हिल्बर्ट स्पेस पर कॉम्पैक्ट ऑपरेटर

कार्यात्मक विश्लेषण के गणितीय अनुशासन में, हिल्बर्ट अंतरिक्ष पर एक कॉम्पैक्ट ऑपरेटर की अवधारणा परिमित-आयामी वेक्टर स्पेस पर अभिनय करने वाले मैट्रिक्स की अवधारणा का विस्तार है; हिल्बर्ट स्पेस में, कॉम्पैक्ट ऑपरेटर ऑपरेटर मानदंड से प्रेरित टोपोलॉजी में परिमित-रैंक ऑपरेटरों (परिमित-आयामी मैट्रिसेस द्वारा प्रतिनिधित्व योग्य) के ठीक से बंद होते हैं। जैसे, मैट्रिक्स सिद्धांत के परिणाम कभी-कभी समान तर्कों का उपयोग करके कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों तक बढ़ाए जा सकते हैं। इसके विपरीत, अनंत-आयामी स्थानों पर सामान्य संचालकों के अध्ययन के लिए अक्सर वास्तव में अलग दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है।

उदाहरण के लिए, बनच रिक्त स्थान पर कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों के वर्णक्रमीय सिद्धांत एक ऐसा रूप लेता है जो मैट्रिसेस के जॉर्डन विहित रूप के समान है। हिल्बर्ट रिक्त स्थान के संदर्भ में, एक वर्ग मैट्रिक्स एकात्मक रूप से विकर्णीय है यदि और केवल यदि यह सामान्य ऑपरेटर है। हिल्बर्ट रिक्त स्थान पर सामान्य कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों के लिए एक समान परिणाम होता है। अधिक आम तौर पर, कॉम्पैक्टनेस धारणा को छोड़ा जा सकता है। जैसा कि ऊपर कहा गया है, परिणामों को साबित करने के लिए इस्तेमाल की जाने वाली तकनीकें, उदाहरण के लिए, गैर-कॉम्पैक्ट मामले में वर्णक्रमीय प्रमेय, आमतौर पर भिन्न होती हैं, जिसमें स्पेक्ट्रम (कार्यात्मक विश्लेषण) पर ऑपरेटर-मूल्यवान माप (गणित) शामिल होते हैं।

हिल्बर्ट स्पेस पर कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों के कुछ परिणामों पर चर्चा की जाएगी, कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों के उपवर्गों पर विचार करने से पहले सामान्य गुणों के साथ शुरू करना।

परिभाषा

होने देना $H$ हिल्बर्ट स्पेस बनें और $L(H)$ बंधे हुए ऑपरेटरों का सेट हो$H$. फिर, एक ऑपरेटर $T\in L(H)$ एक कॉम्पैक्ट ऑपरेटर कहा जाता है यदि प्रत्येक बाउंड की छवि के तहत सेट किया गया हो $T$ अपेक्षाकृत कॉम्पैक्ट सबस्पेस है।

कुछ सामान्य गुण

हम इस खंड में कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों के कुछ सामान्य गुण सूचीबद्ध करते हैं।

यदि X और Y वियोज्य हिल्बर्ट रिक्त स्थान हैं (वास्तव में, X Banach और Y मानक पर्याप्त होंगे), तो T : X → Y कॉम्पैक्ट है यदि और केवल यदि यह क्रमिक रूप से निरंतर है जब इसे कमजोर अभिसरण के साथ X से मानचित्र के रूप में देखा जाता है (हिल्बर्ट अंतरिक्ष) से ​​वाई (मानक टोपोलॉजी के साथ)। (देखना (Zhu 2007, Theorem 1.14, p.11), और इस संदर्भ में ध्यान दें कि समान सीमा उस स्थिति में लागू होगी जहां F ⊆ X संतुष्ट करता है (∀φ ∈ Hom(X, K)) sup{x**(φ) = φ(x) : x} < ∞ , जहां K अंतर्निहित क्षेत्र है। समरूप सीमा सिद्धांत लागू होता है क्योंकि होम (एक्स, के) आदर्श टोपोलॉजी के साथ एक बैनाच स्पेस होगा, और मानचित्र x **: होम (एक्स, के) → के इस टोपोलॉजी के संबंध में निरंतर होमोमोर्फिज्म हैं।)

कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों का परिवार एक मानक-बंद, दो-तरफा, *-एल (एच) में आदर्श है। नतीजतन, यदि एच अनंत-आयामी है तो एक कॉम्पैक्ट ऑपरेटर टी में एक बाध्य उलटा नहीं हो सकता है। यदि ST = TS = I, तो पहचान संकारक कॉम्पैक्ट होगा, एक विरोधाभास।

यदि परिबद्ध संकारकों का अनुक्रम B_n→ बी, सी_n→ C मजबूत ऑपरेटर टोपोलॉजी में और T कॉम्पैक्ट है, फिर $B_{n}TC_{n}^{*}$ में विलीन हो जाता है $BTC^{*}$ आदर्श रूप में। उदाहरण के लिए, हिल्बर्ट स्पेस पर विचार करें $\ell ^{2}(\mathbf {N} ),$ मानक आधार के साथ {ई_n}. चलो पी_m{ई के रैखिक विस्तार पर ओर्थोगोनल प्रक्षेपण हो₁, ..., यह है_m}. अनुक्रम {पी_m} आइडेंटिटी ऑपरेटर I में दृढ़ता से परिवर्तित होता है लेकिन समान रूप से नहीं। T को परिभाषित कीजिए $Te_{n}={\tfrac {1}{n^{2}}}e_{n}.$ टी कॉम्पैक्ट है, और, जैसा कि ऊपर दावा किया गया है, पी_mटी → आईटी = टी यूनिफॉर्म ऑपरेटर टोपोलॉजी में: सभी एक्स के लिए,

$$\left\|P_{m}Tx-Tx\right\|\leq \left({\frac {1}{m+1}}\right)^{2}\|x\|.$$

प्रत्येक पी पर ध्यान दें_mएक परिमित-रैंक ऑपरेटर है। इसी तरह के तर्क से पता चलता है कि अगर टी कॉम्पैक्ट है, तो टी परिमित-रैंक ऑपरेटरों के कुछ अनुक्रमों की एक समान सीमा है।

कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों के आदर्श के मानदंड-निकटता से, इसका विलोम भी सत्य है।

कॉम्पैक्ट ऑपरेटरों के एल (एच) मॉड्यूलो के अंश सी * - बीजगणित को कैल्किन बीजगणित कहा जाता है, जिसमें एक ऑपरेटर के गुणों को कॉम्पैक्ट गड़बड़ी तक माना जा सकता है।

कॉम्पैक्ट स्व-आसन्न ऑपरेटर

एक हिल्बर्ट स्पेस एच पर एक परिबद्ध ऑपरेटर टी को स्व-संबद्ध ऑपरेटर कहा जाता है | स्व-संयोजित यदि टी = टी *, या समकक्ष,

$$\langle Tx,y\rangle =\langle x,Ty\rangle ,\quad x,y\in H.$$

यह इस प्रकार है कि ⟨Tx, x⟩ प्रत्येक x ∈ H के लिए वास्तविक है, इस प्रकार T के eigenvalues, जब वे मौजूद हैं, वास्तविक हैं। जब H का एक बंद रेखीय उप-स्थान T के अंतर्गत अपरिवर्तनीय होता है, तो T से L का प्रतिबंध L पर एक स्व-आसन्न ऑपरेटर होता है, और इसके अलावा, ऑर्थोगोनल पूरक L^{एल का ⊥} भी टी के तहत अपरिवर्तनीय है। उदाहरण के लिए, स्थान एच को दो टी-इनवेरिएंट बंद रैखिक उप-स्थानों के ऑर्थोगोनल प्रत्यक्ष योग के रूप में विघटित किया जा सकता है: टी का कर्नेल (रैखिक ऑपरेटर), और ऑर्थोगोनल पूरक {{math|(ker T)^⊥}कर्नेल का } (जो कि किसी भी बंधे स्व-आसन्न ऑपरेटर के लिए टी की सीमा के बंद होने के बराबर है)। ये मूल तथ्य नीचे वर्णक्रमीय प्रमेय के प्रमाण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

हर्मिटियन के लिए वर्गीकरण परिणाम n × n मेट्रिसेस स्पेक्ट्रल प्रमेय है: यदि एम = एम *, तो एम एकात्मक रूप से विकर्ण है, और एम के विकर्ण में वास्तविक प्रविष्टियाँ हैं। टी को एक हिल्बर्ट स्पेस एच पर एक कॉम्पैक्ट स्व-आसन्न ऑपरेटर होने दें। हम टी के लिए एक ही कथन साबित करेंगे: ऑपरेटर टी को ईजेनवेक्टरों के एक ऑर्थोनॉर्मल सेट द्वारा विकर्ण किया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक एक वास्तविक ईजेनवेल्यू से मेल खाता है।

स्पेक्ट्रल प्रमेय

प्रमेय एक वास्तविक या जटिल हिल्बर्ट स्पेस H पर प्रत्येक कॉम्पैक्ट स्व-आसन्न ऑपरेटर T के लिए, T के eigenvectors से मिलकर H का एक असामान्य आधार मौजूद है। अधिक विशेष रूप से, 'टी' के कर्नेल का ऑर्थोगोनल पूरक या तो टी के ईजेनवेक्टरों के परिमित ऑर्थोनॉर्मल आधार को स्वीकार करता है, या एक गणनीय सेट ऑर्थोनॉर्मल आधार {e_n} T के eigenvectors, इसी eigenvalues ​​​​के साथ {λ_n} ⊂ R, ऐसा है कि λ_n → 0.

दूसरे शब्दों में, एक कॉम्पैक्ट स्व-आसन्न ऑपरेटर को एकात्मक रूप से विकर्ण किया जा सकता है। यह वर्णक्रमीय प्रमेय है।

जब एच वियोज्य स्थान है, तो कोई आधार {ई को मिला सकता है_n} टी के कर्नेल के लिए एक गणनीय सेट ऑर्थोनॉर्मल आधार के साथ, और एक ऑर्थोनॉर्मल आधार प्राप्त करें {f_n} H के लिए, T के eigenvectors से मिलकर वास्तविक eigenvalues ​​​​{μ_n} ऐसा है कि μ_n → 0.

कोरोलरी एक वास्तविक या जटिल वियोज्य अनंत-आयामी हिल्बर्ट स्पेस एच पर प्रत्येक कॉम्पैक्ट स्व-आसन्न ऑपरेटर टी के लिए, एक अनगिनत अनंत ऑर्थोनॉर्मल आधार मौजूद है {एफ_n} का H, T के eigenvectors से मिलकर बना है, इसी eigenvalues ​​​​के साथ {μ_n} ⊂ R, ऐसा है कि μ_n → 0.

विचार

आइए पहले हम परिमित-विम उपपत्ति पर चर्चा करें। यह एक हर्मिटियन n × n मैट्रिक्स T के लिए वर्णक्रमीय प्रमेय को साबित करता है जो एक ईजेनवेक्टर x के अस्तित्व को दर्शाता है। एक बार यह हो जाने के बाद, हर्मिटिसिटी का अर्थ है कि एक्स (आयाम n-1 के) के रैखिक विस्तार और ऑर्थोगोनल पूरक दोनों टी के अपरिवर्तनीय उप-स्थान हैं। वांछित परिणाम तब के लिए प्रेरण द्वारा प्राप्त किया जाता है $T_{x^{\perp }}$.

एक ईजेनवेक्टर के अस्तित्व को (कम से कम) दो वैकल्पिक तरीकों से दिखाया जा सकता है:

1. कोई बीजगणितीय रूप से बहस कर सकता है: T की विशेषता बहुपद की एक जटिल जड़ है, इसलिए T का एक संबंधित ईजेनवेक्टर के साथ एक eigenvalue है।
2. आइगेनवैल्यू को भिन्न रूप से चित्रित किया जा सकता है: सबसे बड़ा आइगेनवैल्यू फ़ंक्शन के बंद इकाई क्षेत्र पर अधिकतम है f: R²ⁿ → R द्वारा परिभाषित f(x) = x*Tx = ⟨Tx, x⟩.

टिप्पणी। परिमित-आयामी मामले में, पहले दृष्टिकोण का हिस्सा बहुत अधिक सामान्यता में काम करता है; किसी भी वर्ग मैट्रिक्स, जरूरी नहीं कि हर्मिटियन, में एक ईजेनवेक्टर हो। हिल्बर्ट स्पेस पर सामान्य ऑपरेटरों के लिए यह बिल्कुल सच नहीं है। अनंत आयामों में, यह भी तत्काल नहीं है कि विशिष्ट बहुपद की अवधारणा को सामान्य कैसे किया जाए।

कॉम्पैक्ट स्व-आसन्न मामले के लिए वर्णक्रमीय प्रमेय समान रूप से प्राप्त किया जा सकता है: ऊपर दूसरे परिमित-आयामी तर्क का विस्तार करके एक ईजेनवेक्टर पाता है, फिर प्रेरण लागू करें। हम पहले मेट्रिसेस के लिए तर्क को स्केच करते हैं।

चूंकि बंद इकाई क्षेत्र आर में एस है²ⁿ कॉम्पैक्ट है, और f निरंतर है, f(S) वास्तविक रेखा पर कॉम्पैक्ट है, इसलिए f किसी इकाई वेक्टर y पर S पर अधिकतम प्राप्त करता है। लैग्रेंज गुणक द्वारा | लैग्रेंज गुणक प्रमेय, y संतुष्ट करता है

$$\nabla f=\nabla y^{*}Ty=\lambda \cdot \nabla y^{*}y$$

कुछ λ के लिए। हर्मिटिसिटी द्वारा, Ty = λy.

वैकल्पिक रूप से, मान लीजिए z ∈ 'C'ⁿ कोई सदिश हो। ध्यान दें कि यदि एक इकाई सदिश y अधिकतम ⟨Tx, x⟩ इकाई क्षेत्र (या इकाई गेंद पर) पर है, तो यह रेले भागफल को भी अधिकतम करता है:

$$g(x)={\frac {\langle Tx,x\rangle }{\|x\|^{2}}},\qquad 0\neq x\in \mathbf {C} ^{n}.$$

समारोह पर विचार करें:

$${\begin{cases}h:\mathbf {R} \to \mathbf {R} \\h(t)=g(y+tz)\end{cases}}$$

कलन द्वारा, h′(0) = 0, अर्थात।,

$$m={\frac {\langle Ty,y\rangle }{\langle y,y\rangle }}$$