционального анализа о полноте пространства Лебега
L
2
(
a
,
b
)
{\displaystyle L_{2}\left(a,b\right)}
. Названа по имени венгерского математика Фридьеша Риса , установившего результат.
Каждая последовательность
{
f
n
(
x
)
}
{\displaystyle \left\{f_{n}(x)\right\}}
функций с интегрируемым на
[
a
,
b
]
{\displaystyle \left[a,b\right]}
квадратом, сходящаяся в среднем в себе, сходится в среднем к некоторой функции, также принадлежащей пространству
L
2
(
a
,
b
)
{\displaystyle L_{2}\left(a,b\right)}
.
Пусть задано произвольное
ϵ
>
0
{\displaystyle \epsilon >0}
. Найдется номер
n
ϵ
{\displaystyle n_{\epsilon }}
, такой что
∫
a
b
{
f
n
+
p
(
x
)
−
f
n
(
x
)
}
2
d
x
<
ϵ
2
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f_{n+p}(x)-f_{n}(x)\right\}^{2}dx<\epsilon ^{2}}
при
n
⩾
n
ϵ
,
p
>
0
{\displaystyle n\geqslant n_{\epsilon },p>0}
. Возьмем
ϵ
=
1
2
,
1
2
2
,
1
2
3
,
.
.
.
,
1
2
k
,
.
.
.
{\displaystyle \epsilon ={\frac {1}{2}},{\frac {1}{2^{2}}},{\frac {1}{2^{3}}},...,{\frac {1}{2^{k}}},...}
и для каждого
ϵ
=
1
2
k
{\displaystyle \epsilon ={\frac {1}{2^{k}}}}
подберем соответствующий номер
n
k
{\displaystyle n_{k}}
. Можно считать, что
n
1
<
n
2
<
.
.
.
.
<
n
k
<
.
.
.
{\displaystyle n_{1}<n_{2}<....<n_{k}<...}
. Таким образом,
∫
a
b
{
f
n
+
p
(
x
)
−
f
n
(
x
)
}
2
d
x
<
1
2
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f_{n+p}(x)-f_{n}(x)\right\}^{2}dx<{\frac {1}{2^{2k}}}}
. Взяв, в частности
n
=
n
k
,
n
+
p
=
n
k
+
1
{\displaystyle n=n_{k},n+p=n_{k+1}}
, будем иметь
∫
a
b
{
f
n
k
+
1
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
<
1
2
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f_{n_{k+1}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx<{\frac {1}{2^{2k}}}}
. Неравенство Коши — Буняковского даст
∫
a
b
|
f
n
k
+
1
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
|
d
x
=
∫
a
b
|
f
n
k
+
1
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
|
∗
1
d
x
⩽
∫
a
b
d
x
∫
a
b
{
f
n
k
+
1
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
<
b
−
a
∗
1
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left|f_{n_{k+1}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right|dx=\int _{a}^{b}\left|f_{n_{k+1}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right|*1dx\leqslant {\sqrt {\int _{a}^{b}dx}}{\sqrt {\int _{a}^{b}\left\{f_{n_{k+1}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx}}<{\sqrt {b-a}}*{\frac {1}{2^{k}}}}
. И поэтому положительный ряд
∫
a
b
|
f
n
1
(
x
)
|
d
x
+
∑
k
=
1
∞
|
f
n
k
+
1
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
|
2
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left|f_{n_{1}}(x)\right|dx+\sum _{k=1}^{\infty }\left|f_{n_{k+1}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right|^{2}dx}
сходится, так как его члены не превышают членов сходящегося геометрического ряда. Покажем, что
f
(
x
)
∈
L
2
(
a
,
b
)
{\displaystyle f(x)\in L_{2}\left(a,b\right)}
. Положим в неравенстве
∫
a
b
{
f
n
+
p
(
x
)
−
f
n
(
x
)
}
2
d
x
<
1
2
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f_{n+p}(x)-f_{n}(x)\right\}^{2}dx<{\frac {1}{2^{2k}}}}
n
=
n
k
{\displaystyle n=n_{k}}
а
n
+
p
=
n
m
{\displaystyle n+p=n_{m}}
, где
m
>
k
{\displaystyle m>k}
. Получим
∫
a
b
{
f
n
m
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
<
1
2
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f_{n_{m}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx<{\frac {1}{2^{2k}}}}
. Пусть
m
→
∞
{\displaystyle m\rightarrow \infty }
.Тогда подынтегральные функции стремятся
почти всюду к
{
f
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
{\displaystyle \left\{f(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}}
и в силу их неотрицательности можно применить лемму Фату. Будем иметь
∫
a
b
{
f
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
⩽
sup
m
>
k
∫
a
b
{
f
n
m
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
<
1
2
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx\leqslant \sup _{m>k}\int _{a}^{b}\left\{f_{n_{m}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx<{\frac {1}{2^{2k}}}}
, то есть
f
(
x
)
∈
L
2
(
a
,
b
)
{\displaystyle f(x)\in L_{2}\left(a,b\right)}
. Теперь неравенство
∫
a
b
{
f
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
⩽
sup
m
>
k
∫
a
b
{
f
n
m
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
<
1
2
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx\leqslant \sup _{m>k}\int _{a}^{b}\left\{f_{n_{m}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx<{\frac {1}{2^{2k}}}}
показывает, что подпоследовательность
{
f
n
k
(
x
)
}
{\displaystyle \left\{f_{n_{k}}(x)\right\}}
сходится в среднем к
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
. Докажем, что и вся последовательность
{
f
n
(
x
)
}
{\displaystyle \left\{f_{n}(x)\right\}}
сходится к той же функции. Согласно неравенству треугольника имеем
‖
f
n
−
f
‖
⩽
‖
f
n
−
f
n
k
‖
+
‖
f
n
k
−
f
‖
{\displaystyle \left\|f_{n}-f\right\|\leqslant \left\|f_{n}-f_{n_{k}}\right\|+\left\|f_{n_{k}}-f\right\|}
. Для произвольного
ϵ
>
0
{\displaystyle \epsilon >0}
возьмем сначала
k
{\displaystyle k}
так, чтобы
1
2
2
k
<
ϵ
2
{\displaystyle {\frac {1}{2^{2k}}}<{\frac {\epsilon }{2}}}
. Тогда в силу
∫
a
b
{
f
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
⩽
sup
m
>
k
∫
a
b
{
f
n
m
(
x
)
−
f
n
k
(
x
)
}
2
d
x
<
1
2
2
k
{\displaystyle \int _{a}^{b}\left\{f(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx\leqslant \sup _{m>k}\int _{a}^{b}\left\{f_{n_{m}}(x)-f_{n_{k}}(x)\right\}^{2}dx<{\frac {1}{2^{2k}}}}
получаем
‖
f
n
k
−
f
‖
<
ϵ
2
{\displaystyle \left\|f_{n_{k}}-f\right\|<{\frac {\epsilon }{2}}}
. Если, кроме того, выбрать
n
k
{\displaystyle n_{k}}
настолько большим, чтобы при
n
⩾
n
k
{\displaystyle n\geqslant n_{k}}
имело место неравенство
‖
f
n
−
f
n
k
‖
<
ϵ
2
{\displaystyle \left\|f_{n}-f_{n_{k}}\right\|<{\frac {\epsilon }{2}}}
, что возможно в силу сходимости в среднем к себе последовательности
{
f
n
(
x
)
}
{\displaystyle \left\{f_{n}(x)\right\}}
, то будем иметь
‖
f
n
−
f
‖
<
ϵ
{\displaystyle \left\|f_{n}-f\right\|<\epsilon }
при
n
⩾
n
k
{\displaystyle n\geqslant n_{k}}
, а это и означает требуемую сходимость.
Соболев В. И. Лекции по дополнительным главам математического анализа. — М.: Наука, 1968 — стр. 218.