Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методичка ДЕРКАЧА

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
13.04.2015
Размер:
973.11 Кб
Скачать

2.7. ОПЕРАТОР ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ НА КОНЕЧНОМ ОТРЕЗКЕ

51

 

 

Замыкание оператора P 0 называется минимальным оператором и обозначается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pmin(:=

P 0

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наряду с Pmin вводится

понятие максимального оператора

Pmax, порождаемого

 

 

 

E:9.1

 

 

 

 

 

 

дифференциальным выражением (

7.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom Pmax = W21[−1; 1] = {f AC[−1; 1] : f0 L2(−1, 1)}

 

 

 

 

 

(7.2)

E:10.1max

 

Предложение 2.7.2. Справедливо соотношение Pmin

= Pmax.

 

 

 

A:9.1

 

 

 

 

Доказательство. ßñíî, ÷òî Pmax Pmin.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Включение v

dom P

 

означает, что v

 

L

[

1, 1] и существует функция

 

v L2 такая, что

min

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ZZ

i u0

 

 

 

 

 

dt (= (u, P v)), u

 

C.

 

 

(t)v(t) dt =

u(t)

v (t)

 

(7.3)

E:9.2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

−1

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

E:9.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соотношение

 

(7.3) означает, что в смысле теории обобщенных функций функция

 

 

KG

 

v имеет производную dv

dv = iv (t). Íî ýòî (ñì.

 

[9])

 

 

 

dt и справедливо равенство

dt

равносильно абсолютной непрерывности функции v, причем v = −iv0. 2

EXE:9.4

Óïð. 2.7.3. Доказать абсолютную непрерывность v не прибегая к теории обобщенных

 

функций.

 

 

dom P

 

 

 

 

 

 

Функции f

не удовлетворяют никаким краевым условиям, и P

=

 

 

 

 

 

 

min

 

 

min

 

 

(P 0)

 

P

min

. Опишем замыкание P

min

оператора P 0, пользуясь формулой: P

min

=

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

(P 0) = (Pmin)

 

 

 

 

 

 

Предложение 2.7.4. Справедливо соотношение:

o 1

[−1; 1] = {f W21[−1; 1] : f(−1) = f(1) = 0}

(7.4)

dom Pmin = W 2

Доказательство. Найдем оператор Pmin(= Pmin). Интегрируя по частям, получаем

для любых u, v

 

W1

[

 

1; 1] = dom P

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(Pmin

u, v) = − Z

iu0(t)

 

dt = − iu(t)

 

|t1=−1 Z

 

 

 

 

 

v(t)

v(t)

u(t)iv0(t) dt

 

(7.5)

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= − iu(t)

v(t)

|t1=−1 + (u, Pminv)

 

 

 

 

Åñëè v(−1) = v(1) = 0, то равенство

 

E:10.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.5) принимает вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Pminu, v) = (u, Pminv),

u dom Pmin.

 

 

 

o 1

 

 

 

Это означает, что v

 

dom P

è P

v = P

v =

iv0. Таким образом,

[

1; 1]

 

W 2

 

 

 

 

min

 

min

 

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

dom Pmin.

E:10.1

E:10.2

52 ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ РАСШИРЕНИЙ СИММЕТРИЧЕСКИХ ОПЕРАТОРОВ

Обратно, пусть v

 

dom P

. Тогда, так как P

 

= P

min

P

, òî

 

min

 

min

 

min

 

(Pminu, v) = (u, Pminv) = (u, Pminv),

 

u dom Pmin.

 

E:10.2

Отсюда в силу (7.5)

 

u(t)

v(t)

|t1=−1 = u(1)

 

(1) − u(−1)

 

(−1) = 0,

u W21[−1; 1] = dom Pmin

 

 

 

v

v

 

(7.6)

 

 

 

 

 

 

E:10.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагая в

 

 

(7.6) u = ϕ± = 2 t , получим: v(−1) = v(1) = 0. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем дефектные числа оператора Pmin, и его дефектные подпространства.

Так как, по определению, Nλ(Pmin) = ker(Pmin

λ), то решая уравнение (Pmin

λ)u =

iu0

 

λu = 0, получаем u(t) = ceiλt

Èòàê,

 

 

 

 

 

 

дефектные подпространства имеют вид:

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

iλt

}, λ C. Следовательно,

 

 

 

 

 

Nλ = span{e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n±(Pmin) = dim N±i(Pmin) = 1.

 

(7.7)

E:10.5

Из (7.7) следует, что оператор Pmin имеет симметрические расширения, и все они являются самосопряженными.

E:10.3

E:10.5

 

 

 

{

(it)k

eiλt}0

 

 

 

 

EXE:10.1

Óïð. 2.7.5. Показать, что

система

векторов

 

образует бесконечную

 

k!

 

 

 

цепочку из собственных и присоедин¼нных векторов оператора Pmax(= Pmin

) äëÿ

 

 

любого λ C.

 

 

 

 

 

 

E:10.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из первой формулы Неймана и (

 

7.7) получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dim (dom Pmin

/dom Pmin) = 2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.8)

E:10.6

 

òî åñòü

dim (W21[−1; 1]/ρW 21[−1; 1])

=

 

2. Заметим,

÷òî

каждая

функция

u

 

 

dom P

 

= W 1[

1; 1] представляется в виде u(t) = u(

1)ϕ

(t) + u(1)ϕ

+

(t) + u

(t),

 

 

 

min

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

ãäå u0 dom Pmin = (ρ(W ))2[−1; 1]. Опишем все собственные расширения оператора

 

 

Pmin. По определению, каждое такое расширение определяется заданием линейного

 

 

множества dom Pe,

подчиненного условиям:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom Pmin dom P dom Pmin,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.9)

E:10.7

 

 

 

P автоматически оказывается

 

 

 

e

 

 

 

 

 

g

 

dom Pmax

\

dom Pmin,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ïðè ýòîì

e

 

 

 

 

 

 

 

 

замкнутым. Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда

 

 

 

 

dom P = dom P

 

 

span g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.10)

E:10.8

 

 

подпространство

e

 

 

 

 

 

 

 

min u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{ }

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E:10.7

удовлетворяет условию (7.9). И обратно, каждое линейное множество De, подчин¼нное

E:10.7 E:10.8

условию (7.9), представимо в виде прямой суммы ( 7.10), где g De \ dom Pmin

некоторый фиксированный вектор.

E:10.8

Пусть g функция из (7.10). Тогда она заведомо не удовлетворяет обоим

 

g(−1) = g(1) =

0. Определим число θE:10.8

g(1) = θg(−1)

граничным условиям:

 

 

из условия:

 

 

(θ = ∞ соответствует условию g(−1)

= 0). Тогда, в силу

 

 

 

 

(7.10)

 

 

 

 

dom Pe = {u dom Pmax : u(1) = θu(−1)}.

 

 

 

(7.11)

E:10.9

2.7. ОПЕРАТОР ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ НА КОНЕЧНОМ ОТРЕЗКЕ

53

E:10.9

Обратно, очевидно, что при каждом θ линеал в правой части равенства ( 7.11) зада¼т

собственное расширение Pe, êàê Pe = Pmax dom Pe. Обозначим это расширение Pθ. Отметим, что значения θ = 0 è θ = ∞ порождают "условия Коши": u(1) = 0 è u(−1) = 0, соответственно.

Exe:10.2

Óïð. 2.7.6. Доказать, что Pθ = Pθ1 , ãäå θ1 = (

θ

)−1. В частности, Pθ = Pθ , |θ| = 1.

 

Граничные условия оператора Pθ ïðè |θ| = 1 называются квазипериодическими,

 

ïðè θ = 1 периодическими и при θ = −1

антипериодическими.

 

Óïð. 2.7.7. Доказать, что

 

ie1

f(τ)eiλ(t−τ) Peθ имеет вид:

t

EXE:10.3

 

резольвента оператора

 

 

 

 

 

 

 

Rλ(Pθ)f = (Pθ λ)−1f =

Rt

+

 

f(τ)eiλ(t−τ) dτ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iθe

 

 

Z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θe− e

 

 

 

 

θe− e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказать, что при θ = ∞ è θ = 0 резольвента есть оператор Вольтеррa.

EXE:10.4 Óïð. 2.7.8.

(a)Найти спектр σ(Pθ) оператора, и показать, что этот спектр является дискретным, то есть состоит из собственных значений, и периодическим;

(b)Доказать, что расширение Pfθ не имеет присоедин¼нных векторов;

(с) Найти вычеты резольвенты в е¼ полюсах;

(d) Образуют ли базис (не ортогональный) собственные векторы оператора Pθ ( |θ| 6= 1);

(e) Найти биортогональную систему к системе собственных векторов оператора Pθ.

 

 

Запишем первую формулу Неймана для оператора A = Pmin = 1

d

 

 

 

 

 

 

dom Pmin = (ρ(W ))21[−1; 1], à Pmax = Pmin

, òî dom Pmax = dom Pmin

i dx . Òàê êàê

 

= W21[−1; 1], N±i =

 

span{e t}. Тогда ортогональный вариант первой формулы Неймана принимает вид:

 

 

 

 

 

W21[−1; 1] = (ρ(W ))21[−1; 1] c+e−t cet.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.12)

E:10.10

 

 

 

{e

iπkt

}k Z образует ортонормированную, но не полную

EXE:10.5

Óïð.

2.7.9. Доказать, что

 

 

 

 

 

 

â W

1

[

1; 1]

 

 

 

 

систему. Найти

ортогональное дополнение к

подпространству

 

 

 

2 iπkt

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

span{e

 

}k Z â W2 [−1; 1].

 

 

 

 

 

 

 

 

EXE:10.6

Óïð. 2.7.10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a) Доказать, что система

 

iπ(k+ 1 )t

образует ортонормированный базис в

2(1+k2

π2)

 

e

2

 

 

L2[−1; 1];

 

 

 

k Z

 

 

eiπ(k+

1

 

(b) Система

2 )t

образует ортонормированную, но не полную систему

 

2(1+(k+ 21 )2π2)

 

 

 

 

k Z

âW21[−1; 1]. Найти ортогональное дополнение к подпространству

 

 

eiπ(k+

1

 

span

2 )t

.

 

2(1+(k+ 21 )2π2)

 

 

 

 

k Z

54 ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ РАСШИРЕНИЙ СИММЕТРИЧЕСКИХ ОПЕРАТОРОВ

2.8Оператор дифференцирования на полупрямой

L:11.1

Лемма 2.8.1. Пусть f W21(R+). Тогда f(t) → 0 ïðè t → +∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Òàê êàê f

 

W 1

(

R+

) òî f абсолютно непрерывна и f

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

L2(R+). Тогда

d

|f|2 =

d

 

 

 

 

f0

 

 

 

0. R0

d

|f|2 dt =

R0

(f0

 

 

 

0) dt

 

 

(ff)

=

f

+ ff

f

+ ff

 

 

dx

dx

dt

 

xx

 

 

|f(x)|2 − |f(0)|2 ≤ 2(

 

|f0|2

 

|

 

|2)21 . Òàê êàê f, f0 L2, то существует предел правой

 

 

0

0

f

 

 

части. Поэтому

существует

 

 

 

 

 

 

f(x)

 

2

. Следовательно lim f(x) = 0. 2

 

 

 

 

R

 

 

R lim

|

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L:11.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EXE:11.1

Óïð. 2.8.2. Доказать лемму

 

2.8.1 для функции f W11(R+).

 

 

 

 

 

В гильбертовом пространстве H = L2(R) рассмотрим оператор дифференцирования

 

 

P 0 =

i

d

 

dom P 0

= C(0,

). Аналогично предыдущему пункту устанавливается

 

 

 

 

 

 

dx ,

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

симметричность оператора P 0. Обозначим Pmin его замыкание.

 

 

Лемма 2.8.3. Имеют место следующие соотношения

 

L:11.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom Pmin

= W21(R+)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Pminv)(t) = −iv(t) = (Pmaxv)(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom Pmin

= dom Pmax = W21(R+)

 

 

 

 

 

оператора Pmin имеет вид dom Pmin =

 

L:11.3

Лемма 2.8.4. Область

определения

 

(ρ(W ))12(R+) = {f : f W21(R+) : f(0) = 0}.

Доказательство. Для любых u, v dom Pmax справедливы равенства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Pmaxu, v) = −i Z0

u0(t)

 

dt = iu(0)

 

Z0

 

 

 

 

 

 

 

 

v(t)

v(0)

u(t)iv0(t) dt = iu(0)v(0) + (u, Pmaxv).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L:11.1

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь при интегрировании по частям учтено (см. лемму

2.8.1), ÷òî u(∞) = v(∞) = 0.

Òàê

êàê

 

 

P

min

= dom

P

è

P

 

=

P

max

то достаточно описать

P

 

=

P

.

E:11.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max

 

 

min

 

 

 

 

 

 

dom P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Èç

 

 

 

вытекает, что v

тогда и только тогда, когда

u(0)v(0) = 0 äëÿ

(8.1)

âñåõ u

 

dom P

 

 

 

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom P

 

 

 

 

. Следовательно v(0) = 0 для каждой функции v

 

max

. Ïðè

 

 

 

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ýòîì Pminv = Pmaxv = Pminv. Таким образом оператор Pmin есть сужение оператора

P

(= P

max

) на множество (ρ(W ))1

(

 

) =

{

f : f

 

W 1

(

R+

), f(0) = 0

}

. 2

 

 

min

 

2

R+

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Найдем индексы дефекта оператора

Pmin. Запишем уравнение P

 

 

v =

1 v0

= iv.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

min

 

i

 

Общее решение этого уравнения имеет вид v(t) = Ce−t L2(R+). Аналогично,

уравнение P

v =

iv имеет решение v(t) = Cet / L2

(

R+

). Поэтому

 

min

 

 

 

 

 

 

 

 

N+(Pmin) = span{e−t}; N(Pmin) = {0}.

(8.2)

E:11.1

E:11.2

P:11.4

EXE:11.3

EXE:11.5

EXE:11.6

2.9. ИНВАРИАНТНЫЕ И ПРИВОДЯЩИЕ ПОДПРОСТРАНСТВА НЕОГРАНИЧЕННЫХ ОПЕР

Значит

 

E:11.3

 

 

n+(Pmin) = 1,

n(Pmin) = 0.

 

 

 

 

 

(8.3)

E:11.3

 

 

 

Pmin является максимальным симметрическим оператором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

видно, что

 

 

 

 

Èç (8.3)

 

E:11.2

 

 

 

 

 ñèëó

 

(8.2) 1-

я формула Неймана примет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W21(R+) = (ρ(W ))21(R+) u span{e−t}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.4)

E:11.4

Более того, разложение (

 

E:11.4

 

 

 

 

 

åñòü W21(R+)

=

 

 

 

 

 

8.4)

ортогонально в W21(R+), òî

 

(ρ(W ))21(R+) span{e−t}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ßñíî, ÷òî dim (dom Pmin dom Pmin) = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предложение 2.8.5. (i) ßäðî

спектра

σˆ(Pmin) оператора Pmin

совпадает

 

ñ

R

 

(σˆ(Pmin) = R); (ii) σp(Pmin)

=

; (iii)

σc(Pmin) = σˆ(Pmin) =

R;

(iv)

 

ρ(Pmin)

=

 

C+ (Im > 0); (v) σr(Pmin) = C;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(vi) Резольвента оператора Pmin â C+ имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rλ(Pmin)h = v, ãäå

v(t) = i Z0

exp(iλ(t − s))h(s) ds,

λ C+.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P:11.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.8.6. Доказать предложение

 

2.8.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Указание: утверждение 1 следствие равенств n+(Pmin) = 1, n(Pmin) = 0.

 

 

Óïð. 2.8.7. Всегда ли оператор свертки является компактным:

Af = ϕ f

,

 

ϕ

 

 

L1(R+)?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P:11.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.8.8. Сформулировать

è

доказать предложение аналогичное

 

2.8.5

 

äëÿ

 

 

 

 

оператора Pmin = Pmax.

2.9Инвариантные и приводящие подпространства неограниченных операторов.

D:12.1 Определение 2.9.1. Пусть T замкнутый оператор в H. Подпространство H1 инвариантно для T , åñëè T D1 H1, ãäå D1 = H1 ∩ dom T .

Множество всех инвариантных подпространств оператора T обозначается

Lat T .

EX:12.1 Óïð. 2.9.2. Доказать, что если dom T = H, òî D1 = H1.

Пусть инвариантные для T подпространства H1 è H2 таковы, что H = H1 H2. Можно ли разложить оператор T в прямую сумму T = T1 T2 в соответствии с разложением H = H1 H2?

Óïð. 2.9.3. Доказать, что при T B(H) такое разложение имеет место.

Покажем на примере, что это неверно, если T неограничен.

56 ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ РАСШИРЕНИЙ СИММЕТРИЧЕСКИХ ОПЕРАТОРОВ

EX:12.2

Пример 2.9.4. Пусть H = L2(0, 1). Введ¼м оператор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 d

 

dom T = W21(0, 1) = {f W21(0, 1) : f(0) = f(1) = 0}.

 

 

 

 

 

 

 

 

T =

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

dx

 

 

 

 

 

 

 

Пусть a

 

(0, 1) è H

 

= L2[0, a] =

{

f

 

 

L2(0, 1) : f(x) = 0, x > a , тогда H = H

11

H

,

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

}

2

 

 

 

 

ãäå H2 = L

[a, 1]. Далее D1 = H1 ∩dom T = {f W2

[0, a] : f(0) = f(a) = 0} = W2[0, a].

 

 

 

ßñíî, ÷òî

H1 инвариантно для T , òî åñòü H1 Lat(T ). Кроме того D2 = H2 ∩dom T =

 

 

 

1

 

 

 

 

W2[a, 1]

Lat(T ). Поэтому dom T % dom T1 dom T2 è T % T1 T2

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.9.5. Найти индексы дефекта оператора T1 T2, дефектные подпространства

 

 

 

и написать формулы Неймана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 2.9.6. Пусть T линейный оператор в H = H1 H2. Говорят, что

 

 

D:12.2

 

 

 

H1 приводит T , åñëè

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pjdom T = Dj = Hj ∩ dom T, j = {1, 2}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.1)

E:12.1

 

 

è

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T D1 H1, T D1 H2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.2)

E:12.2

 

 

Óïð. 2.9.7. Доказать импликацию: P1dom T = D1 P2dom T = D2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E:12.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, если в

 

 

 

 

9.2 выполняется одно условие, то автоматически

 

 

 

 

 

 

 

выполняется и второе условие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.9.8. Пусть T = D2 = −

d2

è dom T = W22(0, 1). Показать, что H1 = L2[0, a]

 

EX:12.3

 

dt2

 

 

 

 

 

 

Lat T . Приводит ли H1 оператор T ? Найти Dj = dom T ∩Hj è Pjdom T , j = {1, 2}(H2 =

 

 

 

H H1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EX:12.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.9.9. Выполнить упражнение

 

2.9.8 ïðè H1 = L2[0, a] è H = L2[0, ∞]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.9.10. Пусть T симметричен и H1 Lat(T ), T1 = T D1, D1 = dom T ∩ H1.

 

 

 

Тогда оператор T1 симметричен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EX:12.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что в примере

 

2.9.4 Pjdom T % Dj

= dom T ∩ Hj, j = {1, 2}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предложение 2.9.11. Для того, чтобы подпространство H1 приводило оператор

 

 

 

T необходимо и достаточно, чтобы

T коммутировал с P1, òî åñòü T P1

(

 

 

 

P1dom T = D1

è P1T f = T P1f, f dom T ).

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Пусть H1 приводит T , тогда T f = T P1f +T P2f, и значит, в силу

 

 

 

ортоганалности H1 è H2, P1T f = T P1f. Обратное очевидно. 2

 

 

 

 

 

 

Åñëè H1

приводит T , òî dom T = D1 D2 = dom T1 dom T2 è T = T1 T2, òî åñòü

 

T f = T1P1f + T2P2f и, следовательно, ran T = ran T1 ran T2.

Óïð. 2.9.12. Пусть H1 приводит T , тогда T замкнут точно тогда, когда замкнуты T1 è T2.

Óïð. 2.9.13. Пусть dom T = H, подпространство H1 приводит T , è T1 = T D1. Тогда H1 приводит T è T D1 = T1 , и, следовательно, (T1 T2) = T1 T2 .

Теорема 2.9.16.

P:12.1

EX:12.*

EX:12.**

EX:12.***

2.9. ИНВАРИАНТНЫЕ И ПРИВОДЯЩИЕ ПОДПРОСТРАНСТВА НЕОГРАНИЧЕННЫХ ОПЕР

Óïð. 2.9.14. Пусть T B(H), è H1 LatT ∩ LatT . Тогда H1 приводит и T , è T . Обратное также верно.

Óïð. 2.9.15. Åñëè T = T B(H) è H1 Lat T , òî H1 приводит T . Верно ли это для неограниченных самосопряженных операторов?

Пусть A замкнутый симметрический оператор в H è H1 Lat A. P1 ортопроектор на H1. Åñëè P1dom A = D1, òî H1 приводит A.

D:12.2

Доказательство. По условию теоремы выполнены три условия определения 2.9.6 (соотношение P2dom A = D2 = dom A ∩ H2 вытекает из того, что P1dom A = D1 =

dom A ∩ H1). Проверим теперь условие AD2 H2.

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

f dom A

è

f

ортогонально

H1

. Åñëè

g D1

, òî

Ag

 

H

 

 

 

 

 

 

 

EX:12, è.1

ïîэтому

(Af, g) = (f, Ag) = 0. Таким образом Ag D1, но, в силу упражнения

 

2.9.2, D1

= H1.

 

Таким образом g dom A, íî dom A плотно в H, òî åñòü g = 0. Тогда Af D1, следовательно, AD2 H2. 2

Óïð. 2.9.17. Пусть A = A в гильбертовом пространстве H è H1 = span{(A − λ)−1h0 : λ C+}, ãäå h0 H некоторый фиксированный элемент. Верно ли, что:

a) H1 Lat A; b) H1 приводит оператор A?

Определение 2.9.18. Симметрический (изометрический) оператор называют простым, если отсутствуют приводящие его подпространства, в которых он

индуцирует самосопряженный (унитарный) оператор.

Предложение 2.9.19. Пусть A симметрический оператор в H è H1 = span{Nz : z C+ C}, тогда подпространство H1 приводит оператор A и сужение A1 =

A H1 является простым симметрическим оператором. Поэтому

A допускает

разложение A = A1 A2, ãäå A2 = A2 C(H2), H2 = H1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P:12.1

 

 

 

 

 

Óïð. 2.9.20. Доказать предложение

 

2.9.19.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.9.21. Пусть A симметрический оператор в H, H1 Lat A и сужение A1

=

A

H1

= A . Верно ли, что H

1

приводит A?

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Óïð. 2.9.22. Доказать, что

 

минимальный симметрический оператор

P =

1

d

 

 

i dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

является простым в L2[0, b], dom P = W21[0, b] ïðè b ≤ ∞. Имеет ли оператор P приводящие подпространства?

Указание. Так как Nz = {ceizt}, x C+, то равенство L2[0, ∞) = span{Nz : z C+} эквивалентно теореме единственности для преобразования Лапласа.

Óïð. 2.9.23. Пусть V оператор одностороннего сдвига в H, V ek = ek+1, ãäå {ek}1ортонормированный базис в H. Доказать, что

a) V является вполне неунитарным оператором, то есть не имеет приводящего подпространства H1 такого, что оператор V |H1 унитарен;

b) имеет ли V приводящие подпространства?

58 ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ РАСШИРЕНИЙ СИММЕТРИЧЕСКИХ ОПЕРАТОРОВ

Глава 3

Блочные матрицы

3.1Задача о достройке неполной неотрицательной матрицы

Пусть H = H1 H2 ортогональное разложение гильбертова пространства H и пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A0 =

 

A11

A12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.1)

E:15.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

неполная блочно-операторная матрица, где Aij

[Hj, Hi], i, j

1, 2

. Оператор A22

 

 

 

[H2] называют достройкой матрицы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

элемент, дополняющий

 

 

A0. Если существует {

}

 

 

 

 

 

 

 

 

A0 до неотрицательной операторной матрицы A = (Aij) > 0, то очевидно, что

 

 

A11 > 0 è A21 = A12

. Однако не каждая матрица с такими свойствами дополняема

 

 

до неотрицательной матрицы A [H]. Например, матрица A0

 

 

 

0

1

 

 

 

=

1

íå

 

 

дополняется до неотрицательной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Åñëè A самосопряж¼нный оператор в H, òî H = ker A ran A è A допускает

 

 

разложение A =

O

A

, в котором A

 

= A è ker A

 

=

0

}

. Определим квазиобратный

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

1 1

 

 

1

 

{

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оператор A(−1), полагая A(−1) = O A1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предложение 3.1.1. Пусть A0 - неполная операторная блок-матрица вида (1E:15.1) .1

P:15.1

 

â H = H1 H2. Пусть также A11 > 0 è A21 = A12

. Тогда :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(i) матрица A0

дополняема до неотрицательной операторной матрицы A [H]

 

с некоторым оператором

A22

 

 

[H2]

тогда и только тогда, когда

ran A12

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ran A112 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ii) в этом случае оператор S = A11(21 )A12 определ¼н корректно и S [H2, H1];

 

 

более того оператор S S является наименьшим во множестве

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = {A22 [H2] : A = (Aij)i,j2

=1 > 0}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.2)

E:15.2

59

60 ГЛАВА 3. БЛОЧНЫЕ МАТРИЦЫ

Доказательство. (i) Предположим, что существует A22 A. Тогда 0 ρ(A + εI) äëÿ âñåõ ε > 0 и, следовательно,

 

 

 

 

 

 

−A21(A11

+ ε)−1

I

A21

A22 + ε

×

(1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

0

A11 + ε

A12

 

 

I

A

 

(A11 + ε)−1

 

A11 + ε

 

0

 

> 0.

× 0

 

 

 

12

 

 

I

 

 

=

0

A22 + ε − A22(A11 + ε)−1A12

 

 

 

E:15.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неравенство

 

(1.3) справедливо в точности тогда, когда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E:15.4

A22 + ε − A21(A11 + ε)−1A12 > 0.

 

(1.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В свою очередь

 

(1.4) эквивалентно неравенству

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kA11k

 

 

 

 

 

ε > 0,

(1.5)

 

 

 

 

 

 

Z

(t + ε)−1dkEtA12fk2 6 εkfk2 + kA222 k2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

E:15.5

ãäå Et разложение единицы оператора A11. Но (1.5) означает, что g = A12f

(−1 ) dom A11 2 .

(ii) Обратно, если

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

оператор

 

S

 

 

 

A(

1

 

определ¼н

ran

 

 

 

ran

A2

 

 

 

 

=

2 )A

 

 

 

 

 

 

 

 

12

11, òî

 

 

 

 

 

1

S,

 

A

11

1

12

 

корректно и ограничен, S

 

 

[H

, H

 

]. Отсюда A

 

 

= A2

 

 

 

= S A2

, и, значит,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

12

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

21

 

11

 

 

 

Amin :=

 

A21

S S =

S !

A11

 

S > 0.

 

 

(1.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A11

 

A12

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A11

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом A

 

= S S

A

 

и, в частности

 

 

 

=

 

 

. Отсюда с уч¼том равенства

1

 

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A21 = S A112

получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε→0

21

 

11

+ ε)−1A

12 = sε→0

 

 

1

(

 

11

+

)

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

(A

11

A

 

 

 

11

 

 

(1.7)

s-lim A

 

 

 

 

 

 

-lim S

A

2

 

 

 

 

ε

−1A2

S = S S.

 

A22 A, òî

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E:15.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее, если

 

справедливо неравенство (

1.4). Переходя в н¼м к пределу

 

 

E:15.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ïðè ε → 0 и учитывая

 

(1.7), получим S S 6 A22. Таким образом, S S обладает

 

требуемым свойством минимальности. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P:15.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E:15.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно предложению

 

3.1.1 оператор Amin âèäà

 

(1.6) является минимальным

 

 

решением задачи о достройке матрицы A0 до неотрицательной. Поэтому каждое

решение A [H] этой задачи представляется в виде

 

 

 

 

 

0 A22 − S S.

 

A =

A21

A22

=

 

 

 

 

 

S !

A11

S +

 

(1.8)

 

 

A11

A12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E:15.3

E:15.4

E:15.5

E:15.6

E:15.7

E:15.8