第一节 有界线性算子的谱
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第一节 有界线性算子的谱
一、算子代数
定义:()L X 是一复Banach 空间,并且为一具有线性运算与乘法运算的代数系统,我们称其为算子代数。
性质:设,,(),R S T L X α∈∈C ,则有 1、结合律:()()RS T R ST =,(,)m n
m n T T T m n +=∈N ;
2、()()()ST S T S T ααα==;
3、(),()R S T RS RT R S T RT ST +=++=+;
4、单位算子I 满足:IT TI T ==;
5、:T X X →为同构⇔存在,()A B L X ∈,使得AT I TB ==;必定A B =,称它为T 的逆,记作1
T -,并称T 为可逆算子。以()GL X 记()L X 中的可逆算子的全体。 6、若,()S T GL X ∈,则()ST GL X ∈,且
11111(),()()n n ST T S T T -----==。
当()T GL X ∈时约定10()(0),n
n T T n T I --=>=,因而对任何,k k Z T ∈有意义。
注:1、算子乘法不满足交换律; 2、,(1)n
n ST S T T
T n ≤≤≥;
3、若在()L X 中,n n S S T T →→,则必有n n S T ST →。
定义:设T 属于某算子代数,称
010
()(3.1.1)n n n n n f T T I T T αααα∞
===++
++
∑、
(其中系数(0)n n α∈≥C 为算子幂级数。
性质:设通常幂级数0
()n
n
n f λαλ
∞
==∑有收敛半径R ,则当(),T L X T R ∈<时级数
(3.1.1)绝对收敛:
n
n n n T T αα≤<∞∑∑。
引理3.1.1 设()T L X ∈,则
1
()n n I T T ∞
-=-=∑
只要其右端级数收敛。特别,当1T <时上式必成立。
推论:若,(),T S L X T ∈可逆,则
1
110
()()n n T S T ST ∞
---=+=-∑,
只要其右端级数收敛;特别,当S 适当小时必成立。
二、谱与谱半径
定义3.1.2 设(),T L X ∈
1、若,I T λλ∈-C 不可逆,即()I T GL X λ-∉,则称λ为T 的谱值。以()T σ记T 的谱值的全体,成其为T 的谱;称
()
()sup T r T σλσλ∈=
为T 的谱半径,它是以原点为中心且包含()T σ的最小的圆的半径。
2、令()\()T T ρσ=C ,称任何的()T λρ∈为T 的正则值;称
1(,)()(())R T I T T λλλρ-=-∈
为预解式,也记为()R λ或R λ。
3、若λ∈C ,存在0x ≠,使得Tx x λ=(这相当于()x N I T λ∈-),则称λ为T 的特征值,并称x 为T 关于λ的特征向量,称()N I T λ-为T 关于特征值λ的特征子空间。以()p T σ记T 的特征值的全体,称其为T 的点谱。
性质:1、()()p T T σσ⊂;
2、若(),dim T L X X ∈<∞,则(){0}N I T I T λλ-=⇔-可逆,因而()()p T T σσ=。
3、若dim X =∞,则可能有()()p T T σσ≠,即谱值未必是特征值。
定理3.1.3(Gelfand 定理) 设()T L X ∈,则()T σ是非空紧集,且成立谱半径公式:
1/()lim n
n
n
r T T σ=。
三、某些应用 定理3.1.4 设幂级数n
n
αλ
∑的收敛半径为,()R T L X ∈。
1、若()r T R σ<,则级数n n T α∑绝对收敛;
2、若()r T R σ>,则级数n
n
T
α∑发散。
注:若()r T R σ=,级数n
n
T
α∑可能收敛,也可能发散。
第二节 算子函数
一、解析扩张
由定理3.1.4可推得:若
00
()()n n n f λαλλ∞
==-∑
是圆
00(){:}r D r λλλλ∈- 内的复解析函数,则当0(),()T L X r T I r σλ∈-<时, 00 ()()(3.2.3)n n n f T T I αλ∞ ==-∑ 有意义,且上式右端级数绝对收敛。因 000()(){:()}T I T T σλσλλλλσ-=-=-∈, 于是 00()()(0)()(0)()r r r r T I r T I D T D D σλσλσλλ-<⇔-⊂⇔⊂+= 所以:(3.2.3)表示一个定义于集合0{():()()}r T L X T D σλ∈⊂上的算子函数()f T 。我们将()f T 视为复解析函数()f λ的某种扩张。特别,熟知的初等函数都可适当地扩张为算子函数。例如,对数函数 111 (1)(1)ln ((0))n n n D n λλλ-∞ =--=∈∑ 可扩张为集1{():()(1)}T L X T D σ∈⊂上的算子对数函数 11 (1)()ln n n n T I T n -∞ =--=∑。 类似地,还可定义算子的指数函数T e 、正弦函数sin T ,等等。 但是,在通过深入思考后,我们发现这种推广并非可以简单地实现,我们将会发现以下 的问题: 1、幂级数仅能表达圆域内的解析函数。对任意开集()Ω⊂C 内的解析函数()f λ及满足 ()T σ⊂Ω的()T L X ∈,应如何定义()f T ? 2、()f T 能继承()f λ的哪些性质? 3、函数()f T 仅只是()f λ的形式扩张,还是有某些不可缺少的实质性应用? 为解决以上问题,先介绍算子积分的概念。 设L 是复平面上任一可求长曲线,()T τ是定义于L 上而取值于()L X 中的函数(称为算子值函数),则可用通常的“分割、求和、取极限”的方式定义()T τ沿L 的积分: max 0 1 ()lim () i n i i L i T d T τττξτ→== ∑⎰。 其中01,,,n τττ为L 上顺次排列的分点,0τ与n τ分别为L 的起点与终点,i ξ是L 上介于 1i τ-与i τ之间的任一点,1(1)i i i i n τττ-=-≤≤。 性质:1、当()T τ对τ连续时,上述积分必存在。 2、对任给的* u X ∈与x X ∈有 ,(),()L L u T d x u T x d ττττ<>=<>⎰⎰