Диплом на тему Некоторые линейные операторы
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2014-06-24Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего
от 25%

Подписываем
договор
Содержание
Введение
§1. Определение линейного оператора. Примеры
§2. Непрерывные линейные операторы в нормированном пространстве. Ограниченность и норма линейного оператора
§3. Обратный оператор. Спектр оператора и резольвента
§4. Оператор умножения на непрерывную функцию
§5. Оператор интегрирования
§6. Оператор дифференцирования
§7. Оператор сдвига
Заключение
Введение
Наиболее доступными для изучения среде операторов, действующих в линейных нормированных пространствах, являются линейные операторы. Они представляют собой достаточно важный класс операторов, так как среди них можно найти операторы алгебры и анализа.
Целью дипломной работы является показать некоторые из линейных операторов, исследовать их на непрерывность и ограниченность, найти норму ограниченного оператора, а также спектр оператора и его резольвенту.
В первом и втором параграфах приведены основные сведения теории операторов: определение линейного оператора, непрерывности и ограниченности линейного оператора, его нормы. Рассмотрены некоторые примеры.
В третьем параграфе даны определения обратного оператора, спектра оператора и его резольвенты. Рассмотрены примеры.
В четвертом параграфе исследуется оператор умножения на непрерывную функцию: Ах(t) = g(t)x(t).
В пятом параграфе приведен пример оператора интегрирования Аf(t)= 
.
В седьмом параграфе исследуется оператор сдвига Af(x) = f(x+a).
Показана линейность, непрерывность, ограниченность, найдена норма, точки спектра и резольвента всех трех операторов.
В шестом параграфе исследуется оператор дифференцирования Дf(x)=f/(x), в пространстве дифференцируемых функции D[a, b]. Показана его линейность. Доказано, что Д не является непрерывным оператором, а также как из неограниченности оператора следует его разрывность.
§1. Определение линейного оператора. Примеры
Определение 1. Пусть Ex и Ey [1]– линейные пространства над полем комплексных (или действительных) чисел. Отображение А: Ex ® Ey называется линейным оператором, если для любых элементов х1 и х2 пространства Ex и любого комплексного (действительного) числа 
выполняются следующие равенства [2]:
1. А(х1+х2) = Ах1 + Ах2;
2. А( 
х) = 
А(х);
Примеры линейных операторов:
1) Пусть Е = Е1 – линейное топологическое пространство. Оператор А задан формулой:
Ax = x для всех x 
Е.
Такой оператор, переводящий каждый элемент пространства в себя является линейным и называется единичным оператором.
2) Рассмотрим D[a,b] – пространство дифференцируемых функций, оператор дифференцирования Д в пространстве D[a,b] задан формулой:
Дf(x) = f/(x).
Где f(x) 
D[a, b], f/(x) 
C[a, b].
Оператор Д определен не на всем пространстве C[a, b], а лишь на множестве функций имеющих непрерывную производную. Его линейность, очевидно, следует из свойств производной.
3) Рассмотрим пространство С[- 
, + 
] – пространство непрерывных и ограниченных функций, оператор А сдвигает функцию на const a:
Аf(x) = f(x+a).
Проверим линейность оператора А:
1) А(f+g) = (f+g)(x+a) = f(x+a) + g(x+a) = А(f) + А(g).
Исходя из определения суммы функции, аксиома аддитивности выполняется.
2) A(kf(x)) = kf(x+a) = kA(f(x)).
Верна аксиома однородности.
Можно сделать вывод, что А – линейный оператор.
4) Пусть 


(пространство непрерывных функций на отрезке [0,1], и дано отображение 
1, заданное формулой:

Так как интеграл с переменным верхним пределом от непрерывной функции является функцией дифференцируемой, а, следовательно, непрерывной, то 

. В силу линейности определенного интеграла данное отображение является линейным оператором.
§2. Непрерывные линейные операторы в нормированном
пространстве. Ограниченность и норма линейного оператора
Пусть 
, 
– нормированные пространства.
Определение 2 .Оператор А: Е 
Е1 называется непрерывным в точке 
, если какова бы не была последовательность xn 
x0, А(xn) сходится к А(x0). То есть, при p (xn, x0) 
0, p (А(xn), А(x0)) 
0.
Известно и другое (равносильное) определение непрерывности линейного оператора.
Определение 3. Отображение А называется непрерывным в точке x0, если какова бы не была окрестность[3] U точки y0 = А (x0) можно указать окрестность V точки x0 такую, что А(V) 
U.
Иначе 
>0 
>0, что как только p (x, x0) < 
, p (f(x), f(x0)) < 
.
Теорема 1.
Если линейный оператор непрерывен в точке х0 = 0, то он непрерывен и в любой другой точке этого пространства.
Доказательство. Линейный оператор А непрерывен в точке х0=0 тогда и только тогда, когда 
. Пусть оператор А непрерывен в точке х0=0. Возьмем последовательность точек пространства хn®х1, тогда хn–х1®0, отсюда А(хn–х1)®А(0)=0, т. е. А(хn–х1)®0.
Так как А – это линейный оператор, то А(хn–х1)®Ахn–Ах0, а тогда
Ахn-Ах0 ® 0, или Ахn®Ах0.
Таким образом, из того, что линейный оператор А непрерывен в точке х0=0, следует непрерывность в любой другой точке пространства.
т. д-на.
Пример.
Пусть задано отображение F(y) = y(1) пространства С[0, 1] в R. Проверим, является ли это отображение непрерывным.
Решение.
Пусть y(x) – произвольный элемент пространства С[0, 1] и yn(x) – произвольная сходящаяся к нему последовательность. Это означает:

p (yn, y) = 

|yn(x)- y(x))| = 0.
Рассмотрим последовательность образов: F(yn) = yn(1).
Расстояние в R определено следующим образом:
p (F(yn), F(y)) = |F(yn) - F(y))| = | yn(1) - y(1)| 

|yn(x)- y(x))|=p(yn,y),
то есть p (F(yn), F(y)) 
0.
Таким образом, F непрерывно в любой точке пространства С[a, b], то есть непрерывно на всем пространстве.
С понятием непрерывности линейного оператора тесно связано понятие ограниченности.
Определение 4. Линейный оператор А: Е 
Е1 называется ограниченным, если можно указать число K>0 такое, что
||Аx|| 
K||x||. (1)
Теорема 2.
Среди всех констант K, удовлетворяющих (1), имеется наименьшее.
Доказательство:
Пусть множество S – множество всех констант K, удовлетворяющих (1), будучи ограниченным снизу (числом 0), имеет нижнюю грань k. Достаточно показать, что k 
S.
По свойству нижней грани в S можно указать последовательность (kn), сходящуюся к k. Так как kn 
S, то выполняется неравенство: |А(x)| 
kn||x||, (x 
E). Переходя в этом неравенстве к пределу

получаем |А(x)| 
k||x||, где (x 
E), (k 
S).
т. д-на.
Определение 5. Наименьшая из этих констант K, для которых выполняется неравенство (1), называется нормой оператора А и обозначается ||A||[4].
||А|| 
K, для 
K, подходящего для (1), то есть |А(x)| 
||А||||x||, где
||А|| = 

x 
E.
Между ограниченностью и непрерывностью линейного оператора существует тесная связь, а именно справедлива следующая теорема.
Теорема 3.
Для того, чтобы линейный оператор А действующий из Ex в Ey был ограничен, необходимо и достаточно, чтобы оператор А был непрерывен.
Необходимость:
Дано: А – ограничен;
Доказать: А – непрерывен;
Доказательство:
Используя теорему 1 достаточно доказать непрерывность А в нуле.
Дано, что ||Аx|| 
K||x||.
Докажем, что А непрерывен в нуле, для этого должно выполняться 
>0, 
>0 что ||x||< 

||Ax|| < 
.
Выберем 
так, чтобы K*||x|| < 
, ||x|| < 
, (К>0), значит 
= 
, тогда если ||x||< 
, то ||Аx|| 
K||x|| < K 
= 
Непрерывность в нуле доказана, следовательно доказана непрерывность в 
точке.
Достаточность:
Дано: А – непрерывен;
Доказать А – ограничен;
Доказательство:
Допустим, что А не ограничен. Это значит, что числу 1 найдется хотя бы один соответственный вектор x1 такой, что ||A x1|| > 1|| x1||.
Числу 2 найдется вектор x2, что ||A x2|| > 2|| x2|| и т.д.
Числу n найдется вектор xn, что ||A xn|| > n|| xn||.
Теперь рассмотрим последовательность векторов yn = 
, где
||yn|| = 
.
Следовательно последовательность yn 
0 при n 

.
Так как оператор А непрерывен в нуле, то Аyn 
0, однако
||Аyn || = ||A 
|| = 
||Axn || 
> n|| xn|| 

= 1, получаем противоречие с Аyn 
0, то есть А – ограничен
Для линейных операторов ограниченность и непрерывность оператора эквивалентны.
Примеры.
1) Покажем, что норма функционала[5] F(y) = 
в C[a, b], где p(x) – непрерывная на [a,b] функция, равна 
.
По определению 5: ||F|| = 
|F(x)| = 
| 
|.
| 
| 
| 
| = | 
y(x)|| 
| 

|y(x)|| 
|;
||F|| = 
( 
|y(x)|| 
|) = 
||y(x)||| 
| = | 
| 

.
Таким образом, норма F(y) = 
будет ||F|| = 
;
2) Найдем норму функционала, определенного на C[0, 2], где p(x)=(x-1)
F(y) = 
.
По выше доказанному ||F|| = 
= 1.
§3. Обратный оператор. Спектр оператора и резольвента
Пусть 
, 
– нормированные пространства, 
– линейный оператор, DA- область определения оператора, а RA – область значений.
Определение 6. Оператор А называется обратимым, если для любого элемента у, принадлежащего RA, уравнение Ах=у имеет единственное решение.
Если оператор А обратим, то каждому элементу у, принадлежащему RA, можно поставить в соответствие единственный элемент х, принадлежащий DA и являющийся решением уравнения Ах=у. Оператор, осуществляющий это соответствие, называется обратным оператором к оператору А и обозначается А-1.
Теорема 4.
Для того чтобы линейный оператор 
имел ограниченный обратный оператор необходимо и достаточно, чтобы выполнялось неравенство:

, (m>0).
Доказательство:
Достаточность.
Пусть выполняется данное неравенство. Тогда равенство Ax=0 возможно лишь тогда, когда x – нулевой вектор. Получим 0 
m*||x||, отсюда ||x|| 
0, но так как норма не может быть <0, то x=0. А обращается в ноль лишь на нулевом векторе. Итак, А-1 существует.
Докажем его ограниченность.
y=Ax.
x=A-1y, норма ||A-1y||=||x||, но ||x|| 

||Ax||= 
||y||.
Отсюда ||A-1y|| 

||y||, то есть обратный оператор существует и он ограничен.
Если за m возьмем наибольшую из возможных, то получим, что ||A-1||= 
.
Необходимость.
Пусть от А имеется ограниченный обратный А-1 на нормированном пространстве.
Итак, ||A-1y|| 
М||y||.
Подставляем значение y и значение A-1y,получим ||x|| 
M||Ax|| (М всегда можно считать положительным числом).
Отсюда ||Ax|| 

||x||.
Положим 
=m, получим ||Ax|| 
m||x||.
т. д-на.
В теории операторов важную роль играет понятие спектра оператора. Рассмотрим это понятие сначала для конечномерного пространства.
Определение 7. Пусть А – линейный оператор в n-мерном пространстве Еn. Число λ называется собственным значением оператора А, если уравнение Ах=λх имеет ненулевые решения. Совокупность всех собственных значений называется спектром оператора А, а все остальные значения λ – регулярными. Иначе говоря, λ есть регулярная точка, если оператор 
, где I – единичный оператор, обратим, При этом оператор (А – λI)-1, как и всякий оператор в конечномерном пространстве, ограничен. Итак, в конечномерном пространстве существуют две возможности:
1) уравнение Ах=λх имеет ненулевое решение, то есть λ является собственным значением для оператора А; оператор (А – λI)-1 при этом не существует;
2) существует ограниченный оператор (А – λI)-1, то есть λ есть регулярная точка.
В бесконечном пространстве имеется еще и третья возможность, а именно:
3) оператор (А – λI)-1 существует, то есть уравнение Ах=λх имеет лишь нулевое решение, но этот оператор не ограничен.
Введем следующую терминологию. Число λ мы назовем регулярным для оператора А, действующего в линейном нормированном пространстве Е, если оператор (А – λI)-1, называемый резольвентой оператора А, определен на всем пространстве Е и непрерывен. Совокупность всех остальных значений λ называется спектром оператора А. Спектру принадлежат все собственные значения оператора А, так как, если (А – λI)х=0 при некотором х≠0, то оператор (А – λI)-1 не существует. Их совокупность называется точечным спектром. Остальная часть спектра, то есть совокупность тех λ, для которых (А – λI)-1 существует, но не непрерывен, называется непрерывным спектром. Итак, каждое значение λ является для оператора А или регулярным, или собственным значением, или точкой непрерывного спектра. Возможность наличия у оператора непрерывного спектра – существенное отличие теории операторов в бесконечномерном пространстве от конечномерного случая.
Определение 8. Оператор 
, где 
– регулярная точка оператора А, называется резольвентой[6] оператора А и обозначается 
(или 
).
Теорема 5. Пусть 
– линейный непрерывный оператор, 
его регулярные числа. Тогда 
.
Доказательство. Умножим обе части равенства на 
: 
( 




= 

= 

. С другой стороны получим 


. Так как числа 
– регулярные для оператора А, то оператор 
имеет обратный. Значит, из равенства 

следует, что 
. Значит, утверждение теоремы верно.
т. д-на.
Примеры.
1) Рассмотрим в пространстве C[0,1] оператор умножения на независимую переменную t: Ax = tx(t).
Уравнение Аx= 
x принимает в этом случае вид:
tx(t) - 
x(t) = y(t),
решение x(t) этого уравнения есть функция, тождественно ему удовлетворяющая.
Если 
лежит вне отрезка [0, 1], то уравнение Аx= 
x имеет при любом y(t) единственное непрерывное решение:
x(t) = 
y(t),
откуда следует, что все такие значения параметра 
являются регулярными, и резольвента есть оператор умножения на 
:
R 
(y) = 
y(t).
Все значения параметра, принадлежащие отрезку[0, 1], являются точками спектра. В самом деле, пусть 
0 
[0, 1]. Возьмем в качестве y(t) какую-нибудь функцию, не обращающуюся в нуль в точке 
0, y( 
0) = a 
0. Для такой функции равенство (t - 
0)x(t) = y(t), не может тождественно удовлетворяться ни при какой непрерывной на отрезке [0, 1] функции x(t), ибо в точке t = 
0 левая часть его равна нулю, в то время как правая отлична от нуля. Следовательно, при 
= 
0 уравнение Аx= 
x не имеет решения для произвольной правой части, что и доказывает принадлежность 
0 спектру оператора A. Вместе с тем ни одна точка спектра не является собственным значением, так как решение однородного уравнения (t - 
)x(t) = 0, 

[0, 1], при любом t, отличном от 
, а следовательно, в силу непрерывности и при t = 
, обращается в нуль, т.е. тождественно равно нулю.
2) Пусть оператор А действующий из Е 
Е, задается матрицей А= 
.
Аx = 

= 
.
Введем обозначения:

= y1

= y2
x1, x2, y1, y2 
E;
A - 
*I = 
, найдем определитель A - 
*I:
D(A - 
*I) = 
= (2- 
)*(-2- 
) – 3 = 
2 – 7;
Если определитель отличен от нуля, то есть если 
не есть корень уравнения 
2 – 7 = 0, следовательно, все такие значения параметра 
регулярные.
Корни уравнения 
2 – 7 = 0 образуют спектр:

1 = 
; 
2 = - 
;
Введение
§1. Определение линейного оператора. Примеры
§2. Непрерывные линейные операторы в нормированном пространстве. Ограниченность и норма линейного оператора
§3. Обратный оператор. Спектр оператора и резольвента
§4. Оператор умножения на непрерывную функцию
§5. Оператор интегрирования
§6. Оператор дифференцирования
§7. Оператор сдвига
Заключение
Введение
Наиболее доступными для изучения среде операторов, действующих в линейных нормированных пространствах, являются линейные операторы. Они представляют собой достаточно важный класс операторов, так как среди них можно найти операторы алгебры и анализа.
Целью дипломной работы является показать некоторые из линейных операторов, исследовать их на непрерывность и ограниченность, найти норму ограниченного оператора, а также спектр оператора и его резольвенту.
В первом и втором параграфах приведены основные сведения теории операторов: определение линейного оператора, непрерывности и ограниченности линейного оператора, его нормы. Рассмотрены некоторые примеры.
В третьем параграфе даны определения обратного оператора, спектра оператора и его резольвенты. Рассмотрены примеры.
В четвертом параграфе исследуется оператор умножения на непрерывную функцию: Ах(t) = g(t)x(t).
В пятом параграфе приведен пример оператора интегрирования Аf(t)=
В седьмом параграфе исследуется оператор сдвига Af(x) = f(x+a).
Показана линейность, непрерывность, ограниченность, найдена норма, точки спектра и резольвента всех трех операторов.
В шестом параграфе исследуется оператор дифференцирования Дf(x)=f/(x), в пространстве дифференцируемых функции D[a, b]. Показана его линейность. Доказано, что Д не является непрерывным оператором, а также как из неограниченности оператора следует его разрывность.
§1. Определение линейного оператора. Примеры
Определение 1. Пусть Ex и Ey [1]– линейные пространства над полем комплексных (или действительных) чисел. Отображение А: Ex ® Ey называется линейным оператором, если для любых элементов х1 и х2 пространства Ex и любого комплексного (действительного) числа
1. А(х1+х2) = Ах1 + Ах2;
2. А(
Примеры линейных операторов:
1) Пусть Е = Е1 – линейное топологическое пространство. Оператор А задан формулой:
Ax = x для всех x
Такой оператор, переводящий каждый элемент пространства в себя является линейным и называется единичным оператором.
2) Рассмотрим D[a,b] – пространство дифференцируемых функций, оператор дифференцирования Д в пространстве D[a,b] задан формулой:
Дf(x) = f/(x).
Где f(x)
Оператор Д определен не на всем пространстве C[a, b], а лишь на множестве функций имеющих непрерывную производную. Его линейность, очевидно, следует из свойств производной.
3) Рассмотрим пространство С[-
Аf(x) = f(x+a).
Проверим линейность оператора А:
1) А(f+g) = (f+g)(x+a) = f(x+a) + g(x+a) = А(f) + А(g).
Исходя из определения суммы функции, аксиома аддитивности выполняется.
2) A(kf(x)) = kf(x+a) = kA(f(x)).
Верна аксиома однородности.
Можно сделать вывод, что А – линейный оператор.
4) Пусть
Так как интеграл с переменным верхним пределом от непрерывной функции является функцией дифференцируемой, а, следовательно, непрерывной, то
§2. Непрерывные линейные операторы в нормированном
пространстве. Ограниченность и норма линейного оператора
Пусть
Определение 2 .Оператор А: Е
Известно и другое (равносильное) определение непрерывности линейного оператора.
Определение 3. Отображение А называется непрерывным в точке x0, если какова бы не была окрестность[3] U точки y0 = А (x0) можно указать окрестность V точки x0 такую, что А(V)
Иначе
Теорема 1.
Если линейный оператор непрерывен в точке х0 = 0, то он непрерывен и в любой другой точке этого пространства.
Доказательство. Линейный оператор А непрерывен в точке х0=0 тогда и только тогда, когда
Так как А – это линейный оператор, то А(хn–х1)®Ахn–Ах0, а тогда
Ахn-Ах0 ® 0, или Ахn®Ах0.
Таким образом, из того, что линейный оператор А непрерывен в точке х0=0, следует непрерывность в любой другой точке пространства.
т. д-на.
Пример.
Пусть задано отображение F(y) = y(1) пространства С[0, 1] в R. Проверим, является ли это отображение непрерывным.
Решение.
Пусть y(x) – произвольный элемент пространства С[0, 1] и yn(x) – произвольная сходящаяся к нему последовательность. Это означает:
Рассмотрим последовательность образов: F(yn) = yn(1).
Расстояние в R определено следующим образом:
p (F(yn), F(y)) = |F(yn) - F(y))| = | yn(1) - y(1)|
то есть p (F(yn), F(y))
Таким образом, F непрерывно в любой точке пространства С[a, b], то есть непрерывно на всем пространстве.
С понятием непрерывности линейного оператора тесно связано понятие ограниченности.
Определение 4. Линейный оператор А: Е
||Аx||
Теорема 2.
Среди всех констант K, удовлетворяющих (1), имеется наименьшее.
Доказательство:
Пусть множество S – множество всех констант K, удовлетворяющих (1), будучи ограниченным снизу (числом 0), имеет нижнюю грань k. Достаточно показать, что k
По свойству нижней грани в S можно указать последовательность (kn), сходящуюся к k. Так как kn
получаем |А(x)|
т. д-на.
Определение 5. Наименьшая из этих констант K, для которых выполняется неравенство (1), называется нормой оператора А и обозначается ||A||[4].
||А||
||А|| =
Между ограниченностью и непрерывностью линейного оператора существует тесная связь, а именно справедлива следующая теорема.
Теорема 3.
Для того, чтобы линейный оператор А действующий из Ex в Ey был ограничен, необходимо и достаточно, чтобы оператор А был непрерывен.
Необходимость:
Дано: А – ограничен;
Доказать: А – непрерывен;
Доказательство:
Используя теорему 1 достаточно доказать непрерывность А в нуле.
Дано, что ||Аx||
Докажем, что А непрерывен в нуле, для этого должно выполняться
Выберем
Непрерывность в нуле доказана, следовательно доказана непрерывность в
Достаточность:
Дано: А – непрерывен;
Доказать А – ограничен;
Доказательство:
Допустим, что А не ограничен. Это значит, что числу 1 найдется хотя бы один соответственный вектор x1 такой, что ||A x1|| > 1|| x1||.
Числу 2 найдется вектор x2, что ||A x2|| > 2|| x2|| и т.д.
Числу n найдется вектор xn, что ||A xn|| > n|| xn||.
Теперь рассмотрим последовательность векторов yn =
||yn|| =
Следовательно последовательность yn
Так как оператор А непрерывен в нуле, то Аyn
||Аyn || = ||A
Для линейных операторов ограниченность и непрерывность оператора эквивалентны.
Примеры.
1) Покажем, что норма функционала[5] F(y) =
По определению 5: ||F|| =
|
||F|| =
Таким образом, норма F(y) =
2) Найдем норму функционала, определенного на C[0, 2], где p(x)=(x-1)
F(y) =
По выше доказанному ||F|| =
§3. Обратный оператор. Спектр оператора и резольвента
Пусть
Определение 6. Оператор А называется обратимым, если для любого элемента у, принадлежащего RA, уравнение Ах=у имеет единственное решение.
Если оператор А обратим, то каждому элементу у, принадлежащему RA, можно поставить в соответствие единственный элемент х, принадлежащий DA и являющийся решением уравнения Ах=у. Оператор, осуществляющий это соответствие, называется обратным оператором к оператору А и обозначается А-1.
Теорема 4.
Для того чтобы линейный оператор
Доказательство:
Достаточность.
Пусть выполняется данное неравенство. Тогда равенство Ax=0 возможно лишь тогда, когда x – нулевой вектор. Получим 0
Докажем его ограниченность.
y=Ax.
x=A-1y, норма ||A-1y||=||x||, но ||x||
Отсюда ||A-1y||
Если за m возьмем наибольшую из возможных, то получим, что ||A-1||=
Необходимость.
Пусть от А имеется ограниченный обратный А-1 на нормированном пространстве.
Итак, ||A-1y||
Подставляем значение y и значение A-1y,получим ||x||
Отсюда ||Ax||
Положим
т. д-на.
В теории операторов важную роль играет понятие спектра оператора. Рассмотрим это понятие сначала для конечномерного пространства.
Определение 7. Пусть А – линейный оператор в n-мерном пространстве Еn. Число λ называется собственным значением оператора А, если уравнение Ах=λх имеет ненулевые решения. Совокупность всех собственных значений называется спектром оператора А, а все остальные значения λ – регулярными. Иначе говоря, λ есть регулярная точка, если оператор
1) уравнение Ах=λх имеет ненулевое решение, то есть λ является собственным значением для оператора А; оператор (А – λI)-1 при этом не существует;
2) существует ограниченный оператор (А – λI)-1, то есть λ есть регулярная точка.
В бесконечном пространстве имеется еще и третья возможность, а именно:
3) оператор (А – λI)-1 существует, то есть уравнение Ах=λх имеет лишь нулевое решение, но этот оператор не ограничен.
Введем следующую терминологию. Число λ мы назовем регулярным для оператора А, действующего в линейном нормированном пространстве Е, если оператор (А – λI)-1, называемый резольвентой оператора А, определен на всем пространстве Е и непрерывен. Совокупность всех остальных значений λ называется спектром оператора А. Спектру принадлежат все собственные значения оператора А, так как, если (А – λI)х=0 при некотором х≠0, то оператор (А – λI)-1 не существует. Их совокупность называется точечным спектром. Остальная часть спектра, то есть совокупность тех λ, для которых (А – λI)-1 существует, но не непрерывен, называется непрерывным спектром. Итак, каждое значение λ является для оператора А или регулярным, или собственным значением, или точкой непрерывного спектра. Возможность наличия у оператора непрерывного спектра – существенное отличие теории операторов в бесконечномерном пространстве от конечномерного случая.
Определение 8. Оператор
Теорема 5. Пусть
Доказательство. Умножим обе части равенства на
т. д-на.
Примеры.
1) Рассмотрим в пространстве C[0,1] оператор умножения на независимую переменную t: Ax = tx(t).
Уравнение Аx=
tx(t) -
решение x(t) этого уравнения есть функция, тождественно ему удовлетворяющая.
Если
x(t) =
откуда следует, что все такие значения параметра
R
Все значения параметра, принадлежащие отрезку[0, 1], являются точками спектра. В самом деле, пусть
2) Пусть оператор А действующий из Е
Аx =
Введем обозначения:
x1, x2, y1, y2
A -
D(A -
Если определитель отличен от нуля, то есть если
Корни уравнения
Найдем собственные векторы для собственных значений
при
откуда x1 = (2+
при
откуда x1 = (2 -
§4. Оператор умножения на непрерывную функцию
Рассмотрим пространство
Ах(t) = g(t) x(t).
g(t) - функция, непрерывная на [a, b]; a,b
Проверим является ли оператора А линейным, то есть, по определению 1, должны выполняться аксиомы аддитивности и однородности.
1) Аксиома аддитивности: A(f+g) = A(f) + A(g).
A(f+g) = (g(t)+f(t))x(t) = g(t)x(t)+f(t)x(t) = A(f) + A(g).
2) Аксиома однородности: A(k*f) = k*A(f).
A(k*f) = A(k*x(t)) = k*g(t)x(t) = kA(x(t)) = k*A(f).
По средствам арифметических операции над функциями, аксиомы аддитивность и однородность выполняются. Оператор А является линейным по определению.
3) Проверим, является ли А непрерывным, для этого воспользуемся определением непрерывности:
p (fn(x), f0(x))
Оператор А, действует в пространстве C[
p (fn(x), f0(x)) =
Решение:
p (A xn(t), Ax0(t)) =
Итак, p (A xn(t), Ax0(t))
4) Оператор А ограниченный, следовательно у него можно найти норму.
По определению 5: ||A||=
Решение.
||A||=
|g(t)x(t)|
||A||=
Норма оператора А: ||A|| = |g(t)|.
5) Обратимость оператора А, его спектр и резольвента.
Возьмем произвольное число
(А-lI) x(t) = (g(t) –l ) х(t).
Чтобы найти обратный оператор, нужно решить уравнение
Если число
Если же
Резольвента оператора имеет вид
Отметим, что точки спектра
Вывод:
Оператор A, заданный формулой: Ах(t) = g(t)x(t), где g(t) - функция, непрерывная на [a, b], a,b
1. линейный;
2. непрерывный;
3. ограниченный, с нормой ||A|| = |g(t)|;
4. обратим при
5. спектр оператора состоит из всех l = g(t); спектр данного оператора является непрерывным;
6. резольвента имеет вид
§5. Оператор интегрирования
Рассмотрим оператор интегрирования, действующий в пространстве непрерывных функций - C[a,b], определенных на отрезке [a,b], заданный следующим образом:
Аf(t) =
f(t) – функция, непрерывная на [a, b],t
Поскольку
Проверим оператор A на линейность. По определению 1:
1) Аксиома аддитивности: A(f+g) = A(f) + A(g).
A(f+g) =
2) Аксиома однородности: A(kf) = kA(f).
A(kf) =
Исходя из свойств интеграла:
1. интеграл от суммы, есть сумма интегралов;
2. вынесение const за знак интеграла.
Можно сделать вывод: оператор А является линейным.
3) Проверим, является ли А непрерывным, для этого воспользуемся определением непрерывности:
p (fn(t), f0(t))
Оператор А, действует в пространстве C[a,b], в котором расстояние между функциями определяется следующим образом:
p (fn(t), f0(t)) =
Решение:
p (A fn(t), Af0(t)) =
|
a
Таким образом p (A fn(t), Af0(t))
4) Непрерывный оператор является ограниченным (теорема 3):
|
|
0
5) Оператор А ограниченный, следовательно у него можно найти норму. Найдем норму оператора А (используя определение ||A||=
||A|| =
a
Норма оператора А: ||A|| = (b-a);
6) Обратимость интегрального оператора и его спектр.
Возьмем пространство S = {f
В пространстве S рассмотрим оператор А:
Аf =
x
Найдем оператор обратный к (A -
(A -
Пусть функции f и g дифференцируемы;
Продифференцируем уравнение (1), получим:
f -
Это уравнение (2) – дифференциальное неоднородное линейное уравнение. Решим это уравнение, используя метод Бернулли.
Представим решение уравнения в виде: f(x) = U(x)*V(x), тогда уравнение (3) примет вид:
U/ *V + U*V/ -
U/ *V + U*(V/ -
Решаем однородное линейное уравнение:
V/ -
V/ =
LnV =
V =
V = с1*
Подставим частное решение однородного уравнения в уравнение (4) при условии, что V/ -
Получим уравнение:
U/ * с1*
U = -
Подставим U и V в f(x) = U(x)*V(x) и получим:
f(x) = с1*
найдем интеграл Y =
dz = g/(x)dx;
z =
j =
dj = -
Y = g(x)*
Подставим полученное значение в выражение f(x), которое примет вид:
f(x) = -
Получим оператор В:
Bg = -
x
Оператор В не существует, если
Рассмотрим ограниченность оператора В для всех
||Bg|| = ||f(x)|| =
При
При
Эти оба случая можно записать в общем виде:
Итак:
||Bg||
То есть В – ограничен.
Осталось проверить, что В – оператор, обратный к (A -
Если это так, то произведение этих операторов равно единичному оператору или же (A -
Итак, нужно доказать, что
или
-
Возьмем производную от левой части (*) и получим:
-
Следовательно, выражение (*) = const. Но, так как при x=0 выражение (*) (точнее его левая часть) равно 0, то и const=0. Значит В – обратный оператор к (A -
Итак, мы получили ограниченный оператор В, обратный к (A -
Вывод:
Оператор интегрирования, действующий в пространстве непрерывных функций – C[a,b], определенных на отрезке [a,b], заданный следующим образом: Аf(t) =
1. линейный;
2. непрерывный;
3. ограниченный: 0
4. норма A: ||A|| = (b-a);
5. резольвента оператора А: R
x
6. Спектр оператора А:
§6. Оператор дифференцирования.
Рассмотрим оператор дифференцирования Д действующий в пространстве дифференцируемых функций – D[a,b], заданный следующим образом:
Дf(x) = f/(x);
Функция f(x)
Проверим оператор Д на линейность, по определению 1:
1) Аксиома аддитивности: Д(f+g) = Д(f) + Д(g).
Д(f+g) = (f+g)/ = f/ + g/ = Д(f) + Д(g).
2) Аксиома однородности: Д(kf) = kД(f).
Д(kf) = (kf) / = k(f)/ = kД(f).
Исходя из свойств производной:
1. производная от алгебраической суммы нескольких функций равна алгебраической сумме их производных;
2. постоянный множитель можно вынести за знак производной.
Можно утверждать, что Д – линейный оператор.
3) Для линейных операторов ограниченность и непрерывность оператора эквивалентны, это следует из теоремы 3.
3.1) Для начала покажем, что Д не является непрерывным оператором.
Задан оператор Дf(x) = f/(x) подпространства E
Рассмотрим f0(x) = 0
В пространстве E
Рассмотрим последовательность образов: Д(fn ) = cos(nx).
Имеем:
p (Дfn, Дf0) =
Это означает, что Дfn не может сходиться к Дf0 , то есть отображение Д терпит разрыв в f0.
Поскольку оператор не является непрерывным, то, следовательно, он и не является ограниченным.
3.2) Теперь покажем, как из неограниченности оператора следует его разрывность.
Пусть оператор Д действует из C[0, 1] в C[0, 1], оператор Дf(x) = f/(x);
Этот оператор определен не на всем пространстве непрерывных функций, а лишь на подпространстве непрерывных функций, имеющих непрерывную производную.
В пространстве C[0, 1] норма ||f|| =
Возьмем из C[0, 1] последовательность fn(t) = tn. Она ограничена в C[0, 1]: ||fn(t)|| =
Рассмотрим Д fn(t): Д fn(t) = f/n(t) = n tn-1;
||f/n(t)|| =
В результате получили, что оператор Д переводит ограниченное множество в неограниченное, значит, по определению этот оператор не является ограниченным, а по теореме 3 не является непрерывным.
Вывод:
Оператор дифференцирования Д действующий в пространстве дифференцируемых функций – D[a,b], заданный следующим образом: Дf(x)=f/(x), где функция f(x)
1. линейный;
2. не ограниченный;
3. не непрерывный.
§7. Оператор сдвига
Рассмотрим оператор А, действующий в пространстве непрерывных и ограниченных функций – C[
Af(x) = f(x+a).
Функции f(x), f(x+a)
Покажем линейность оператора А, по определению 1 должны выполняться следующие аксиомы :
1) Аксиома аддитивности: А(f+g) = А(f) + А(g).
А(f+g) = (f+g)(x+a) = f(x+a) + g(x+a) = А(f) + А(g).
По определению суммы функции, аксиома верна.
2) Аксиома однородности: А(kf) = kА(f).
A(k*f(x)) = k*f(x+a) = k*A(f(x)).
Аксиомы 1 и 2 верны, следовательно можно сделать вывод, что А – линейный оператор.
3) Проверим является ли оператор A непрерывным, для этого воспользуемся определением непрерывности:
p (fn(x), f0(x))
Оператор А действует в пространстве C[
p (fn(x), f0(x)) =
Решение:
p (A fn(x), Af0(x)) =
Таким образом p (A fn(x), Af0(x))
4) Непрерывный оператор является ограниченным, а у ограниченного оператора есть норма, найдем норму оператора А (по определению 5):
||A|| =
Поскольку ||f|| =
Норма А: ||A|| = 1.
5) Обратимость оператора А: Af(x) = f(x+a)
Такой оператор A сдвигает функцию на const a; обратный к A оператор будет сдвигать функцию на const (-a):
A-1f(x) = f(x-a).
6) Спектр оператора А.
Рассмотрим пространство непрерывных функций – С[0, +
Af(x) = f(x+a), a
Вопрос о спектре оператора А касается разрешимости в пространствах С[0,b) и С[а,+
Введем функцию V(x) =
Следовательно рассмотренная функция входит в пространство С[0,+
Теперь рассмотрим V(x+a) =
Для
Покажем, что остальные точки окружности
Рассмотрим U(x) =
U(x+a) =
U(x) =
Если точки лежат вне единичного круга, то они регулярные для оператора А в 2-х пространствах.
Покажем, что в пространстве С[0, +
Докажем это от противного: пусть найдется
f(x+a) =
Применим оператор А n раз: f(x+n*a) =
правая часть предела не имеет, так как не имеет предела последовательность
Следовательно
Эти точки будут принадлежать спектру оператора А в пространстве С[0,+
Сделаем вывод:
При |
При |
При
Вывод:
Оператор А, действующий в пространстве непрерывных и ограниченных функций – C[
1. линейный;
2. непрерывный и ограниченный;
3. норма А: ||A|| = 1;
4. A-1f(x) = f(x-a);
5. Спектр оператора А:
· при |
· при
· При |
Заключение
В ходе проделанной работы были рассмотрены основные определения теории линейных операторов: непрерывность, ограниченность, норма, спектр оператора и резольвента. Проведено исследование четыре оператора: оператор умножения на непрерывную функцию, оператор интегрирования, оператор дифференцирования, оператор сдвига. Можно сказать, что поставленные цели были достигнуты.
Список литературы
1. Колмогоров, А.Н. Элементы теории функций и функционального анализа [Текст]/ А.Н. Колмогоров, С.В. Фомин. – М.: Наука; Главная редакция физико–математической литературы, 1972.
2. Соболев, В.И. Лекции по дополнительным главам математического анализа [Текст] / В.И. Соболев. - М.: Наука, 1968.
3. Петров, В.А., Виленкин, Н.Я, Граев, М.И. Элементы функционального анализа в задачах [Текст]/ В.А. Петров, Н.Я. Виленкин, М.И. Граев под ред. О.А. Павлович. - М.: Просвещение, 1978.
4. Данфорд, Н. Линейные операторы. Общая теория [Текст]/ Н. Данфорд, Дж.Т. Шварц; под ред. А.Г. Костюченко; пер. с англ. Л.И. Головина, Б.С. Литягина. – М.: Издательство иностранной литературы, 1926.
[1] Ex и Ey - линейные многообразия, то есть если x, y Ex , то x + y Ey , при , .
Ex – область определения А;
Ey - область значения А;
Ex – область определения А;
Ey - область значения А;
[2] Равенства 1 и 2 определяются как аксиомы аддитивности и однородности;
[3]Шаром в метрическом пространстве называется совокупность элементов x пространства, удовлетворяющих условию p (xn, x0) < а.
Шар D(x0, a).
Если p (xn, x0) а, то D(x0, a) – замкнутый шар.
Если p (xn, x0) = а, то S(x0, a) – сфера.
Всякий шар метрического пространства, содержащий точку y, называется окрестностью точки y.
Шар D(x0, a).
Если p (xn, x0)
Если p (xn, x0) = а, то S(x0, a) – сфера.
Всякий шар метрического пространства, содержащий точку y, называется окрестностью точки y.
[4]Свойства нормы оператора.
1) Если оператор ограничен, , то и оператор ограничен, причем .
2) Если операторы ограничены, то и оператор ограничен, причем и .
1) Если оператор
2) Если операторы
[5]Линейный функционал, есть частный случай линейного оператора. Именно, линейный функционал есть линейный оператор, переводящий пространство E в числовую прямую.
[6] Резольвента – это функция комплексного переменного со значениями во множестве операторов, определенная на множестве регулярных чисел данного оператора.