Funktionalanalysis

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Die Funktionalanalysis ist der Zweig der Mathematik, der sich mit dem Studium von Funktionenräumen beschäftigt. Die Funktionalanalysis kann als Teil oder als Erweiterung der Analysis angesehen werden.

Die historischen Wurzeln der Funktionalanalysis liegen in dem Studium der Fourier-Transformation (und ähnlicher Transformationen) und der Behandlung von Differential- und Integralgleichungen. Der Wortbestandteil "funktional" geht zurück auf die Variationsrechnung: Funktionale sind Funktionen, deren Argumente wiederum Funktionen sind.

Aus moderner Sicht besteht die Funktionalanalysis aus dem Studium vollständiger normierter Vektorräume über den reellen oder komplexen Zahlen. Solche Räume heißen Banachräume. Ein wichtiges Beispiel sind Hilberträume, bei denen die Norm von einem Skalarprodukt erzeugt wird. Diese Räume sind von grundlegender Bedeutung für die mathematische Formulierung der Quantenmechanik. Etwas allgemeiner werden in der Funktionalanalysis auch Fréchet-Räume und andere topologische Vektorräume behandelt, die keine Norm haben.

Ein wichtiger Behandlungsgegenstand sind stetige lineare Operatoren auf Banach- oder Hilbert-Räumen.

Hilberträume können vollständig klassifiziert werden: Für jede Mächtigkeit einer Basis existiert (bis auf Isomorphie) exakt ein Hilbertraum. Da endlich-dimensionale Hilberträume von der linearen Algebra erfasst werden und jeder Morphismus zwischen Hilberträumen zerlegt werden kann in Morphismen von Hilberträumen der Dimension (Aleph Null, siehe Abzählbarkeit), betrachtet man in der Funktionalanalysis hauptsächlich den Hilbertraum der Dimension Aleph Null und seine Morphismen.

Banachräume sind dagegen viel komplexer. Es gibt zu dem Beispiel keine praktisch nutzbare allgemeine Definition einer Basis (z.B. ist eine Basis vom unter Basis (Vektorraum) beschriebenen Typ (auch Hamelbasis genannt) hier meist nicht-konstruktiv, lässt sich also nicht explizit angeben).

Für jede reelle Zahl p ≥ 1 gibt es den Banachraum "aller Lebesgue-messbaren Funktionen, deren p-te Potenz des Betrags ein endliches Integral hat" (siehe Lp-Raum).

Beim Studium von Banachräumen ist die Behandlung des Dualraumes ein wichtiger Teil. Der Dualraum besteht aus allen stetigen linearen Funktionen vom Banachraum in die reellen (oder komplexen) Zahlen. Wie in der linearen Algebra muss auch hier der Dualraum des Dualraums nicht isomorph zu dem ursprünglichen Raum sein, aber es gibt immer einen Monomorphismus von einem Raumins Dual seines Dualraums.

Der Begriff der Ableitung lässt sich auf Funktionen zwischen Banachräumen so verallgemeinern, dass die Ableitung in einem Punkt eine stetige lineare Abbildung ist.