S MTK 1000690 chapter5

(1)

DUALITAS RUANG ORLICZ

Hazmy, Sofhara AL. 2014

Karena ketaksamaan Holder yang telah dipelajari pada bab sebelumnya, Untuk sembarang ℎ ∈ ∗, kita dapat mendefinisikan suatu fungsional linear kontinu ℓ yang memetakan kedalam ℝ. Oleh sebab itu, secara langsung dapat diperoleh suatu pemetaan � yang memetakan ∗ kedalam ′ dengan � ℎ = ℓ. Pada bab ini, akan diperlihatkan bahwa pemetaan � adalah suatu isomorfisma. Sehingga ′ ≅ ∗.

5.1 Dualitas Ruang Orlicz

Untuk sembarang ℎ ∈ ∗, didefinisikan fungsi ℓ: → ℝ dimana

ℓℎ ≔ ∫ ℎ �

, ∈ �. . .

Berdasarkan ketaksamaan Holder

|ℓℎ | ‖ℎ‖�∗‖ ‖� < ∞.

Karenanya ℓ adalah fungsional linier kontinu pada .

Lema 5.1.1

Misalkan ℎ fungsi terukur.

a) Jika ℎ ∈ untuk semua ∈ , maka ℎ ∈ ∗.

b) Misalkan finite. Jika ℎ ∈ untuk semua ∈ , maka ℎ ∈ ∗.


(2)

a) Misalkan ℎ suatu fungsi terukur sedemikian sehingga ℎ ∈ untuk semua

∈ �. definisikan ℎ� ≔ |ℎ| . Karena � ukuran �-hingga terdapat barisan

naik berukuran hingga {�}�=∞ sedemikian sehingga � = ⋃∞�=. Definisikan

ℓ�,� ≔ ∫ ���ℎ� �

= ∫ ℎ� � ��

Untuk setiap ∈ .

Karena, ℎ , maka terdapat sedemikian sehingga ℎ <

sup , akibatnya ∫ ∗(�) � ∗ ℎ � � < ∞, maka

���ℎ� ∈ �. Berdasarkan ketaksamaan Holder,

|ℓ�,� | ‖���ℎ�‖∗‖ ‖�, menunjukkan ℓ�,� fungsional linear kontinu pada

�, dan untuk semua , � ,

|ℓ�,� | ∫ ���ℎ�| | �

∫|ℎ|| | �

= < ∞,

Sehingga lim�,�→∞�,� ada untuk setiap . Berdasarkan teorema Banach-Saks-Steinhaus, keluarga {ℓ�,� } terbatas seragam. Dengan kata lain terdapat

> sedemikian sehingga

‖ℓ�,�‖

untuk semua , �.

Dilain pihak, Karena ℎ dan terukur pada �, maka ∫ ℎ

� suatu

ukuran, sehingga ketika � → ∞, ℓ�,� → ∫ ℎ �. Karena ketika → ∞,

ℎ� → ℎ titik demi titik, berdasarkan teorema kekonvergenan monoton


(3)

lim

�,�→∞ℓ�,� = lim�,�→∞ ∫ ℎ� � ��

= ∫ ℎ �

.

Sehingga

|ℎ|�∗ = sup {∫ ℎ � �

| ∈ �, ‖ ‖� }

= sup { lim�,�→∞ℓ�,� | ∈ �, ‖ ‖� }

sup{ ‖ ‖� | ∈ �, ‖ ‖� }

= < ∞.

Berdasarkan proposisi 4.1.17, ‖ℎ‖∗ |ℎ|∗ < ∞. Sehingga ℎ ∈ ∗. b) bukti b) serupa dengan a), cukup dengan menukar |ℎ|∗ dengan ∗ ℎ .

Lema 5.1.3

Ruang padat dalam .

Bukti. Untuk kasus ⊊ ℝ, = { }. = padat dalam . Misalkan = ℝ dan sembarang anggota . Untuk setiap , didefinisikan ∶= − . . Jelas lim�→∞ = titik demi titik. Untuk setiap , misalkan ≔ {� ∈ �|| � | > }, diperoleh ‖ − =

‖ ���‖. Untuk setiap > , ��� konvergen ke titik demi demi titik ketika

→ ∞. Oleh sebab itu ( �) konvergen titik demi titik ke = ketika

→ ∞. Karena ( �) terdominasi oleh , berdasarkan Teorema kekonvergenan terdominasi Lebesgue

lim

�→∞∫ ( ���) � �


(4)

Berdasarkan Lema 4.1.9, ‖ − = ‖ �

� = . Terbukti.

Lema 5.1.4

Jika = ℝ dan � � < ∞ maka dual ′ dari isomorfik dengan ∗. Yaitu

�′ ≅ �∗.

Bukti. Akan dibuktikan untuk setiap ℓ ∈ ′ terdapat ℎ ∈ ∗ tungggal sedemikian sehingga ℓ = ℓ.

Untuk semua ℎ ∈ ∗, ℓ yang didefinisikan pada . . adalah fungsional linear kontinu. Selanjutnya akan dibutktikan pemetaan yang memetakan

�∗ ⟶

dimana

ℎ ⟶ ℓℎ

adalah pemetaan pada (onto).

Definisikan � � ∶= ℓ � , � ∈ Σ. Karena � ukuran �-hingga, misalkan � , � , ⋯ himpunan-himpunan terukur disjoin sedemikian sehingga � = ⋃∞�=. Karena

� � = ∑∞�= � �� < ∞, maka lim�→∞∑∞�=�+ � �� = , konsekuensinya

lim

�→∞‖�� − ∑ ���

� �=

= lim�→∞‖ ∑ ���

∞ �=�+

= lim�→∞[inf { > | ∫ ∑∞�=�+ ���

}]

= lim�→∞[inf { > | ∫ ( ) ∑ ∫ �

��

∞ �=�+ �


(5)

= lim�→∞[inf { > | ∫ ( ) ∑ � �� ∞ �=�+ � }] = .

Karena ℓ kontinu dan linear pada , maka

ℓ �� = ℓ (∑ ���

∞ �=

) = ∑ ℓ(���)

∞ �= atau � � = ∑ �(���) ∞ �= . . .

Untuk menunjukkan � ukuran bertanda (signed measure), akan ditunjukkan ruas kanan persamaan . . konvergen mutlak. Definisikan ≔ sgn ℓ(�) dan

≔ sgn(ℓ �� ), maka

lim �→∞‖ ��− ∑ ���� � �= ‖ �

= lim�→∞‖ ∑ ����

∞ �=�+

= lim�→∞[inf { > | ∫ ∑∞�=�+ ����

}]

= lim�→∞[inf { > | ∫ ∑ ∫ � �

��

∞ �=�+ �

}]

= lim�→∞[inf { > | ∫ ( ) ∑ � �� ∞ �=�+ � }] = . Menunjukkan bahwa

ℓ �� = ℓ �� = ℓ (∑ ����

∞ �=

) = ∑ �ℓ(���)

∞ �=


(6)

atau

|� � | = ∑|�(���)|

∞ �=

konvergen. Sehingga � ukuran bertanda. Perhatikan bahwa, jika � ∈ Σ dengan

� � = , maka � merepresentasikan fungsi nol �-a.e pada �, sehingga

� � = ℓ �� = . Akibatnya � kontinu mutlak. Berdasarkan teorema

Radon-Nikodym, terdapat fungsi ℎ yang terintegralkan pada � sedemikian sehingga

ℓ �� = � � = ∫ ℎ �

.

Akibatnya untuk sembarang fungsi simpel ∈ ,

ℓ = ∫ ℎ �

.

Oleh sebab itu, jika ∈ maka

ℓ = ∫ ℎ �

.

Misalkan + ≔ , ≔ − , + ≔ �{�∈�|ℎ � ≥ }, dan

�{�∈�|ℎ � < }, sehingga untuk semua ∈ �,

ℓ = ℓ + + + ℓ + − − ℓ − + − ℓ − − , . .

dimana + +, + −, − +, − −adalah fungsi-fungsi nonnegatif. Padahal, Untuk semua , ∈ , berdasarkan konsekuensi Teorema kekonvergenan terdominasi (lihat bukti Lema 5.1.3), lim�→∞ = . Karena ℓ kontinu,

lim�→∞ℓ = ℓ . Berdasarkan Teorema kekonvergenan monoton,

lim

�→∞ ∫ ℎ

{�∈�|ℎ � ≥ }

� = ∫ ℎ �


(7)

dan

lim

�→∞ ∫ ℎ

{�∈�|ℎ � < }

� = ∫ ℎ �

{�∈�|ℎ � < }

,

akibatnya

lim

�→∞∫ ℎ �

� = ∫ ℎ �

.

Berdasarkan hasil ini dan persamaan . . , diperoleh

ℓ = ∫ ℎ �

untuk semua ∈ . Berdasarkan Lema 5.1.2 b), ℎ ∈ ∗. Terbukti.

Proposisi 5.1.7

Jika = ℝ, maka dual ′ dari isomorfik dengan ∗. Yaitu

�′ ≅ �∗.

Bukti. Cukup dibuktikan untuk kasus � � = ∞.

Untuk semua ℎ ∈ ∗, ℓ yang didefinisikan pada . . adalah fungsional linear kontinu. Seperti pada bukti Lema 5.1.4, akan dibutktikan pemetaan yang memetakan

�∗ ⟶

dimana

ℎ ⟶ ℓℎ


(8)

Misalkan {�}�=∞ adalah barisan naik dari himpunan-himpunan terukur hingga dimana � = ⋃∞�=. Misalkan ℓ ∈ ′, berdasarkan Lema 5.1.4, untuk setiap terdapat ℎ∗sedemikian sehingga ℎ = pada � − � dan

ℓ = ∫ ℎ� �

,

dimana = pada � − �. Karena ℎ tunggal untuk setiap , maka ℎ�+ = ℎ pada �. Definisikan ℎ � = ℎ � jika � ∈ �, sehingga ℎ → ℎ titik demi titik pada �. Berdasarkan Teorema kekonvergenan monoton, untuk setiap ∈ dengan ‖ ‖ berlaku

lim

�→∞∫ ℎ� | �| �

� = ∫ ℎ | |

dan

lim

�→∞∫ −ℎ� | �| �

� = ∫ −ℎ | |

�,

dimana = pada � dan = pada � − �. Akibatnya

lim

�→∞∫ ℎ�| �| �

� = ∫ ℎ| |

�.

Karena ℓ fungsional linear terbatas, maka

∫ ℎ| |

� = lim�→∞∫ ℎ�| �| �

�→∞lim‖ℓ‖‖ �‖� �→∞lim‖ℓ‖‖ ‖� ‖ℓ‖,

akibatnya


(9)

Berdasarkan . . , ∗ ℎ ‖ℎ‖∗. Oleh sebab itu, ‖ℎ‖∗ < ∞, menunjukkan ℎ ∈ ∗.

Definisikan = pada � dan = pada � − �, berdasarkan ketaksamaan Holder, ℎ terintegralkan pada �, dan |ℎ | |ℎ | �-a.e pada �. Berdasarkan Teorema kekonvergenan terdominasi Lebesgue,

lim

�→∞∫ ℎ � � �

= ∫ ℎ

� . .

Dilain pihak, → titik demi titik pada �. Ambil sembarang , maka

( �− ) → titik demi titik �-a.e pada �. Berdasarkan Teorema

kekonvergenan monoton,

lim

�→∞∫ ( �− ) �

� = . .

Berdasarkan Lema 4.1.9, ‖ − ‖ = . Karena ℓ kontinu, maka

lim

�→∞ℓ � = ℓ . . .

Padahal, untuk setiap

ℓ � = ∫ ℎ� � � ��

= ∫ ℎ � � �

.


(1)

Berdasarkan Lema 4.1.9, ‖ − = ‖ �

� = . Terbukti.

Lema 5.1.4

Jika = ℝ dan � � < ∞ maka dual ′ dari isomorfik dengan ∗. Yaitu

�′ ≅ �∗.

Bukti. Akan dibuktikan untuk setiap ℓ ∈ ′ terdapat ℎ ∈ ∗ tungggal sedemikian sehingga ℓ = ℓ.

Untuk semua ℎ ∈ ∗, ℓ yang didefinisikan pada . . adalah fungsional linear kontinu. Selanjutnya akan dibutktikan pemetaan yang memetakan

�∗ ⟶

dimana

ℎ ⟶ ℓℎ adalah pemetaan pada (onto).

Definisikan � � ∶= ℓ � , � ∈ Σ. Karena � ukuran �-hingga, misalkan � , � , ⋯ himpunan-himpunan terukur disjoin sedemikian sehingga � = ⋃∞�=. Karena

� � = ∑∞�= � �� < ∞, maka lim�→∞∑∞�=�+ � �� = , konsekuensinya

lim

�→∞‖�� − ∑ ���

� �=

= lim�→∞‖ ∑ ���

∞ �=�+

= lim�→∞[inf { > | ∫ ∑∞�=�+ ���

}]

= lim�→∞[inf { > | ∫ ( ) ∑ ∫ �

��

∞ �=�+ �


(2)

= lim�→∞[inf { > | ∫ ( ) ∑ � �� ∞

�=�+ �

}] = .

Karena ℓ kontinu dan linear pada , maka

ℓ �� = ℓ (∑ ���

∞ �=

) = ∑ ℓ(���)

∞ �= atau

� � = ∑ �(���)

∞ �=

. . .

Untuk menunjukkan � ukuran bertanda (signed measure), akan ditunjukkan ruas kanan persamaan . . konvergen mutlak. Definisikan ≔ sgn ℓ(�) dan

≔ sgn(ℓ �� ), maka

lim

�→∞‖ ��− ∑ ���� �

�=

= lim�→∞‖ ∑ ����

∞ �=�+

= lim�→∞[inf { > | ∫ ∑∞�=�+ ����

}]

= lim�→∞[inf { > | ∫ ∑ ∫ � �

��

∞ �=�+ �

}]

= lim�→∞[inf { > | ∫ ( ) ∑ � �� ∞

�=�+ �

}] = .

Menunjukkan bahwa

ℓ �� = ℓ �� = ℓ (∑ ����

∞ �=

) = ∑ �ℓ(���)

∞ �=


(3)

atau

|� � | = ∑|�(���)|

∞ �=

konvergen. Sehingga � ukuran bertanda. Perhatikan bahwa, jika � ∈ Σ dengan

� � = , maka � merepresentasikan fungsi nol �-a.e pada �, sehingga

� � = ℓ �� = . Akibatnya � kontinu mutlak. Berdasarkan teorema Radon-Nikodym, terdapat fungsi ℎ yang terintegralkan pada � sedemikian sehingga

ℓ �� = � � = ∫ ℎ �

.

Akibatnya untuk sembarang fungsi simpel ∈ ,

ℓ = ∫ ℎ �

.

Oleh sebab itu, jika ∈ maka

ℓ = ∫ ℎ �

.

Misalkan + ≔ , ≔ − , + ≔ �{�∈�|ℎ � ≥ }, dan

�{�∈�|ℎ � < }, sehingga untuk semua ∈ �,

ℓ = ℓ + + + ℓ + − − ℓ − + − ℓ − − , . . dimana + +, + −, − +, − −adalah fungsi-fungsi nonnegatif. Padahal, Untuk semua , ∈ , berdasarkan konsekuensi Teorema kekonvergenan terdominasi (lihat bukti Lema 5.1.3), lim�→∞ = . Karena ℓ kontinu,

lim�→∞ℓ = ℓ . Berdasarkan Teorema kekonvergenan monoton,

lim

�→∞ ∫ ℎ

{�∈�|ℎ � ≥ }

� = ∫ ℎ �


(4)

dan

lim

�→∞ ∫ ℎ

{�∈�|ℎ � < }

� = ∫ ℎ �

{�∈�|ℎ � < }

,

akibatnya

lim

�→∞∫ ℎ

� = ∫ ℎ �

.

Berdasarkan hasil ini dan persamaan . . , diperoleh

ℓ = ∫ ℎ �

untuk semua ∈ . Berdasarkan Lema 5.1.2 b), ℎ ∈ ∗. Terbukti.

Proposisi 5.1.7

Jika = ℝ, maka dual ′ dari isomorfik dengan ∗. Yaitu �′ ≅ �∗.

Bukti. Cukup dibuktikan untuk kasus � � = ∞.

Untuk semua ℎ ∈ ∗, ℓ yang didefinisikan pada . . adalah fungsional linear kontinu. Seperti pada bukti Lema 5.1.4, akan dibutktikan pemetaan yang memetakan

�∗ ⟶

dimana

ℎ ⟶ ℓℎ adalah pemetaan pada (onto).


(5)

Misalkan {�}�=∞ adalah barisan naik dari himpunan-himpunan terukur hingga dimana � = ⋃∞�=. Misalkan ℓ ∈ ′, berdasarkan Lema 5.1.4, untuk setiap terdapat ℎ∗sedemikian sehingga ℎ = pada � − � dan

ℓ = ∫ ℎ� �

,

dimana = pada � − �. Karena ℎ tunggal untuk setiap , maka ℎ�+ = ℎ pada �. Definisikan ℎ � = ℎ � jika � ∈ �, sehingga ℎ → ℎ titik demi titik pada �. Berdasarkan Teorema kekonvergenan monoton, untuk setiap ∈ dengan ‖ ‖ berlaku

lim

�→∞∫ ℎ� | �|

� = ∫ ℎ | |

dan

lim

�→∞∫ −ℎ� | �|

� = ∫ −ℎ | |

�,

dimana = pada � dan = pada � − �. Akibatnya

lim

�→∞∫ ℎ�| �| �

� = ∫ ℎ| |

�.

Karena ℓ fungsional linear terbatas, maka

∫ ℎ| |

� = lim�→∞∫ ℎ�| �| �

�→∞lim‖ℓ‖‖ �‖� �→∞lim‖ℓ‖‖ ‖� ‖ℓ‖, akibatnya


(6)

Berdasarkan . . , ∗ ℎ ‖ℎ‖∗. Oleh sebab itu, ‖ℎ‖∗ < ∞, menunjukkan ℎ ∈ ∗.

Definisikan = pada � dan = pada � − �, berdasarkan ketaksamaan Holder, ℎ terintegralkan pada �, dan |ℎ | |ℎ | �-a.e pada �. Berdasarkan Teorema kekonvergenan terdominasi Lebesgue,

lim

�→∞∫ ℎ � � �

= ∫ ℎ

� . .

Dilain pihak, → titik demi titik pada �. Ambil sembarang , maka

( �− ) → titik demi titik �-a.e pada �. Berdasarkan Teorema kekonvergenan monoton,

lim

�→∞∫ ( �− )

� = . .

Berdasarkan Lema 4.1.9, ‖ − ‖ = . Karena ℓ kontinu, maka

lim

�→∞ℓ � = ℓ . . . Padahal, untuk setiap

ℓ � = ∫ ℎ� � � ��

= ∫ ℎ � � �

.