Спектр линейного оператора

Эта статья находится в разработке!

В пределах этого параграфа подразумевается, что оператор [math]A[/math] — линейный, ограниченный.

Определение:

Рассмотрим некоторое [math]\lambda \in \mathbb C[/math]. Если для него существует и непрерывен оператор [math]R_\lambda(A) = R\lambda = (A - \lambda I)^{-1}[/math] ([math]I[/math] — единичный оператор), то он называется резольвентой. Множество [math]\lambda[/math], для которых существует [math]R_\lambda[/math], обозначается [math]\rho(A)[/math], дополнение к нему обозначается [math]\sigma(A)[/math] и называется спектром оператора [math]A[/math].

Утверждение (замкнутость спектра):

[math]\rho(A)[/math] — открытое множество в [math]\mathbb C[/math];

[math]\triangleright[/math]

Пусть [math]\lambda_0 \in \rho(A)[/math], тогда существует [math]R_{\lambda_0}[/math]. [math]A - \lambda I = (A - \lambda_0 I) - (\lambda - \lambda_0) I = (A - \lambda_0 I) - (\lambda - \lambda_0) (A - \lambda_0 I) R_{\lambda_0} = (A - \lambda_0 I) (I - (\lambda - \lambda_0) R_{\lambda_0})[/math] Если [math]|\lambda - \lambda_0| \|R_{\lambda_0}\| \lt 1[/math], то [math](I - (\lambda - \lambda_0) R_{\lambda_0})[/math] непрерывно обратим по теореме Банаха. Тогда и оператор [math]A - \lambda I[/math] тоже непрерывно обратим, так как [math] (A - \lambda I)^{-1} = ((A - \lambda_0 I) (I - (\lambda - \lambda_0) R_{\lambda_0}))^{-1} = (I - (\lambda - \lambda_0) R_{\lambda_0})^{-1} (A - \lambda_0 I)^{-1} [/math], и тогда он непрерывен как компзиция непрерывных. Нужное нам условие выполняется, если [math]|\lambda - \lambda_0| \lt \frac1{\|R_{\lambda_0}\|}[/math], таким образом, любая точка [math]\lambda_0[/math] множества [math]\rho(A)[/math] входит в него вместе с некоторой окрестностью.

[math]\triangleleft[/math]

Утверждение (вхождение спектра в круг радиуса ||А||):

[math]\{ |\lambda| \gt \|A\|\} \subset \rho(A)[/math]

[math]\triangleright[/math]

[math]A - \lambda I = -\lambda(I - \frac1\lambda A)[/math] Если [math]|\lambda| \gt \|A\|[/math], то [math]\frac1{|\lambda|} \|A\| \lt 1[/math], [math](I - \frac1\lambda A)[/math] непрерывно обратим, и [math]A[/math] имеет резольвенту. Отсюда мгновенно получаем требуемое.

[math]\triangleleft[/math]

Определение:

[math]r_\sigma(A) = \inf\limits_{n \in \mathbb N} \sqrt[n]{\|A\|^n}[/math] — спектральный радиус оператора.

Так как [math]\|A^n\| \le \|A\|^n[/math], то [math]r_\sigma(A) \le \|A\|[/math].

Утверждение:

[math]r_\sigma(A) = \lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{\|A\|^n}[/math]

[math]\triangleright[/math]

Обозначим для краткости [math]r_\sigma(A)[/math] за [math]r[/math]. По определению нижней грани, [math]\forall \varepsilon \gt 0 \exists n_0: r \le \sqrt[n]{\|A\|^n} \lt r + \varepsilon[/math]. [math]\forall n \gt n_0, n = p_n n_0 + q_n[/math], где [math]q_n = 0, 1, \ldots, n_0 - 1[/math]. [math]\sqrt[n]{\|A\|^n} = \sqrt[p_n n_0 + q_n]{\|A\|^n}[/math], [math]\|A\|^n \le \|A^{p_n n_0}\| \|A\|^{q_n} \le \|A^n_0\|^p_0 \|A\|^{q_n}[/math] Значит, [math]\sqrt[n]{\|A\|^n} \le \sqrt[\frac{n}{p_0}]{\|A\|^{n_0}} \sqrt[\frac{n}{q_n}]{\|A\|}[/math]. Здесь [math]\sqrt[\frac{n}{p_0}]{\|A\|^{n_0}} = \sqrt[\frac{p_n n_0 + q_n}{p_0}]{\|A\|^{n_0}} \le \sqrt[\frac{p_n n_0}{p_0}]{\|A\|^{n_0}} = \sqrt[n_0]{\|A\|^{n_0}} \lt r_\sigma + \varepsilon[/math], а [math]\sqrt[\frac{n}{q_n}]{\|A\|} \le \sqrt[\frac{n}{n_0 - 1}]{\|A\|} \to \|A\|^0 = 1[/math]. Отсюда, [math]r \le \sqrt[n]{\|A\|^n} r + \varepsilon[/math], [math]\lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{\|A\|^n} \to r[/math].

[math]\triangleleft[/math]

Утверждение:

[math]\sigma(A) \subset {|\lambda| \lt r_\sigma(A)}[/math]

[math]\triangleright[/math]

Проверим, при каких [math]r_\sigma[/math] будет сходиться ряд [math]\sum\limits_{n=0}^{\infty} (\frac1\lambda A)^n[/math]. В этом случае оператор [math]A - \lambda I = -\lambda (I - \frac1\lambda A)[/math], очевидно, будет непрерывно обратим. [math]\|\sum\limits_{n=0}^{\infty} (\frac1\lambda A)^n \| \le \sum\limits_{n=0}^{\infty} |\frac1\lambda|^n \|A\|^n[/math], по радикальному признаку Коши, последний ряд сходится, если [math]\sqrt[n]{|\frac1\lambda|^n \|A\|^n} = |\frac1\lambda| \sqrt[n]{\|A\|^n} \to |\frac1\lambda| r_\sigma \lt 1[/math]. То есть, при [math]r_\sigma \lt |\lambda|[/math], [math]\lambda \in \rho(A)[/math], и [math]\sigma(A) \subset V_{r_\sigma}(0)[/math]

[math]\triangleleft[/math]

Теорема:

[math]\|A\| \lt +\infty \Rightarrow \sigma(A) \ne \varnothing[/math]

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Если [math]L(X)[/math] (пространство линейных ограниченных операторов [math]A: X \rightarrow X[/math]) банахово, то в нем можно рассматривать операторно степенные ряды [math]\sum\limits_{n=0}^{\infty} A_n\lambda^n[/math], их свойства копируют свойства обычных степенных рядов. Докажем, что оператор [math]R_\lambda[/math] аналитичен в [math]\rho(A)[/math] и в [math]\infty[/math]. [math]A - \lambda I = A = (A - \lambda_0 I) - (\lambda - \lambda_0)I = (A - \lambda_0 I) - (\lambda - \lambda_0)(A - \lambda_0 I)R_{\lambda_0} = (A - \lambda_0 I)(I - (\lambda - \lambda_0)R_{\lambda_0})[/math] [math](I - (\lambda - \lambda_0)R_{\lambda_0}) = \sum\limits_{n=0}^{\infty} R_{\lambda_0}^n (\lambda - \lambda_0)^n[/math] — сходится при [math]|\lambda - \lambda_0| \approx 0[/math]. TODO: вот здесь что-то подозрительное [math]A - \lambda I = (A - \lambda_0 I) \sum\limits_{n=0}^{\infty} R_{\lambda_0}^n (\lambda - \lambda_0)^n = \sum\limits_{n=0}^{\infty} R_{\lambda_0}^{n-1} (\lambda - \lambda_0)^n[/math], следовательно, [math](A - \lambda I)^{-1}[/math] аналитична. TODO: WAT Также, так как [math]A - \lambda I = -\lambda (I - \frac1\lambda A)[/math], то при [math]|\lambda| \approx \infty[/math], [math]R_\lambda = -\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{A^n}{\lambda^{n-1}}[/math], и [math]R_lambda[/math] аналитична при [math]\lambda = \infty[/math]. Теперь допустим, что [math]\|A\| \lt +\infty[/math] и [math]\sigma(A) = \varnothing[/math]. Тогда [math]\rho(A) = \mathbb C[/math]. Для любого [math]r[/math] оператор [math]R_\lambda(z)[/math] ограничен в шарах [math]0 \lt z \lt r[/math] и [math]z \gt r[/math]. Но [math]R_\lambda[/math] аналитичен на всей комплексной плоскости, значит, по теореме Лиувилля, [math]R_\lambda[/math] есть константа, пришли к противоречию. TODO: НЕТ, НЕ ПРИШЛИ ЕЩЕ!

[math]\triangleleft[/math]