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) 设 是数域 ( 或 )上的线性空间,映射 称为线性算子,如果:
- (可加性)
- (齐次性)
对所有 和 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) 在 上,微分算子 是线性的:
例 4.1.2(积分算子) 在 上,积分算子 是线性的。
例 4.1.3(乘法算子) 设 ,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) 设 是线性算子:
- 核(零化子):
- 像:
定理 4.1.1 是 的线性子空间, 是 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) 设 和 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:
- 有界
- 在某点连续
- 在零点连续
- 一致连续
- 将有界集映为有界集
证明:(证明 1 ⇒ 3 ⇒ 2 ⇒ 4 ⇒ 5 ⇒ 6 ⇒ 1)
1 ⇒ 3: 设 ,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: 设 ,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) 设 是有界线性算子,定义 的算子范数为:
算子范数的性质
定理 4.3.1(算子范数的性质)
- 对所有 成立
- 是满足上述不等式的最小常数
- 若 ,,则
算子空间
定义 4.3.2(有界线性算子空间) 记 为从 到 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: 设 是 中的Cauchy列。
对每个 , 是 中的Cauchy列:
由 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) 设 是赋范空间, 的对偶空间 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) 设 是有界线性算子, 的伴随算子 定义为:
伴随算子的性质
定理 4.4.2(伴随算子的基本性质)
- 是有界线性算子
- (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 且 。
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:
- 紧算子都是有界的
- 紧算子构成 的闭子空间
- 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 设 是有界投影算子,则:
- (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) 设 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) 设 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) 设 是Banach空间, 是线性算子。 有界当且仅当 的图像 在 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 。
取 ,则 ,所以 。
因此 。
例题2:伴随算子的计算
例题 4.7.2 设 是 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: 设 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)。
但 ,所以 不是紧算子。
例题4:投影算子的性质
例题 4.7.4 设 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 有 ,所以 。
反之,若 且 ,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): 设 是 维赋范空间, 是 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:
设 ,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 设 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 和 ,取 (若 则 ,显然连续)。
当 时:
因此 在 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 且 。
由于单位球在有限维空间中紧致, 有收敛子序列 ,设 且 。
由 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: 设 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 设 是 中的有界序列,且 。
由于 紧, 将 的单位球映为 中的相对紧集。
考虑 在 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 是 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: 在 (配备 范数)中,定义:
- (微分算子)
验证:
和 都无界: 考虑函数序列 。
因此 和 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。