Спектр линейного оператора — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(исправил нормально утверждение)
Строка 44: Строка 44:
 
<tex>r_\sigma(A) = \lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{\|A^n\|}</tex>
 
<tex>r_\sigma(A) = \lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{\|A^n\|}</tex>
 
|proof=
 
|proof=
{{TODO|t=тут везде написано <tex>\|A\|^n</tex> вместо <tex>\|A^n\|</tex>, надо пофиксить}}
+
Обозначим для краткости <tex>r_\sigma(A)</tex> за <tex>r</tex>.
  
Обозначим для краткости <tex>r_\sigma(A)</tex> за <tex>r</tex>.
+
По определению нижней грани, <tex>\forall \varepsilon > 0 \exists n_0: r \le \|A^{n_0}\|^{\frac{1}{n_0}} < r + \varepsilon</tex>.
  
По определению нижней грани, <tex>\forall \varepsilon > 0 \exists n_0: r \le \sqrt[n]{\|A^n\|} < r + \varepsilon</tex>.
+
Любое <tex n > n_0</tex> представим как <tex>n = p_n n_0 + q_n</tex>, где <tex>q_n = 0, 1, \ldots, n_0 - 1</tex>.
  
<tex>\forall n > n_0, n = p_n n_0 + q_n</tex>, где <tex>q_n = 0, 1, \ldots, n_0 - 1</tex>.
+
Таким образом, <tex>\|A^n\| = \|A^{p_n n_0 + q_n}\| \le \|A^{p_n n_0}\| \|A^{q_n} \|\le \|A^{n_0}\|^{p_n} \|A\|^{q_n}</tex>
  
<tex>\sqrt[n]{\|A^n\|} = \sqrt[p_n n_0 + q_n]{\|A^n\|}</tex>, <tex>\|A^n\| \le \|A^{p_n n_0}\| \|A^{q_n} \|\le \|A^n_0\|^p_0 \|A^{q_n}\|</tex>
+
Значит, <tex>{\|A^n\|}^{\frac{1}{n}} \le {\|A^{n_0}\|}^{\frac{p_n}{n}} {\|A\|}^{\frac{q_n}{n}}</tex>.
  
Значит, <tex>\sqrt[n]{\|A^n\|} \le \sqrt[\frac{n}{p_0}]{\|A^{n_0}\|} \sqrt[\frac{n}{q_n}]{\|A\|}</tex>.
+
Рассмотрим <tex>{\|A^{n_0}\|}^{\frac{p_0}{n}} = {\|A^{n_0}\|}^{\frac{n_0}{p_n n_0 + q_n}} \le {\|A^{n_0}\|}^{\frac{n_0}{p_n n_0}} = \|A^{n_0}\|^{\frac{1}{n_0}} < r+ \varepsilon</tex>.
  
Здесь <tex>\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}} < r_\sigma + \varepsilon</tex>, а <tex>\sqrt[\frac{n}{q_n}]{\|A\|} \le \sqrt[\frac{n}{n_0 - 1}]{\|A\|} \to \|A\|^0 = 1</tex>.
+
Теперь рассмотрим <tex>\frac{q_n}{n} \le \frac{n_0 - 1}{n} \xrightarrow[n \to \infty]{} 0</tex>, значит, <tex>\|A\|^{\frac{q_n}{n}} \to 1</tex>, то есть, <tex>\forall \varepsilon > 0 \exists n \forall n' > n: \|A\|^{\frac{q_{n'}}{n'}} \le 1 + \varepsilon</tex>.
  
Отсюда, <tex>r \le \sqrt[n]{\|A\|^n} r + \varepsilon</tex>, <tex>\lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{\|A\|^n} \to r</tex>.
+
Тогда, с одной стороны, по определению <tex>r</tex> как инфимума, для всех <tex>n</tex>: <tex>r \le \|A^n\|^{\frac{1}{n}}</tex>, но с другой, по только что показанному, для произвольного <tex>\varepsilon</tex>, начиная с какого-то <tex>n</tex> можно сказать, что <tex>\|A^n\|^{\frac{1}{n}} \le (r + \varepsilon) (1 + \varepsilon)</tex>. Тогда из этого получаем, что <tex>\|A^n\|^{\frac{1}{n}} \to r</tex>, что и требовалось доказать.
 
}}
 
}}
  

Версия 18:03, 10 января 2013

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 \|A^{n_0}\|^{\frac{1}{n_0}} \lt r + \varepsilon[/math].

Любое [math] n_0[/math] представим как [math]n = p_n n_0 + q_n[/math], где [math]q_n = 0, 1, \ldots, n_0 - 1[/math].

Таким образом, [math]\|A^n\| = \|A^{p_n n_0 + q_n}\| \le \|A^{p_n n_0}\| \|A^{q_n} \|\le \|A^{n_0}\|^{p_n} \|A\|^{q_n}[/math]

Значит, [math]{\|A^n\|}^{\frac{1}{n}} \le {\|A^{n_0}\|}^{\frac{p_n}{n}} {\|A\|}^{\frac{q_n}{n}}[/math].

Рассмотрим [math]{\|A^{n_0}\|}^{\frac{p_0}{n}} = {\|A^{n_0}\|}^{\frac{n_0}{p_n n_0 + q_n}} \le {\|A^{n_0}\|}^{\frac{n_0}{p_n n_0}} = \|A^{n_0}\|^{\frac{1}{n_0}} \lt r+ \varepsilon[/math].

Теперь рассмотрим [math]\frac{q_n}{n} \le \frac{n_0 - 1}{n} \xrightarrow[n \to \infty]{} 0[/math], значит, [math]\|A\|^{\frac{q_n}{n}} \to 1[/math], то есть, [math]\forall \varepsilon \gt 0 \exists n \forall n' \gt n: \|A\|^{\frac{q_{n'}}{n'}} \le 1 + \varepsilon[/math].

Тогда, с одной стороны, по определению [math]r[/math] как инфимума, для всех [math]n[/math]: [math]r \le \|A^n\|^{\frac{1}{n}}[/math], но с другой, по только что показанному, для произвольного [math]\varepsilon[/math], начиная с какого-то [math]n[/math] можно сказать, что [math]\|A^n\|^{\frac{1}{n}} \le (r + \varepsilon) (1 + \varepsilon)[/math]. Тогда из этого получаем, что [math]\|A^n\|^{\frac{1}{n}} \to r[/math], что и требовалось доказать.
[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]