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コンパクト作用空間 📂バナッハ空間

コンパクト作用空間

定義1

XXYYノルム空間として、T:XYT : X \to Yをこれらの空間間の作用素とする。すべての有界な部分集合MXM \subset Xに対して、作用素TTイメージT(M)T(M)事前コンパクトであるならば、TTコンパクト作用素compact operatorと言う。

説明

T(M)T(M)事前コンパクトprecompact, relatively compactとは、そのクロージャT(M)\overline{T(M)}コンパクトであることを意味する。言い換えれば、コンパクト作用素とは有界集合を事前コンパクトにマッピングする作用素である。

コンパクト作用素の研究の必要性は、以下のような積分方程式の解法から始まった。 (TλI)x(s)=y(s)whereTx(s)=abk(s,t)x(t)dt. (T - \lambda I)x(s) = y(s) \qquad \text{where} \qquad Tx(s) = \int_{a}^{b} k(s, t)x(t) dt. ここでλC\lambda \in \mathbb{C}は定数、yyと核kkは与えられた関数である。未知の数、すなわち見つけたい関数はxxである。ダビッド・ヒルベルトは、上の積分方程式の解法可能性solvabilityTTの積分形ではなく、TTのコンパクト性にのみ依存することを発見した。

compact operatorは、completely continuous operatorとも呼ばれる。この名前は以下の定理から付けられたものである。(a)から(b)は一般に成立しないが、(b)が反例である。

定理

連続性に関する定理: XXYYをノルム空間とする。

(a) すべてのコンパクト線形作用素T:XYT : X \to Y有界である。つまり連続である。

(b) もしXX無限次元ならば、恒等作用素I:XXI : X \to Xは(連続だが)コンパクトではない。

証明

(a)

単位球U={xX:x=1}U = \left\{ x \in X : \left\| x \right\| = 1 \right\}は有界である。TTをコンパクトと仮定すると、コンパクト作用素の定義によりT(U)\overline{T(U)}がコンパクトである。コンパクトならば有界であり、以下の補助定理により、T(U)\overline{T(U)}が有界であることは、すべてのTxT(U)Tx \in \overline{T(U)}に対してTxc\left\| Tx \right\| \le cが成立するccが存在することと同じである。

補助定理

以下の2つの命題は等価である。

  • ノルム空間XXの部分集合MXM \subset Xが有界である。
  • 正の数c>0c \gt 0が存在し、すべてのxMx \in Mに対してxc\left\| x \right\| \le cが成立する。

従って、

supxUTx< \sup\limits_{x \in U} \left\| Tx \right\| \lt \infty

(b)

dimX=\dim X = \inftyと仮定する。閉球B={xX:x1}B = \left\{ x \in X : \left\| x \right\| \le 1 \right\}は有界である。I(B)=B\overline{I(B)} = \overline{B}はリースの定理によりコンパクトであることができない。従って、I:XXI : X \to Xはコンパクト作用素ではない。

リースの定理

ノルム空間XXに対して、

XXは有限次元である。    \iff B(0;1)\overline{ B ( 0 ; 1 ) }はコンパクトである。

性質

コンパクト条件

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XXYYノルム空間として、T:XYT : X \to Y線形作用素とする。それでは、以下の2つの命題は同じである。

  1. TTコンパクト作用素である。
  2. TTが「XXのすべての有界数列」を「収束する部分数列を持つYYの数列」にマッピングする。

ベクトル空間

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コンパクト線形作用素の集合は、ベクトル空間を形成する。


  1. Erwin Kreyszig, Introductory Functional Analysis with Applications (1989), p405-406 ↩︎