Повторить

Линейные ограниченные операторы

Прогресс изучения0 из 5

Отмечай теоремы кнопками ✓ (изучено) и ↻ (повторить)

Все теоремы темы5
  1. Непрерывность и ограниченность линейного оператора
  2. Пространство ограниченных операторов
  3. Нормы матричных операторов
  4. Норма интегрального оператора в C[a, b]
  5. Продолжение ограниченного оператора по непрерывности
теорема

Непрерывность и ограниченность линейного оператора

Формулировка

Линейный оператор A ⁣:E→FA\colon E\to F непрерывен тогда и только тогда, когда он ограничен (и тогда и только тогда, когда он непрерывен в нуле). При этом ∥Ax∥≤∥A∥∥x∥\|Ax\|\le\|A\|\|x\|.

Доказательство

Развернуть

Дословно повторяет доказательство для функционалов с заменой ∣f(x)∣|f(x)| на ∥Ax∥\|Ax\|: если ∥Axn∥>n∥xn∥\|Ax_n\| > n\|x_n\|, то yn=xn/(n∥xn∥)→0y_n = x_n/(n\|x_n\|)\to 0, но ∥Ayn∥>1\|Ay_n\| > 1; обратно, ∥Axn−Ax∥≤C∥xn−x∥\|Ax_n - Ax\|\le C\|x_n - x\|. ■\blacksquare

Источники:Колмогоров, Фомин, Элементы теории функций и функционального анализа, гл. 4, §5Власова, Функциональный анализ и интегральные уравнения, гл. 2, §3.3Треногин, Функциональный анализ, гл. 2, §§10–12Власова, Зарубин, Кувыркин, Приближённые методы математической физики, §§4.3–4.5
теорема

Пространство ограниченных операторов

Формулировка

L(E,F)\mathcal L(E, F) — нормированное пространство; если FF банахово, то L(E,F)\mathcal L(E, F) банахово. Кроме того, ∥AB∥≤∥A∥∥B∥\|AB\|\le\|A\|\|B\|, в частности ∥An∥≤∥A∥n\|A^n\|\le\|A\|^n.

Доказательство

Развернуть

Аксиомы нормы проверяются непосредственно; например, ∥(A+B)x∥≤(∥A∥+∥B∥)∥x∥\|(A + B)x\|\le(\|A\| + \|B\|)\|x\|.

Полнота доказывается как полнота E∗E^*: для фундаментальной AnA_n векторы AnxA_nx фундаментальны в FF, их пределы задают линейный оператор AA, и из ∥Anx−Amx∥≤ε∥x∥\|A_nx - A_mx\|\le\varepsilon\|x\| получаем ∥An−A∥≤ε\|A_n - A\|\le\varepsilon.

∥ABx∥≤∥A∥∥Bx∥≤∥A∥∥B∥∥x∥\|ABx\|\le\|A\|\|Bx\|\le\|A\|\|B\|\|x\|. ■\blacksquare

Источники:Колмогоров, Фомин, Элементы теории функций и функционального анализа, гл. 4, §5Власова, Функциональный анализ и интегральные уравнения, гл. 2, §3.3Треногин, Функциональный анализ, гл. 2, §§10–12Власова, Зарубин, Кувыркин, Приближённые методы математической физики, §§4.3–4.5
теорема

Нормы матричных операторов

Формулировка

Для оператора A ⁣:Rn→RmA\colon\mathbb R^n\to\mathbb R^m, заданного матрицей (aij)(a_{ij}):

∥A∥∞=max⁡i∑j∣aij∣,∥A∥1=max⁡j∑i∣aij∣,∥A∥2=λmax⁡(ATA),\|A\|_{\infty} = \max_i\sum_j|a_{ij}|,\qquad\|A\|_{1} = \max_j\sum_i|a_{ij}|,\qquad\|A\|_{2} = \sqrt{\lambda_{\max}(A^TA)},

где индекс указывает норму ρ∞\rho_\infty, ρ1\rho_1, ρ2\rho_2 в обоих пространствах.

Доказательство

Развернуть

∞\infty: ∣∑jaijxj∣≤∑j∣aij∣max⁡∣xj∣\left|\sum_ja_{ij}x_j\right|\le\sum_j|a_{ij}|\max|x_j|; равенство достигается при xj=sign⁡ai0jx_j = \operatorname{sign}a_{i_0j}, где i0i_0 — строка с наибольшей суммой.

11: ∑i∣∑jaijxj∣≤∑j∣xj∣∑i∣aij∣\sum_i\left|\sum_ja_{ij}x_j\right|\le\sum_j|x_j|\sum_i|a_{ij}|; равенство при x=ej0x = e_{j_0}.

22: ∥Ax∥2=(ATAx,x)\|Ax\|^2 = (A^TAx, x). Матрица ATAA^TA симметрична и неотрицательна, в ортонормированном базисе её собственных векторов (ATAx,x)=∑λkxk2≤λmax⁡∥x∥2(A^TAx, x) = \sum\lambda_kx_k^2\le\lambda_{\max}\|x\|^2, с равенством на собственном векторе. ■\blacksquare

Источники:Колмогоров, Фомин, Элементы теории функций и функционального анализа, гл. 4, §5Власова, Функциональный анализ и интегральные уравнения, гл. 2, §3.3Треногин, Функциональный анализ, гл. 2, §§10–12Власова, Зарубин, Кувыркин, Приближённые методы математической физики, §§4.3–4.5
теорема

Норма интегрального оператора в C[a, b]

Формулировка

Пусть ядро K(t,s)K(t, s) непрерывно на [a,b]2[a, b]^2. Оператор (Ax)(t)=∫abK(t,s)x(s) ds(Ax)(t) = \int_a^bK(t, s)x(s)\,ds ограничен в C[a,b]C[a, b] и

∥A∥=max⁡t∈[a,b]∫ab∣K(t,s)∣ ds.\|A\| = \max_{t\in[a,b]}\int_a^b|K(t, s)|\,ds.

Доказательство

Развернуть

AxAx непрерывна по равномерной непрерывности ядра, и ∣(Ax)(t)∣≤∥x∥∫ab∣K(t,s)∣ ds|(Ax)(t)|\le\|x\|\int_a^b|K(t, s)|\,ds, так что ∥A∥≤M:=max⁡tg(t)\|A\|\le M := \max_tg(t), где g(t)=∫ab∣K(t,s)∣ dsg(t) = \int_a^b|K(t, s)|\,ds.

Пусть g(t0)=Mg(t_0) = M. Положим xn(s)=K(t0,s)∣K(t0,s)∣+1/nx_n(s) = \dfrac{K(t_0, s)}{|K(t_0, s)| + 1/n}; тогда xnx_n непрерывна и ∣xn∣≤1|x_n|\le 1. Так как K2∣K∣+ε≥∣K∣−ε\dfrac{K^2}{|K| + \varepsilon}\ge|K| - \varepsilon,

∥Axn∥≥(Axn)(t0)=∫abK(t0,s)2∣K(t0,s)∣+1/n ds≥M−b−an.\|Ax_n\|\ge(Ax_n)(t_0) = \int_a^b\frac{K(t_0, s)^2}{|K(t_0, s)| + 1/n}\,ds\ge M - \frac{b - a}n.

Значит, ∥A∥≥M\|A\|\ge M. ■\blacksquare

Источники:Колмогоров, Фомин, Элементы теории функций и функционального анализа, гл. 4, §5Власова, Функциональный анализ и интегральные уравнения, гл. 2, §3.3Треногин, Функциональный анализ, гл. 2, §§10–12Власова, Зарубин, Кувыркин, Приближённые методы математической физики, §§4.3–4.5
теорема

Продолжение ограниченного оператора по непрерывности

Формулировка

Пусть E0E_0 — всюду плотное линейное многообразие в EE, FF банахово и A0 ⁣:E0→FA_0\colon E_0\to F — ограниченный линейный оператор. Тогда существует единственный A∈L(E,F)A\in\mathcal L(E, F), совпадающий с A0A_0 на E0E_0, и ∥A∥=∥A0∥\|A\| = \|A_0\|.

Доказательство

Развернуть

Для x∈Ex\in E возьмём xn∈E0x_n\in E_0, xn→xx_n\to x. Последовательность A0xnA_0x_n фундаментальна, так как ∥A0xn−A0xm∥≤∥A0∥∥xn−xm∥\|A_0x_n - A_0x_m\|\le\|A_0\|\|x_n - x_m\|, и сходится в FF. Положим Ax=lim⁡A0xnAx = \lim A_0x_n. Предел не зависит от выбора xnx_n (чередуем две последовательности). AA линеен, и ∥Ax∥=lim⁡∥A0xn∥≤∥A0∥∥x∥\|Ax\| = \lim\|A_0x_n\|\le\|A_0\|\|x\|. Единственность следует из непрерывности. ■\blacksquare

Источники:Колмогоров, Фомин, Элементы теории функций и функционального анализа, гл. 4, §5Власова, Функциональный анализ и интегральные уравнения, гл. 2, §3.3Треногин, Функциональный анализ, гл. 2, §§10–12Власова, Зарубин, Кувыркин, Приближённые методы математической физики, §§4.3–4.5