关于构造L²([0,1])中在所有p<2的Lᵖ([0,1])稠密但在L²([0,1])中不稠密的子空间的疑问
先梳理下我目前的推导思路和遇到的问题:
为了简化表述,我用$L^p$代替$L^p([0,1])$。已知当$p<q$时,范数满足$\lVert\cdot\rVert_p\le\lVert\cdot\rVert_q$,因此有$L^q\subseteq Lp$;由此可以推出,对所有$p<2$,$L2\subseteq L^p$。
接下来我取一个非零元素$g\in L^2$,定义子空间:
$$S={f\in L^2: \langle g,f\rangle_{L^2}=0}$$
显然$S$的正交补$S\perp=\text{Span}(g)\ne{0}$,所以$S$在$L2$中肯定不是稠密的。现在我想搞清楚一个问题:当$p<2$时,$S$在$L^p$中是否稠密?
针对$p<2$的情况,我用泛函分析里的稠密性判别思路:$S$在$Lp$中稠密,当且仅当所有在$S$上恒为0的$Lp$线性泛函都是零泛函。我们知道$Lp$的对偶空间是$Lq$,其中$p,q$是共轭指数(即$\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1$);因为$p<2$,所以对应的$q>2$。
假设$h\in L^q$,并且对所有$f\in S$都满足$\int hf\ dm=0$。现在如果$\int gh\ dm=0$(也就是$\overline{h}\in S$),那么可以推导出$\int h\overline{h}\ dm=0$,进而得到$h=0$。
所以到这里我得到一个等价结论:$S$对每个$p<2$都在$L^p$中稠密,当且仅当存在非零的$g\in L^2$,使得对所有$q>2$的$h\in L^q$都有$\int gh\ dm=0$。
现在我卡住的地方是:有没有可能构造出这样的$g$?或者有没有其他更直接的方法来解决这个问题?
麻烦各位大佬帮忙指点一下,提前感谢!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者MathBS

