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第四章:线性算子理论

线性算子理论是泛函分析的核心,它将线性代数的概念推广到无穷维空间。在这一章中,我们将学习有界线性算子、算子范数和伴随算子等重要概念,这些都是现代分析学的基石。

4.1 线性算子的基本概念

线性算子的定义

定义 4.1.1(线性算子) 是数域 )上的线性空间,映射 称为线性算子,如果:

  1. (可加性)
  2. (齐次性)

对所有 成立。

等价地,

直观理解

线性算子保持向量空间的线性结构。它将直线映射为直线,将平行线映射为平行线,保持"比例关系"。

线性算子的例子

例 4.1.1(微分算子) 上,微分算子 是线性的:

例 4.1.2(积分算子) 上,积分算子 是线性的。

例 4.1.3(乘法算子),乘法算子 是线性的。

例 4.1.4(矩阵算子) 有限维情况下,每个线性算子都可以用矩阵表示。

核与像

定义 4.1.2(核与像) 是线性算子:

  • 核(零化子)

定理 4.1.1 的线性子空间, 的线性子空间。

4.2 有界线性算子

有界性的定义

定义 4.2.1(有界线性算子) 是赋范线性空间,线性算子 称为有界的,如果存在常数 使得:

有界性的等价刻画

定理 4.2.1(有界性的等价条件) 对线性算子 ,以下条件等价:

  1. 有界
  2. 在某点连续
  3. 在零点连续
  4. 一致连续
  5. 将有界集映为有界集

证明:(证明 1 ⇒ 3 ⇒ 2 ⇒ 4 ⇒ 5 ⇒ 6 ⇒ 1)

1 ⇒ 3:,则当 时,

3 ⇒ 2: 由线性性,

2 ⇒ 4:

4 ⇒ 5: 显然。

5 ⇒ 6: 单位球是有界集。

6 ⇒ 1:,对

连续性与有界性

重要区别

对于一般的函数,连续性和有界性是不同的概念。但对于线性算子,在赋范空间之间,连续性等价于有界性。这是线性算子理论的基本事实。

4.3 算子范数

算子范数的定义

定义 4.3.1(算子范数) 是有界线性算子,定义 算子范数为:

算子范数的性质

定理 4.3.1(算子范数的性质)

  1. 对所有 成立
  2. 是满足上述不等式的最小常数
  3. ,则

算子空间

定义 4.3.2(有界线性算子空间) 为从 的所有有界线性算子构成的空间,配备算子范数。

定理 4.3.2 如果 是Banach空间,则 也是Banach空间。

证明: 中的Cauchy列。

对每个 中的Cauchy列:

的完备性,设

可以验证 是线性的且有界的,并且 在算子范数意义下。

4.4 伴随算子

对偶空间

定义 4.4.1(对偶空间) 是赋范空间,对偶空间 定义为:

配备算子范数:

定理 4.4.1 是Banach空间(即使 不完备)。

伴随算子的定义

定义 4.4.2(伴随算子) 是有界线性算子,伴随算子 定义为:

伴随算子的性质

定理 4.4.2(伴随算子的基本性质)

  1. 是有界线性算子
  2. (在自然嵌入下)

证明:(证明性质2)

首先证明

因此

反向不等式需要使用Hahn-Banach定理:对任意 ,存在 使得

因此:

取上确界得

4.5 特殊类型的线性算子

紧算子

定义 4.5.1(紧算子) 有界线性算子 称为紧算子,如果它将有界集映为相对紧集。

定理 4.5.1 紧算子的性质:

  1. 紧算子都是有界的
  2. 紧算子构成 的闭子空间
  3. 紧算子与有界算子的复合是紧算子

投影算子

定义 4.5.2(投影算子) 线性算子 称为投影算子,如果

定理 4.5.2 是有界投影算子,则:

  1. (除非

等距算子

定义 4.5.3(等距算子) 线性算子 称为等距算子,如果 对所有 成立。

4.6 重要定理

一致有界原理

定理 4.6.1(Banach-Steinhaus定理) 是Banach空间, 是赋范空间,。如果对每个 ,则

开映射定理

定理 4.6.2(开映射定理) 是Banach空间, 是满射的有界线性算子,则 是开映射。

闭图像定理

定理 4.6.3(闭图像定理) 是Banach空间, 是线性算子。 有界当且仅当 的图像 中是闭集。

4.7 经典例题与证明

例题1:算子范数的计算

例题 4.7.1 计算积分算子 的算子范数。

解: 首先证明 有界:

因此 ,所以

,则 ,所以

因此

例题2:伴随算子的计算

例题 4.7.2 矩阵, 定义为 。求 的伴随算子。

解: 在标准内积下,

因此

例题3:紧算子的例子

例题 4.7.3 证明:从无穷维Banach空间到自身的单位算子不是紧算子。

证明: 是单位算子, 是无穷维Banach空间。

单位球 在无穷维空间中不是相对紧的(Riesz引理)。

,所以 不是紧算子。

例题4:投影算子的性质

例题 4.7.4 是有界投影算子。证明: 当且仅当 是正交投影(在Hilbert空间中)。

证明: 在Hilbert空间中,设 是到闭子空间 上的正交投影。

对任意 ,其中

由Pythagoras定理:

因此 ,所以

又对 ,所以

反之,若 ,可以证明 必须是正交投影。

4.8 练习题

练习 4.1 证明:有限维赋范空间上的每个线性算子都是有界的。

💡 提示

利用有限维空间中所有范数等价的事实,以及紧性质。或者直接利用线性算子在有限维基下的矩阵表示。

📝 答案

证明方法一(利用基): 维赋范空间, 的基, 是线性算子。

对任意 ,有:

因此:

由于有限维空间中 范数与原范数等价,存在常数 使得:

,则

因此 有界。□

证明方法二(利用紧性): 有限维空间中的单位球是紧集, 在紧集上连续函数达到最大值,因此 有限。□

练习 4.2 是线性算子, 有限维。证明: 有界当且仅当 连续。

💡 提示

一个方向是一般性质(有界⇒连续),另一个方向利用有限维空间的特殊性质。

📝 答案

证明:

() 有界 连续: 这是一般性质。若 有界,则存在 使得

对任意 ,取 (若 ,显然连续)。

时:

因此 连续。

() 连续 有界: 由练习4.1,有限维空间上的每个线性算子都有界。

或者直接证明: 假设 连续但无界。则存在序列 使得

由于单位球在有限维空间中紧致, 有收敛子序列 ,设

的连续性,,这与 矛盾。□

练习 4.3 证明:紧算子的伴随算子也是紧的。

💡 提示

利用紧算子的刻画: 紧当且仅当它将弱收敛序列映为强收敛序列。考虑伴随算子对弱*收敛序列的作用。

📝 答案

证明: 是紧算子,需证明 紧。

第一步:紧算子的等价刻画 紧当且仅当对 中的有界序列 ,如果 ,则 有强收敛子序列。

第二步:利用转置关系 对任意 ,有:

第三步:构造收敛性 中的有界序列,且

由于 紧, 的单位球映为 中的相对紧集。

考虑 的单位球上的作用:

由于 相对紧, 紧,在紧集上 一致收敛到

因此 中的Cauchy序列,从而收敛。

这证明了 紧。□

练习 4.4 构造一个例子说明:两个无界线性算子的和可能是有界的。

💡 提示

在无穷维空间中构造两个定义域相同的无界算子,使它们的"无界性"相互抵消。考虑微分算子的例子。

📝 答案

例子:(配备 范数)中,定义:

  • (微分算子)

验证:

都无界: 考虑函数序列

因此 都无界。

有界:

这是恒等算子,显然有界且

说明: 这个例子展示了无界算子的和可能抵消各自的"无界性",产生有界算子。这在微分方程理论中很常见,不同的微分项可能相互平衡。□

小结

本章介绍了线性算子理论的基础:

  • 线性算子:保持线性结构的映射
  • 有界性:线性算子连续性的等价刻画
  • 算子范数:测量算子"大小"的自然方式
  • 伴随算子:对偶理论的核心概念

这些概念构成了泛函分析的基础,在偏微分方程、算子方程、量子力学等领域都有重要应用。理解线性算子的性质是深入学习现代分析学的关键。