1 有限階数作用素の摂動
補題 1.1.HをK∈{R,C}上の Hilbert 空間、IをHの恒等作用素とし、G∈B(H)を有限階数作用素とする。このときG∗も有限階数作用素である。さらに、ker(I−G)とker(I−G∗)は有限次元であり、dimker(I−G)=dimker(I−G∗)が成り立つ。
証明.M=imGとおく。Mは有限次元であるから、§E10.1 系 2.4によりHの閉線形部分空間である。y∈Hをとる。§E10.3 定理 2.2により、y=m+nを満たすm∈Mとn∈M⊥が存在する。§E12.1 命題 1.4 (1)によりn∈kerG∗であるから、G∗y=G∗mである。したがってimG∗=G∗(M)であり、dimimG∗≤dimM<∞であるから、G∗は有限階数作用素である。
N=imG∗、W=M+Nとおく。WはHの有限次元線形部分空間であるから、§E10.1 系 2.3により、Hの内積を制限して Hilbert 空間である。G(W)⊆M⊆WかつG∗(W)⊆N⊆Wであるから、GとG∗のWへの制限はWからWへの有界線形作用素G1,G2を定める。すべてのx,y∈Wについて⟨G1x,y⟩=⟨Gx,y⟩=⟨x,G∗y⟩=⟨x,G2y⟩であるから、Hilbert 空間Wにおける§E12.1 命題 1.2の一意性によりG1∗=G2である。Wの恒等作用素をIWとし、L=IW−G1とおくと、§E12.1 命題 1.3 (1)と§E12.1 命題 1.3 (5)によりL∗=IW−G2である。
LはI−GのWへの制限であるからkerL⊆ker(I−G)である。x∈ker(I−G)ならばx=Gx∈M⊆Wであるから、x∈kerLである。したがってker(I−G)=kerLである。L∗はI−G∗のWへの制限であり、y∈ker(I−G∗)ならばy=G∗y∈N⊆Wであるから、ker(I−G∗)=kerL∗である。
R=imLとおき、R⊥W={w∈W:すべての r∈R について ⟨w,r⟩=0}とする。§E12.1 命題 1.4 (1)を Hilbert 空間W上のLに適用するとkerL∗=R⊥Wである。Rは有限次元であるから、§E10.1 系 2.4によりWの閉線形部分空間であり、§E10.3 命題 2.4により、WからRへの直交射影PはimP=RとkerP=R⊥Wを満たす線形写像である。§E3.9 定理 1.3をLとPに適用すると
dimW=dimkerL+dimR=dimR⊥W+dimRであり、dimWは有限であるからdimkerL=dimR⊥W=dimkerL∗<∞である。ker(I−G)=kerLとker(I−G∗)=kerL∗により、主張を得る。▨
2 Fredholm の交代定理
定理 2.1 (Fredholm の交代定理).HをK∈{R,C}上の Hilbert 空間、IをHの恒等作用素とし、K∈K(H)、λ∈K∖{0}とする。
- ker(λI−K)とker(λI−K∗)は有限次元であり、dimker(λI−K)=dimker(λI−K∗)が成り立つ。
- im(λI−K)とim(λI−K∗)はHの閉線形部分空間であり、
im(λI−K)=ker(λI−K∗)⊥,im(λI−K∗)=ker(λI−K)⊥
が成り立つ。すなわち、y∈Hについて、λx−Kx=yを満たすx∈Hが存在することは、K∗z=λzを満たすすべてのz∈Hについて⟨y,z⟩=0が成り立つための必要十分条件である。
- λI−Kが単射であることと、λI−Kが全射であることは同値である。これらが成り立つとき、V(λI−K)=(λI−K)V=Iを満たすV∈B(H)が存在する。
証明.主張 (1)を示す。K1=λ−1Kとおく。§E12.2 命題 1.8 (1)によりK1∈K(H)であり、λI−K=λ(I−K1)であるからker(λI−K)=ker(I−K1)である。§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (2)、§E12.1 命題 1.3 (5)により
λI−K∗=(λI−K)∗=(λ(I−K1))∗=λ(I−K1∗)であるから、ker(λI−K∗)=ker(I−K1∗)である。
§E12.2 定理 8.1をX=HとK1に適用すると、∥K1−F∥<1を満たす有限階数作用素F∈B(H)が存在する。S=K1−Fとおくと、§E12.1 補題 3.1により、V(I−S)=(I−S)V=Iを満たすV∈B(H)が存在する。G=VFとおくと、imG=V(imF)は有限次元であるからGは有限階数作用素であり、
(I−S)(I−G)=I−S−(I−S)VF=I−S−F=I−K1である。V(I−S)=IによりI−Sは単射であるから、ker(I−K1)=ker(I−G)である。
§E12.1 命題 1.3 (3)、§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (5)を等式(I−S)(I−G)=I−K1に適用するとI−K1∗=(I−G∗)(I−S)∗であり、§E12.1 命題 1.3 (7)により(I−S)∗V∗=V∗(I−S)∗=Iである。y∈ker(I−K1∗)ならば(I−G∗)(I−S)∗y=0であるから(I−S)∗y∈ker(I−G∗)であり、w∈ker(I−G∗)ならば(I−K1∗)V∗w=(I−G∗)w=0であるからV∗w∈ker(I−K1∗)である。したがって(I−S)∗の制限はker(I−K1∗)からker(I−G∗)への線形同型であり、その逆写像はV∗の制限である。ker(λI−K)=ker(I−K1)=ker(I−G)であり、ker(λI−K∗)=ker(I−K1∗)はker(I−G∗)と線形同型であるから、補題 1.1をGに適用すると
dimker(λI−K)=dimker(I−G)=dimker(I−G∗)=dimker(λI−K∗)<∞を得る。
主張 (2)を示す。§E12.2 命題 5.2 (2)をKとλ=0に適用すると、im(λI−K)は閉線形部分空間である。§E12.3 系 3.3によりK∗∈K(H)であり、§E12.2 命題 5.2 (2)をK∗とλ=0に適用すると、im(λI−K∗)も閉線形部分空間である。T=λI−Kとおくと、§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (2)、§E12.1 命題 1.3 (5)によりT∗=λI−K∗である。§E12.1 命題 1.4 (2)と§E12.1 命題 1.4 (4)をTに適用すると
imT=imT=(kerT∗)⊥,imT∗=imT∗=(kerT)⊥を得る。y∈(kerT∗)⊥であることは、K∗z=λzを満たすすべてのz∈Hについて⟨y,z⟩=0であることにほかならない。
主張 (3)の単射性と全射性の同値は§E12.2 系 5.8により、有界な両側逆作用素の存在は§E12.2 補題 5.5により従う。▨
例 2.2.L2([0,1])を[0,1]上の Lebesgue 測度に関するK値のL2空間とし、1を定数関数1、u(x)=xとする。f∈L2([0,1])に対して
Kf=⟨f,1⟩u,すなわち(Kf)(x)=x∫01f(y)dyと定める。§E3.33 定理 1.3により∥Kf∥≤∥f∥∥u∥であり、imK⊆{cu:c∈K}であるから、Kは有限階数作用素であり、§E12.2 命題 1.4によりK∈K(L2([0,1]))である。f,g∈L2([0,1])について⟨Kf,g⟩=⟨f,1⟩⟨u,g⟩=⟨f,⟨g,u⟩1⟩であるから、§E12.1 命題 1.2の一意性によりK∗g=⟨g,u⟩1である。⟨u,1⟩=⟨1,u⟩=1/2であるから、Ku=u/2かつK∗1=1/2である。
λ=1/2とする。Kf=f/2ならばf=2⟨f,1⟩uであるから、ker(λI−K)={cu:c∈K}である。K∗g=g/2ならばg=2⟨g,u⟩1であるから、ker(λI−K∗)={c1:c∈K}である。定理 2.1 (2)により、g∈L2([0,1])について、積分方程式
21f(x)−x∫01f(y)dy=g(x)が解f∈L2([0,1])をもつことは、∫01g(y)dy=0が成り立つための必要十分条件である。∫01g(y)dy=0ならば、f=2gは21(2g)−⟨2g,1⟩u=gを満たす解であり、二つの解の差はker(λI−K)に属するから、解の全体は{2g+cu:c∈K}である。
g0(x)=x−1/2とおく。∫01g0(y)dy=0であるからg0∈im(λI−K)であるが、⟨g0,u⟩=∫01(x2−x/2)dx=1/12=0であるからg0∈/ker(λI−K)⊥である。したがって、im(λI−K)はker(λI−K)⊥と一致しない。
3 交代定理の仮定を外した例
例 3.1.定理 2.1からλ=0の仮定を外すことはできない。ℓ2をK値数列の Hilbert 空間、(en)n≥1をその標準基底とし、SとLを§E12.1 例 2.9の右シフトと左シフト、Dを(Dx)n=xn/n(n≥1)で定まるℓ2上の作用素とする。W=SD、すなわち
W(x1,x2,x3,…)=(0,x1,2x2,3x3,…)とおく。1/n→0であるから、§E12.2 命題 1.9によりDはコンパクトであり、§E12.2 命題 1.5によりW∈K(ℓ2)である。§E12.1 例 2.8によりD∗=Dであり、§E12.1 命題 1.3 (3)と§E12.1 例 2.9によりW∗=D∗S∗=DLである。
§E12.1 例 2.9によりS∗S=Iであるから∥Wx∥=∥Dx∥であり、Dは単射であるからkerW={0}である。Dは単射であるからkerW∗=kerL={ce1:c∈K}である。したがって
dimker(0I−W)=0=1=dimker(0I−W∗)であり、定理 2.1 (1)の等式はλ=0では成り立たない。すべてのx∈ℓ2について(Wx)1=0であるからe1∈/imWであり、Wは単射であるが全射でない。さらに、z=(0,1,1/2,1/3,…)はℓ2に属して⟨z,e1⟩=0を満たすからz∈(kerW∗)⊥であるが、Wx=zならばすべてのnについてxn=1となってx∈/ℓ2であるから、z∈/imWである。したがって、定理 2.1 (2)と定理 2.1 (3)の結論もλ=0では成り立たない。
例 3.2.定理 2.1のKのコンパクト性を有界性に弱めることはできない。ℓ2を複素数値数列の Hilbert 空間とし、SとLを§E12.1 例 2.9の右シフトと左シフトとして、0<∣λ∣<1を満たすλ∈Cをとる。§E12.1 例 5.1によりker(λI−S)={0}である。§E12.1 例 2.9によりS∗=Lであり、∣λ∣<1であるから、§E12.1 命題 5.3のuλについてker(λI−S∗)={cuλ:c∈C}は1次元である。したがってdimker(λI−S)=0=1=dimker(λI−S∗)である。§E12.1 定理 5.4によりλ∈σr(S)であるから、λI−Sは単射であるが、値域がℓ2で稠密でないので全射でない。Sについて定理 2.1 (1)と定理 2.1 (3)の結論が成り立たないから、定理 2.1によりSはコンパクトでない。
4 演習
問題 4.1.HをK∈{R,C}上の Hilbert 空間、IをHの恒等作用素とし、K∈K(H)、λ∈K∖{0}とする。
- すべてのn≥1についてdimker(λI−K)n=dimker(λI−K∗)n<∞であることを示せ。
- Kのλにおける代数的重複度と、K∗のλにおける代数的重複度が等しいことを示せ。
解答.
(1)を示す。n≥1とする。§E12.2 補題 5.3により、(λI−K)n=λnI−Knを満たすKn∈K(H)が存在する。§E12.1 命題 1.3 (3)をn−1回用いると((λI−K)n)∗=((λI−K)∗)nであり、§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (2)、§E12.1 命題 1.3 (5)により(λI−K)∗=λI−K∗かつ(λnI−Kn)∗=λnI−Kn∗である。したがって(λI−K∗)n=λnI−Kn∗である。λn=0であるから、定理 2.1 (1)をKnとλnに適用すると
dimker(λI−K)n=dimker(λnI−Kn)=dimker(λnI−Kn∗)=dimker(λI−K∗)n<∞を得る。
(2)を示す。§E12.3 系 3.3によりK∗∈K(H)であり、λ=0である。§E12.2 補題 5.7をKとλに、またK∗とλに適用すると、すべてのk≥pについてker(λI−K)k=Eλ(K)を満たすp≥1と、すべてのk≥p′についてker(λI−K∗)k=Eλ(K∗)を満たすp′≥1が存在する。q=max{p,p′}とおくと、(1)により
dimEλ(K)=dimker(λI−K)q=dimker(λI−K∗)q=dimEλ(K∗)であるから、二つの代数的重複度は等しい。▨
問題 4.2.L2([0,1])を[0,1]上の Lebesgue 測度に関する複素数値のL2空間とし、f∈L2([0,1])とx∈[0,1]に対して(Vf)(x)=∫0xf(y)dyと定める。
- Vはコンパクト作用素であり、V∗g(y)=∫y1g(x)dxで与えられることを示せ。
- λ∈C∖{0}ならばker(λI−V∗)={0}であることを示せ。
- 定理 2.1を用いて、σ(V)={0}であることを示せ。
解答.
(1)を示す。[0,1]2上の可測関数k(x,y)=1{y≤x}とk(y,x)=k(x,y)をとる。両者の絶対値は1以下であるから二乗可積分であり、§E12.2 定理 2.3により、Vと
(Wg)(y)=∫01k(y,x)g(x)dx=∫y1g(x)dxで定まるWは有界線形作用素であり、Vはコンパクトである。
f,g∈L2([0,1])とする。§E10.22 定理 4.2により∥f∥L1≤∥f∥L2、∥g∥L1≤∥g∥L2である。∣k(x,y)f(y)g(x)∣≤∣f(y)∣∣g(x)∣と§E10.19 定理 2.3により、この積は[0,1]2上で絶対可積分である。§E10.19 定理 3.2により
⟨Vf,g⟩=∫01∫01k(x,y)f(y)g(x)dydx=∫01f(y)∫y1g(x)dxdy=⟨f,Wg⟩であるから、§E12.1 命題 1.2の一意性によりV∗=Wである。
(2)を示す。λ=0とし、g∈L2([0,1])がV∗g=λgを満たすとする。gの代表元をとり、y∈[0,1]についてh(y)=λ−1∫y1g(x)dxとおく。§E10.22 定理 4.2をp=q=2として適用すると、0≤y≤y′≤1について
∣h(y)−h(y′)∣≤∣λ∣−1∫yy′∣g(x)∣dx≤∣λ∣−1(y′−y)1/2∥g∥であるから、hは[0,1]上の連続関数である。V∗g=λgによりhはgとほとんど至る所で一致するから、すべてのy∈[0,1]についてh(y)=λ−1∫y1h(x)dxである。§E2.9 定理 1.7によりC=max{∣h(y)∣:y∈[0,1]}が定まる。n=0のとき、すべてのy∈[0,1]について
∣h(y)∣≤∣λ∣nn!C(1−y)nが成り立つことはCの定義から従う。n∈N≥0とし、すべてのy∈[0,1]についてこの不等式が成り立つとする。このとき、y∈[0,1]について
∣h(y)∣≤∣λ∣−1∫y1∣h(x)∣dx≤∣λ∣−1∫y1∣λ∣nn!C(1−x)ndx=∣λ∣n+1(n+1)!C(1−y)n+1であるから、n+1の場合にも同じ不等式が成り立つ。nについての帰納法により、この不等式はすべてのn∈N≥0について成り立つ。a>0についてan/n!→0(n→∞)であるから、すべてのy∈[0,1]についてh(y)=0である。したがってgはほとんど至る所で0であり、L2([0,1])の元としてg=0である。
(3)を示す。λ∈C∖{0}とする。(1)と(2)により、定理 2.1 (2)をK=Vに適用するとim(λI−V)=ker(λI−V∗)⊥={0}⊥=L2([0,1])であり、λI−Vは全射である。したがって定理 2.1 (3)により、R(λI−V)=(λI−V)R=Iを満たすR∈B(L2([0,1]))が存在する。§E12.1 定義 3.2によりλ∈ρ(V)である。n≥1について、区間[(j−1)/n,j/n)(j=1,…,n)の指示関数はL2([0,1])の一次独立なn個の元であるから、L2([0,1])は無限次元の複素 Hilbert 空間である。§E12.2 命題 4.2により0∈σ(V)である。したがってσ(V)={0}である。▨