Линейный оператор, связанный с топологическими векторными пространствами
В математике ядерные операторы являются важным классом линейных операторов, введенных Александром Гротендиком в его докторской диссертации. Ядерные операторы тесно связаны с проективным тензорным произведением двух топологических векторных пространств (TVS).
Предварительные сведения и обозначения
Пусть X , Y и Z — топологические векторные пространства (TVS), а L : X → Y — линейный оператор (предположение о непрерывности не делается, если не указано иное).
- Проективное тензорное произведение двух локально выпуклых ТВС X и Y обозначается через , а пополнение этого пространства будет обозначаться через .
- L : X → Y является топологическим гомоморфизмом или гомоморфизмом , если он линейный, непрерывный и является открытым отображением , где , образ L , имеет топологию подпространства, индуцированную Y .
- Если S — подпространство X , то и фактор-отображение X → X / S , и каноническая инъекция S → X являются гомоморфизмами.
- Множество непрерывных линейных отображений X → Z (соответственно непрерывных билинейных отображений ) будет обозначаться как L( X , Z ) (соответственно B( X , Y ; Z )), где если Z является базовым скалярным полем, то мы можем вместо этого записать L( X ) (соответственно B( X , Y )).
- Любое линейное отображение можно канонически разложить следующим образом: где определяет биекцию, называемую канонической биекцией, связанной с L.
- X * или будет обозначать непрерывное сопряженное пространство X.
- Для большей ясности изложения мы используем общепринятое соглашение о записи элементов со штрихом после символа (например, обозначает элемент , а не, скажем, производную, а переменные x и не обязательно должны быть каким-либо образом связаны).
- будет обозначать алгебраическое сопряженное пространство X (которое является векторным пространством всех линейных функционалов на X , непрерывных или нет) .
- Линейное отображение L : H → H из гильбертова пространства в себя называется положительным, если для каждого . В этом случае существует единственное положительное отображение r : H → H , называемое квадратным корнем L , такое , что .
- Если — любое непрерывное линейное отображение между гильбертовыми пространствами, то всегда положительно. Теперь пусть R : H → H обозначает его положительный квадратный корень, который называется абсолютным значением L . Сначала определим на , установив для и продолжив непрерывно до , а затем определим U на , установив для и продолжим это отображение линейно на все из . Отображение является сюръективной изометрией и .
- Линейное отображение называется компактным или вполне непрерывным, если существует окрестность U начала координат в X такая, что является предкомпактной в Y .
В гильбертовом пространстве положительные компактные линейные операторы, скажем, L : H → H, имеют простое спектральное разложение, открытое в начале 20-го века Фредгольмом и Ф. Риссом:
Существует последовательность положительных чисел, убывающая и либо конечная, либо сходящаяся к 0, и последовательность ненулевых конечномерных подпространств H (i = 1, 2, ) со следующими свойствами: (1) подпространства попарно ортогональны; (2) для каждого i и каждого , ; и (3) ортогональность подпространства, натянутого на , равна ядру L .
Обозначения топологий
- σ ( X , X ′) обозначает грубейшую топологию на X , делающую каждое отображение в X ′ непрерывным, иили обозначает X , наделенное этой топологией .
- σ ( X ′, X ) обозначает слабую* топологию на X* иили обозначает X ′, наделенное этой топологией .
- Обратите внимание, что каждое индуцирует отображение, определяемое соотношением . σ (X′, X) — это грубейшая топология на X′, делающая все такие отображения непрерывными.
- b(X, X′) обозначает топологию ограниченной сходимости на X и или обозначает X, наделенное этой топологией .
- b(X′, X) обозначает топологию ограниченной сходимости на X′ или сильную двойственную топологию на X′ и или обозначает X ′, наделенное этой топологией .
- Как обычно, если X * рассматривается как топологическое векторное пространство, но не ясно, какой топологией оно наделено, то топология будет предполагаться равной b( X ′, X ).
Каноническое тензорное произведение как подпространство двойственного к Bi(Х,И)
Пусть X и Y — векторные пространства (топология пока не нужна), а Bi( X , Y ) — пространство всех билинейных отображений , определенных на базовом скалярном поле и входящих в него.
Для каждого пусть будет канонической линейной формой на Bi( X , Y ), определенной как для каждого u ∈ Bi( X , Y ). Это индуцирует каноническое отображение , определенное как , где обозначает алгебраическое сопряженное Bi( X , Y ) . Если мы обозначим диапазон значений 𝜒 через X ⊗ Y , то можно показать, что X ⊗ Y вместе с 𝜒 образует тензорное произведение X и Y (где x ⊗ y := 𝜒 ( x , y )). Это дает нам каноническое тензорное произведение X и Y .
Если Z — любое другое векторное пространство, то отображение Li( X ⊗ Y ; Z ) → Bi( X , Y ; Z ), заданное формулой u ↦ u ∘ 𝜒 , является изоморфизмом векторных пространств. В частности, это позволяет нам отождествить алгебраическое сопряженное пространство X ⊗ Y с пространством билинейных форм на X × Y .
Более того, если X и Y — локально выпуклые топологические векторные пространства (TVS) и если X ⊗ Y задано π -топологией, то для любого локально выпуклого TVS Z это отображение ограничивается изоморфизмом векторного пространства из пространства непрерывных линейных отображений на пространство непрерывных билинейных отображений.
В частности, непрерывное сопряженное пространство X ⊗ Y может быть канонически отождествлено с пространством B( X , Y ) непрерывных билинейных форм на X × Y ; Более того, при этой идентификации равностепенно непрерывные подмножества B( X , Y ) совпадают с равностепенно непрерывными подмножествами .
Ядерные операторы между банаховыми пространствами
Существует каноническое вложение векторного пространства, определяемое путем отправки на карту
Предполагая, что X и Y являются банаховыми пространствами, тогда отображение имеет норму (чтобы увидеть, что норма равна , отметим, что так что ). Таким образом, оно имеет непрерывное расширение до отображения , где известно, что это отображение не обязательно инъективно. Диапазон этого отображения обозначается как , а его элементы называются ядерными операторами . является TVS-изоморфным и норма на этом факторпространстве, когда переносится на элементы через индуцированное отображение , называется следовой нормой и обозначается как . Явно, [ разъяснение требуется явно или специально? ] если является ядерным оператором, то .
Характеристика
Предположим, что X и Y — банаховы пространства и что — непрерывный линейный оператор.
- Следующие значения эквивалентны:
- является ядерным.
- Существует последовательность в замкнутом единичном шаре , последовательность в замкнутом единичном шаре и комплексная последовательность такие, что и равно отображению: для всех . Более того, следовая норма равна инфимуму чисел по множеству всех представлений как таковой серии.
- Если Y рефлексивен , то является ядерным тогда и только тогда, когда является ядерным, и в этом случае .
Характеристики
Пусть X и Y — банаховы пространства и пусть — непрерывный линейный оператор.
- Если — ядерное отображение, то его транспонирование — непрерывное ядерное отображение (когда двойственные пространства несут свои сильные двойственные топологии) и .
Ядерные операторы между гильбертовыми пространствами
Ядерные автоморфизмы гильбертова пространства называются операторами следового класса .
Пусть X и Y — гильбертовы пространства, а N : X → Y — непрерывное линейное отображение. Предположим, что где R : X → X — квадратный корень из , а U : X → Y — такое, что — сюръективная изометрия. Тогда N является ядерным отображением тогда и только тогда, когда R является ядерным отображением; следовательно, для изучения ядерных отображений между гильбертовыми пространствами достаточно ограничиться положительными самосопряженными операторами R .
Характеристика
Пусть X и Y — гильбертовы пространства, а N : X → Y — непрерывное линейное отображение, абсолютное значение которого равно R : X → X. Следующие условия эквивалентны:
- N : X → Y является ядерным.
- R : X → X является ядерным.
- R : X → X компактно и конечно, в этом случае .
- Здесь — след оператора R , и он определяется следующим образом: поскольку R — непрерывный компактный положительный оператор, то существует (возможно, конечная) последовательность положительных чисел с соответствующими нетривиальными конечномерными и взаимно ортогональными векторными пространствами, такая, что ортогональность (в H ) равна (и, следовательно, также ) и для всех k , для всех ; след определяется как .
- является ядерным, в этом случае .
- Существуют две ортогональные последовательности в X и в Y , а также последовательность в , такая что для всех , .
- N : X → Y — интегральное отображение .
Ядерные операторы между локально выпуклыми пространствами
Предположим, что U — выпуклая сбалансированная замкнутая окрестность начала координат в X , а B — выпуклый сбалансированный ограниченный банахов диск в Y, причем X и Y — локально выпуклые пространства. Пусть и пусть — каноническая проекция. Можно определить вспомогательное банахово пространство с каноническим отображением , образ которого, , плотен в , а также вспомогательное пространство, нормированное по и с каноническим отображением, являющимся (непрерывной) канонической инъекцией. Для любого непрерывного линейного отображения можно получить посредством композиции непрерывное линейное отображение ; таким образом, у нас есть инъекция , и в дальнейшем мы используем это отображение для идентификации как подпространства .
Определение : Пусть X и Y — локально выпуклые пространства Хаусдорфа. Объединение всех , когда U пробегает все замкнутые выпуклые сбалансированные окрестности начала координат в X, а B пробегает все ограниченные банаховы диски в Y , обозначается , а его элементы называются ядерными отображениями X в Y .
Когда X и Y являются банаховыми пространствами, то это новое определение ядерного отображения согласуется с исходным определением, данным для особого случая, когда X и Y являются банаховыми пространствами.
Достаточные условия для ядерности
- Пусть W , X , Y , и Z — локально выпуклые пространства Хаусдорфа, ядерное отображение, и — непрерывные линейные отображения. Тогда , , и являются ядерными, и если вдобавок W , X , Y , и Z — все банаховы пространства, то .
- Если — ядерное отображение между двумя хаусдорфовыми локально выпуклыми пространствами, то его транспонирование — непрерывное ядерное отображение (когда двойственные пространства несут свои сильные двойственные топологии).
- Если к тому же X и Y — банаховы пространства, то .
- Если — ядерное отображение между двумя хаусдорфовыми локально выпуклыми пространствами и если — пополнение X , то единственное непрерывное расширение N является ядерным.
Характеристика
Пусть X и Y — хаусдорфовы локально выпуклые пространства и пусть — непрерывный линейный оператор.
- Следующие значения эквивалентны:
- является ядерным.
- (Определение) Существует выпуклая сбалансированная окрестность U начала координат в X и ограниченный банахов диск B в Y такие, что и индуцированное отображение является ядерным, где — единственное непрерывное расширение , которое является единственным отображением, удовлетворяющим , где — естественное включение, а — каноническая проекция.
- Существуют банаховы пространства и и непрерывные линейные отображения , и такие, что является ядерным и .
- Существует равностепенно непрерывная последовательность в , ограниченный банахов диск , последовательность в B и комплексная последовательность такие, что и равно отображению: для всех .
- Если X является бочкообразным, а Y является квазиполным , то N является ядерным тогда и только тогда, когда N имеет представление вида с ограниченным в , ограниченным в Y и .
Характеристики
Ниже приведен тип теоремы Хана-Банаха для расширения ядерных отображений:
- Если — TVS-вложение и — ядерное отображение, то существует ядерное отображение, такое что . Более того, когда X и Y — банаховы пространства, а E — изометрия, то для любого можно выбрать так, что .
- Предположим, что есть TVS-вложение , образ которого замкнут в Z , и пусть будет канонической проекцией. Предположим, что каждый компактный диск в является образом ограниченного банахова диска в Z (это верно, например, если X и Z являются пространствами Фреше или если Z является сильно сопряженным к пространству Фреше и слабо замкнуто в Z ). Тогда для каждого ядерного отображения существует ядерное отображение такое, что .
- Более того, когда X и Z являются банаховыми пространствами, а E является изометрией, то для любого можно выбрать так, что .
Пусть X и Y — хаусдорфовы локально выпуклые пространства и пусть — непрерывный линейный оператор.
- Любая ядерная карта компактна.
- Для каждой топологии равномерной сходимости на ядерные отображения содержатся в замыкании (когда рассматривается как подпространство ).
Смотрите также
Ссылки
Библиография
- Diestel, Joe (2008). Метрическая теория тензорных произведений: пересмотр резюме Гротендика . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. ISBN 978-0-8218-4440-3. OCLC 185095773.
- Дубинский, Эд (1979). Структура ядерных пространств Фреше . Берлин Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 3-540-09504-7. OCLC 5126156.
- Гротендик, Александр (1966). Produits tensoriels topologiques et espaces nucléaires (на французском языке). Провиденс: Американское математическое общество. ISBN 0-8218-1216-5. OCLC 1315788.
- Хусейн, Такдир (1978). Бочкообразность в топологических и упорядоченных векторных пространствах . Берлин Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 3-540-09096-7. OCLC 4493665.
- Халилулла, SM (1982). Контрпримеры в топологических векторных пространствах . Конспект лекций по математике . Том 936. Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк: Springer-Verlag . ISBN 978-3-540-11565-6. OCLC 8588370.
- Наричи, Лоуренс; Бекенштейн, Эдвард (2011). Топологические векторные пространства . Чистая и прикладная математика (Второе изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1584888666. OCLC 144216834.
- Нленд, Х. (1977). Борнологии и функциональный анализ: вводный курс по теории двойственной топологии-борнологии и ее использование в функциональном анализе . Амстердам Нью-Йорк Нью-Йорк: North-Holland Pub. Co. Эксклюзивные дистрибьюторы в США и Канаде, Elsevier-Norland. ISBN 0-7204-0712-5. OCLC 2798822.
- Нленд, Х (1981). Ядерные и конядерные пространства: вводные курсы по ядерным и конядерным пространствам в свете дуальности . Амстердам Нью-Йорк Нью-Йорк, Нью-Йорк: North-Holland Pub. Co. Эксклюзивный дистрибьютор в США и Канаде, Elsevier North-Holland. ISBN 0-444-86207-2. OCLC 7553061.
- Питч, Альбрехт (1972). Ядерные локально-выпуклые пространства . Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 0-387-05644-0. OCLC 539541.
- Робертсон, А. П. (1973). Топологические векторные пространства . Cambridge England: University Press. ISBN 0-521-29882-2. OCLC 589250.
- Райан, Рэймонд (2002). Введение в тензорные произведения банаховых пространств . Лондон Нью-Йорк: Springer. ISBN 1-85233-437-1. OCLC 48092184.
- Шефер, Хельмут Х.; Вольф, Манфред П. (1999). Топологические векторные пространства . GTM . Том 8 (Второе издание). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer New York Imprint Springer. ISBN 978-1-4612-7155-0. OCLC 840278135.
- Тревес, Франсуа (2006) [1967]. Топологические векторные пространства, распределения и ядра . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-45352-1. OCLC 853623322.
- Вонг (1979). Пространства Шварца, ядерные пространства и тензорные произведения . Берлин Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 3-540-09513-6. OCLC 5126158.
Внешние ссылки
- Ядерное пространство в ncatlab