Теория операторов - Operator theory

В математика, теория операторов это изучение линейные операторы на функциональные пространства, начиная с дифференциальные операторы и интегральные операторы. Операторы могут быть абстрактно представлены их характеристиками, такими как ограниченные линейные операторы или же закрытые операторы, и может быть рассмотрено нелинейные операторы. Исследование, которое во многом зависит от топология функциональных пространств, является ветвью функциональный анализ.

Если набор операторов образует алгебра над полем, то это операторная алгебра. Описание операторных алгебр является частью теории операторов.

Теория единственного оператора

Теория единственного оператора занимается свойствами и классификацией операторов, рассматриваемых по очереди. Например, классификация нормальные операторы с точки зрения их спектры попадает в эту категорию.

Спектр операторов

Основная статья: Спектральная теорема

В спектральная теорема есть ли какой-либо из результатов о линейные операторы или о матрицы.^[1] В широком смысле спектральная теорема обеспечивает условия, при которых оператор или матрица может быть диагонализованный (то есть представлен как диагональная матрица в какой-то базе). Эта концепция диагонализации относительно проста для операторов в конечномерных пространствах, но требует некоторой модификации для операторов в бесконечномерных пространствах. В общем, спектральная теорема определяет класс линейные операторы что может быть смоделировано операторы умножения, которые настолько просты, насколько можно надеяться найти. Говоря более абстрактным языком, спектральная теорема - это утверждение о коммутативности C * -алгебры. Смотрите также спектральная теория для исторической перспективы.

Примеры операторов, к которым применима спектральная теорема: самосопряженные операторы или в более общем смысле нормальные операторы на Гильбертовы пространства.

Спектральная теорема также дает канонический разложение, называемое спектральное разложение, разложение на собственные значения, или же собственное разложение, лежащего в основе векторного пространства, на котором действует оператор.

Нормальные операторы

Основная статья: Нормальный оператор

А нормальный оператор на комплексе Гильбертово пространство ЧАС это непрерывный линейный оператор N : ЧАС → ЧАС который ездит на работу с этими эрмитский соплеменник N *, то есть: NN * = N * N.^[2]

Нормальные операторы важны, потому что спектральная теорема держится за них. Сегодня класс нормальных операторов хорошо изучен. Примеры нормальных операторов:

• унитарные операторы: N * = N⁻¹
• Эрмитовы операторы (т.е. самосопряженные операторы): N * = N; (также антисамосопряженные операторы: N * = −N)
• положительные операторы: N = ММ *
• нормальные матрицы можно рассматривать как нормальные операторы, если взять гильбертово пространство как C^п.

Спектральная теорема распространяется на более общий класс матриц. Позволять А - оператор в конечномерном внутреннем пространстве продукта. А как говорят нормальный если А^* А = А А^*. Можно показать, что А нормален тогда и только тогда, когда он унитарно диагонализуем: Разложение Шура, у нас есть А = U T U^*, куда U унитарен и Т верхнетреугольный. А это нормально, Т Т^* = Т^* Т. Следовательно, Т должен быть диагональным, поскольку нормальные верхнетреугольные матрицы диагональны. Обратное очевидно.

Другими словами, А нормально тогда и только тогда, когда существует унитарная матрица U такой, что

${\displaystyle A=UDU^{*}\;}$

куда D это диагональная матрица. Тогда элементы диагонали D являются собственные значения из А. Векторы-столбцы U являются собственными векторами А и они ортонормированы. В отличие от эрмитского случая, записи D не обязательно быть реальным.

Полярное разложение

Основная статья: Полярное разложение

В полярное разложение любой ограниченный линейный оператор А между сложными Гильбертовы пространства каноническая факторизация как произведение частичная изометрия и неотрицательный оператор.^[3]

Полярное разложение для матриц обобщается следующим образом: если А является ограниченным линейным оператором, то существует единственная факторизация А как продукт А = ВВЕРХ куда U частичная изометрия, п неотрицательный самосопряженный оператор и начальное пространство U это закрытие диапазона п.

Оператор U должен быть ослаблен до частичной изометрии, а не унитарной из-за следующих проблем. Если А это односторонний сдвиг на л²(N), то |А| = {А * А}^½ = я. Так что если А = U |А|, U должно быть А, который не является унитарным.

Существование полярного разложения является следствием Лемма Дугласа:

Лемма Если А, B - ограниченные операторы в гильбертовом пространстве ЧАС, и А * А ≤ B * B, то существует сжатие C такой, что A = CB. Более того, C уникален, если Ker(B *) ⊂ Ker(C).

Оператор C можно определить как C (Bh) = Ах, продолженная непрерывностью до закрытия Ран(B) и нулем на ортогональном дополнении к Ран(B). Оператор C хорошо определено, поскольку А * А ≤ B * B подразумевает Ker(B) ⊂ Ker(А). Далее следует лемма.

В частности, если А * А = B * B, тогда C является частичной изометрией, которая уникальна, если Ker(B *) ⊂ Ker(CВ общем случае для любого ограниченного оператора А,

${\displaystyle A^{*}A=(A^{*}A)^{\frac {1}{2}}(A^{*}A)^{\frac {1}{2}},}$

куда (А * А)^½ является единственным положительным квадратным корнем из А * А дан обычным функциональное исчисление. Итак, по лемме имеем

${\displaystyle A=U(A^{*}A)^{\frac {1}{2}}}$

для некоторой частичной изометрии U, который уникален, если Ker(А) ⊂ Ker(U). (Примечание Ker(А)=Ker(А * А)=Ker(B)=Ker(B *), куда B=B *=(А * А)^½.) Брать п быть (А * А)^½ и получаем полярное разложение А = ВВЕРХ. Обратите внимание, что аналогичный аргумент может использоваться, чтобы показать A = P'U ' , куда П' положительный и U ' частичная изометрия.

Когда ЧАС конечномерно, U может быть расширен до унитарного оператора; в целом это неверно (см. пример выше). В качестве альтернативы полярное разложение можно показать с помощью операторной версии разложение по сингулярным числам.

В собственности непрерывное функциональное исчисление, | A | находится в C * -алгебра создано А. Аналогичное, но более слабое утверждение справедливо для частичной изометрии: полярная часть U находится в алгебра фон Неймана создано А. Если А обратима, U будет в C * -алгебра создано А также.

Связь с комплексным анализом

Многие изучаемые операторы являются операторами в гильбертовых пространствах голоморфные функции, а изучение оператора тесно связано с вопросами теории функций. Теорема Берлинга описывает инвариантные подпространства одностороннего сдвига в терминах внутренних функций, которые являются ограниченными голоморфными функциями на единичном круге с унимодулярными граничными значениями почти всюду на окружности. Берлинг интерпретировал односторонний сдвиг как умножение на независимую переменную на круге. Харди космос.^[4] Успех в изучении операторов умножения и вообще Операторы Теплица (которые представляют собой умножение с последующей проекцией на пространство Харди) вдохновили на изучение подобных вопросов в других пространствах, таких как Пространство Бергмана.

Операторные алгебры

Теория операторные алгебры приносит алгебры операторов, таких как C * -алгебры на передний план.

C * -алгебры

Основная статья: C * -алгебра

C * -алгебра, А, это Банахова алгебра над полем сложные числа вместе с карта * : А → А. Один пишет Икс* для изображения элемента Икс из А. Карта * имеет следующие свойства:^[5]

• Это инволюция, для каждого Икс в А

${\displaystyle x^{**}=(x^{*})^{*}=x}$

• Для всех Икс, у в А:

${\displaystyle (x+y)^{*}=x^{*}+y^{*}}$

${\displaystyle (xy)^{*}=y^{*}x^{*}}$

• Для любого λ из C и каждый Икс в А:

${\displaystyle (\lambda x)^{*}={\overline {\lambda }}x^{*}.}$

• Для всех Икс в А:

${\displaystyle \|x^{*}x\|=\|x\|\|x^{*}\|.}$

Замечание. Первые три тождества говорят, что А это *-алгебра. Последняя идентичность называется C * личность и эквивалентен:

${\displaystyle \|xx^{*}\|=\|x\|^{2},}$

C * -идентичность - очень строгое требование. Например, вместе с формула спектрального радиуса, это означает, что C * -норма однозначно определяется алгебраической структурой:

${\displaystyle \|x\|^{2}=\|x^{*}x\|=\sup\{|\lambda |:x^{*}x-\lambda \,1{\text{ is not invertible}}\}.}$

Смотрите также

• Инвариантное подпространство
• Функциональное исчисление
• Спектральная теория
  • Резольвентный формализм
• Компактный оператор
  • Теория Фредгольма из интегральные уравнения
    • Интегральный оператор
    • Фредгольмов оператор
• Самосопряженный оператор
• Неограниченный оператор
  • Дифференциальный оператор
• Темное исчисление
• Картирование сокращения
• Положительный оператор на Гильбертово пространство
• Неотрицательный оператор на частично упорядоченное векторное пространство

Рекомендации

1. Сандер, В. Функциональный анализ: спектральная теория (1997) Birkhäuser Verlag
2. Хоффман, Кеннет; Кунце, Рэй (1971), Линейная алгебра (2-е изд.), Englewood Cliffs, N.J .: Prentice-Hall, Inc., стр. 312, МИСТЕР  0276251
3. Конвей, Джон Б. (2000), Курс теории операторов, Аспирантура по математике, Американское математическое общество, ISBN  0821820656
4. Никольский, Н. (1986), Трактат об операторе сдвига, Springer-Verlag, ISBN  0-387-90176-0. Изощренное рассмотрение связей между теорией операторов и теорией функций в Харди космос.
5. Арвесон, В. (1976), Приглашение в C * -алгебру, Springer-Verlag, ISBN  0-387-90176-0. Отличное введение в предмет, доступное для тех, кто знает основы функциональный анализ.

дальнейшее чтение

• Конвей, Дж. Б.: Курс функционального анализа, 2-е издание, Springer-Verlag, 1994, ISBN  0-387-97245-5
• Ёсино, Такаши (1993). Введение в теорию операторов. Чепмен и Холл / CRC. ISBN  978-0582237438.

внешняя ссылка

• История теории операторов