Здесь действительно всё вертится вокруг теоремы Банаха-Штейнгауза, но всё же не напрямую. Отталкиваемся от теоремы о замкнутом графике:
"Линейное отображение из банахова пространства в банахово пространство , определённое на всём , ограничено тогда и только тогда, когда его график замкнут."
Здесь под графиком отображения
понимается линейное подмножество
декартового произведения
; последнее представляет собой банахово пространство относительно естественной нормы
.
Так вот. Пусть
. Пусть
-- "проектор" на
в том смысле, что каждому
он ставит в соответствие единственный
из разложения
. Если все три подпространства
,
и
замкнуты, то и график этого оператора тоже замкнут. Действительно, из
следует
и
, но тогда и
. Это означает, что
, где
и
, т.е. предельная точка
.
Следовательно, по теореме о замкнутом графике оператор
ограничен, а ровно это и требовалось доказать.
(Ну можно ещё сослаться не на теорему о замкнутом графике, а, скажем, на теорему о непрерывности обратного; а вот как так сходу и непосредственно на Банаха-Штейнгауза -- не знаю.)