§E12.8スペクトル定理 I

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コンパクトな自己共役作用素は、零でない固有値に対する固有空間への直交射影によって表される。しかし、複素 Hilbert 空間上の有界な自己共役作用素やユニタリ作用素は固有値をもつとは限らず、たとえば Lebesgue 測度に関するL2([0,1])L^2([0,1])上で変数ttをかける作用素は固有値を一つももたない。固有空間による分解に代わるものとして、スペクトル上の連続関数を作用素に代入する連続汎関数計算がある。連続汎関数計算から射影値測度を構成すると、このような作用素は射影値測度による積分として表される。この表示の存在と一意性を述べる定理がスペクトル定理である。スペクトル定理は、有界な自己共役作用素とユニタリ作用素の理論の最も基本的な定理の一つであり、作用素を乗算作用素として実現することや、正作用素の平方根と極分解を構成することに用いられる。本記事では、スペクトル定理の定式化とその基本的な帰結について解説する。

1 多項式のスペクトル写像と連続汎関数計算

命題 1.1.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)とする。複素係数の多項式p(z)=∑k=0nckzkp(z)=\sum_{k=0}^nc_kz^kについて、T0=IT^0=Iとしてp(T)=∑k=0nckTkp(T)=\sum_{k=0}^nc_kT^kとおく。0∈ρ(T)0\in\rho(T)のときはT−1=−R(0,T)T^{-1}=-R(0,T)とおき、n∈N≥0n\in\Nとc−n,…,cn∈Cc_{-n},\dots,c_n\in\Cによってq(z)=∑k=−nnckzkq(z)=\sum_{k=-n}^nc_kz^kで定まる Laurent 多項式q ⁣:C∖{0}→Cq\colon\C\setminus\{0\}\to\Cについて、k<0k<0ではTk=(T−1)−kT^k=(T^{-1})^{-k}としてq(T)=∑k=−nnckTkq(T)=\sum_{k=-n}^nc_kT^kとおく。このとき、次が成り立つ。

  1. すべての多項式ppについてσ(p(T))={p(λ):λ∈σ(T)}\sigma(p(T))=\{p(\lambda):\lambda\in\sigma(T)\}である。
  2. 0∈ρ(T)0\in\rho(T)ならば、すべての Laurent 多項式qqについてσ(q(T))={q(λ):λ∈σ(T)}\sigma(q(T))=\{q(\lambda):\lambda\in\sigma(T)\}である。

証明.主張 (1)を示す。μ∈C\mu\in\Cとする。ppが定数ccならばμI−p(T)=(μ−c)I\mu I-p(T)=(\mu-c)Iである。μ≠c\mu\ne cならば(μ−c)−1I(\mu-c)^{-1}IはそのB(H)B(H)での逆であり、μ=c\mu=cならば、H≠{0}H\ne\{0\}によりすべてのV∈B(H)V\in B(H)について0⋅V=0≠I0\cdot V=0\ne Iであるから、μI−p(T)=0\mu I-p(T)=0はB(H)B(H)で可逆でない。したがってσ(p(T))={c}\sigma(p(T))=\{c\}である。§E12.1 定理 4.1によりσ(T)≠∅\sigma(T)\ne\emptysetであるから、{p(λ):λ∈σ(T)}={c}\{p(\lambda):\lambda\in\sigma(T)\}=\{c\}である。

ppの次数nnが11以上であるとし、cn≠0c_n\ne0をその最高次の係数とする。§E5.9 系 4.2により多項式p−μp-\muは根をもち、根α\alphaについて一次式z−αz-\alphaで割ることをnn回繰り返すと、α1,…,αn∈C\alpha_1,\dots,\alpha_n\in\Cで

p(z)−μ=cn(z−α1)⋯(z−αn)p(z)-\mu=c_n(z-\alpha_1)\cdots(z-\alpha_n)

を満たすものを得る。p(λ)=μp(\lambda)=\muを満たすλ∈C\lambda\in\Cの全体は{α1,…,αn}\{\alpha_1,\dots,\alpha_n\}である。Sj=αjI−TS_j=\alpha_jI-Tとおくと、TTの多項式どうしは可換であるからS1,…,SnS_1,\dots,S_nは互いに可換であり、

μI−p(T)=(−1)n+1cnS1⋯Sn\mu I-p(T)=(-1)^{n+1}c_nS_1\cdots S_n

である。

互いに可換なS1,…,Sn∈B(H)S_1,\dots,S_n\in B(H)について、積R=S1⋯SnR=S_1\cdots S_nがB(H)B(H)で可逆であることと、各SjS_jがB(H)B(H)で可逆であることは同値である。実際、各SjS_jが逆VjV_jをもてば、Vn⋯V1V_n\cdots V_1はRRの逆である。逆にRRが逆VVをもつとし、jjを固定して、SjS_j以外のn−1n-1個の積をRjR_jとする(n=1n=1ではRj=IR_j=I)。SjRj=RjSj=RS_jR_j=R_jS_j=Rであるから、Sj(RjV)=RV=IS_j(R_jV)=RV=Iと(VRj)Sj=VR=I(VR_j)S_j=VR=Iが成り立ち、

VRj=VRj(SjRjV)=(VRjSj)RjV=RjVVR_j=VR_j(S_jR_jV)=(VR_jS_j)R_jV=R_jV

であるから、RjVR_jVはSjS_jのB(H)B(H)での逆である。

cn≠0c_n\ne0であるから、μ∈ρ(p(T))\mu\in\rho(p(T))であることは、すべてのjjについてαj∈ρ(T)\alpha_j\in\rho(T)であること、すなわちp(λ)=μp(\lambda)=\muを満たすλ\lambdaがσ(T)\sigma(T)に存在しないことと同値である。したがってσ(p(T))={p(λ):λ∈σ(T)}\sigma(p(T))=\{p(\lambda):\lambda\in\sigma(T)\}である。

主張 (2)を示す。0∈ρ(T)0\in\rho(T)とし、Laurent 多項式q(z)=∑k=−nnckzkq(z)=\sum_{k=-n}^nc_kz^kとμ∈C\mu\in\Cをとる。多項式s(z)=∑k=−nnckzk+n−μzns(z)=\sum_{k=-n}^nc_kz^{k+n}-\mu z^nは、z≠0z\ne0についてs(z)=zn(q(z)−μ)s(z)=z^n(q(z)-\mu)を満たし、TT−1=T−1T=ITT^{-1}=T^{-1}T=Iによりs(T)=Tn(q(T)−μI)s(T)=T^n(q(T)-\mu I)を満たす。TnT^nと(T−1)n(T^{-1})^nは互いの逆であるから、μI−q(T)=−(T−1)ns(T)\mu I-q(T)=-(T^{-1})^ns(T)がB(H)B(H)で可逆であることは、s(T)s(T)がB(H)B(H)で可逆であること、すなわち0∉σ(s(T))0\notin\sigma(s(T))と同値である。主張 (1)により、これはs(λ)=0s(\lambda)=0を満たすλ\lambdaがσ(T)\sigma(T)に存在しないことと同値である。0∉σ(T)0\notin\sigma(T)であるから、λ∈σ(T)\lambda\in\sigma(T)についてs(λ)=0s(\lambda)=0はq(λ)=μq(\lambda)=\muと同値である。したがってσ(q(T))={q(λ):λ∈σ(T)}\sigma(q(T))=\{q(\lambda):\lambda\in\sigma(T)\}である。▨

補題 1.2.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)を正規作用素とする。多項式ppと Laurent 多項式qqに対するp(T)p(T)とq(T)q(T)を命題 1.1のとおりとする。このとき、すべての多項式ppについて、p(T)p(T)は正規作用素であり、

∥p(T)∥=max⁡{∣p(λ)∣:λ∈σ(T)}\|p(T)\|=\max\{|p(\lambda)|:\lambda\in\sigma(T)\}

が成り立つ。0∈ρ(T)0\in\rho(T)ならば、すべての Laurent 多項式qqについて、q(T)q(T)は正規作用素であり、∥q(T)∥=max⁡{∣q(λ)∣:λ∈σ(T)}\|q(T)\|=\max\{|q(\lambda)|:\lambda\in\sigma(T)\}が成り立つ。特に、自己共役作用素A∈B(H)A\in B(H)と多項式ppについて∥p(A)∥=max⁡{∣p(λ)∣:λ∈σ(A)}\|p(A)\|=\max\{|p(\lambda)|:\lambda\in\sigma(A)\}であり、ユニタリ作用素U∈B(H)U\in B(H)について0∈ρ(U)0\in\rho(U)であって、Laurent 多項式qqについて∥q(U)∥=max⁡{∣q(λ)∣:λ∈σ(U)}\|q(U)\|=\max\{|q(\lambda)|:\lambda\in\sigma(U)\}である。

証明.qqを多項式、または0∈ρ(T)0\in\rho(T)の場合には Laurent 多項式とし、q(z)=∑k=−nnckzkq(z)=\sum_{k=-n}^nc_kz^kと書く。qqが多項式のときはk<0k<0についてck=0c_k=0とする。TTとT∗T^*は可換である。0∈ρ(T)0\in\rho(T)のときV=T−1V=T^{-1}とおくと、§E12.1 命題 1.3 (7)によりV∗T∗=T∗V∗=IV^*T^*=T^*V^*=Iであり、

VT∗=VT∗(TV)=V(T∗T)V=V(TT∗)V=(VT)T∗V=T∗VVT^*=VT^*(TV)=V(T^*T)V=V(TT^*)V=(VT)T^*V=T^*V

である。この等式の両辺の共役作用素をとると、§E12.1 命題 1.3 (3)と§E12.1 命題 1.3 (4)によりTV∗=V∗TTV^*=V^*Tを得る。VV∗=V∗(T∗V)V∗=V∗(VT∗)V∗=V∗VVV^*=V^*(T^*V)V^*=V^*(VT^*)V^*=V^*Vである。したがって、0∈ρ(T)0\in\rho(T)のときT,T∗,V,V∗T,T^*,V,V^*は互いに可換である。§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (2)、§E12.1 命題 1.3 (3)により、k≥0k\ge0について(Tk)∗=(T∗)k(T^k)^*=(T^*)^k、k<0k<0について(Tk)∗=(V∗)−k(T^k)^*=(V^*)^{-k}であり、

q(T)∗=∑k=0nck‾ (T∗)k+∑k=−n−1ck‾ (V∗)−kq(T)^*=\sum_{k=0}^n\overline{c_k}\,(T^*)^k+\sum_{k=-n}^{-1}\overline{c_k}\,(V^*)^{-k}

である。qqが多項式のときは、右辺の第2の和は現れない。q(T)q(T)とq(T)∗q(T)^*は互いに可換な作用素の積の線形結合であるから可換であり、q(T)q(T)は正規作用素である。§E12.1 定理 4.7と命題 1.1により

∥q(T)∥=max⁡{∣μ∣:μ∈σ(q(T))}=max⁡{∣q(λ)∣:λ∈σ(T)}\|q(T)\|=\max\{|\mu|:\mu\in\sigma(q(T))\}=\max\{|q(\lambda)|:\lambda\in\sigma(T)\}

である。

自己共役作用素は§E12.1 定義 2.2により正規作用素である。ユニタリ作用素UUはU∗U=UU∗=IU^*U=UU^*=Iを満たすから正規作用素であり、−U∗-U^*は0I−U0I-UのB(H)B(H)での逆であるから0∈ρ(U)0\in\rho(U)である。▨

補題 1.3.KKをコンパクト位相空間、HHを複素 Hilbert 空間とする。A⊆C(K)\mathcal A\subseteq C(K)を定数関数11を含み、和・複素数倍・積・複素共役について閉じた部分集合で、一様ノルムについてC(K)C(K)で稠密なものとする。φ ⁣:A→B(H)\varphi\colon\mathcal A\to B(H)を単位的 *-準同型で、すべてのf∈Af\in\mathcal Aについて∥φ(f)∥=∥f∥∞\|\varphi(f)\|=\|f\|_\inftyを満たすものとする。このとき、次が成り立つ。

  1. 単位的 *-準同型Φ ⁣:C(K)→B(H)\Phi\colon C(K)\to B(H)でA\mathcal Aへの制限がφ\varphiに等しいものがただ一つ存在する。このΦ\Phiはすべてのf∈C(K)f\in C(K)について∥Φ(f)∥=∥f∥∞\|\Phi(f)\|=\|f\|_\inftyを満たす。
  2. S∈B(H)S\in B(H)がすべてのf∈Af\in\mathcal AについてSφ(f)=φ(f)SS\varphi(f)=\varphi(f)Sを満たすならば、すべてのf∈C(K)f\in C(K)についてSΦ(f)=Φ(f)SS\Phi(f)=\Phi(f)Sが成り立つ。

証明.主張 (1)を示す。§E10.1 定理 3.5によりC(K)C(K)は Banach 空間であり、§E10.2 定理 2.2によりB(H)B(H)は Banach 空間である。A\mathcal AはC(K)C(K)の稠密な線形部分空間であり、φ\varphiはその上の等長な線形写像である。§E10.4 系 2.2により、有界線形写像Φ ⁣:C(K)→B(H)\Phi\colon C(K)\to B(H)でA\mathcal A上でφ\varphiに一致するものがただ一つ存在し、A\mathcal Aの列fn→ff_n\to fについてΦ(f)=lim⁡nφ(fn)\Phi(f)=\lim_n\varphi(f_n)が成り立つ。

f,g∈C(K)f,g\in C(K)とし、A\mathcal Aの列(fn)(f_n)、(gn)(g_n)をfn→ff_n\to f、gn→gg_n\to gを満たすようにとる。∥Φ(f)∥=lim⁡n∥φ(fn)∥=lim⁡n∥fn∥∞=∥f∥∞\|\Phi(f)\|=\lim_n\|\varphi(f_n)\|=\lim_n\|f_n\|_\infty=\|f\|_\inftyである。∥fngn−fg∥∞≤∥fn∥∞∥gn−g∥∞+∥fn−f∥∞∥g∥∞→0\|f_ng_n-fg\|_\infty\le\|f_n\|_\infty\|g_n-g\|_\infty+\|f_n-f\|_\infty\|g\|_\infty\to0であり、§E10.2 命題 2.4によりB(H)B(H)の積は作用素ノルムについて連続であるから、

Φ(fg)=lim⁡n→∞φ(fngn)=lim⁡n→∞φ(fn)φ(gn)=Φ(f)Φ(g)\Phi(fg)=\lim_{n\to\infty}\varphi(f_ng_n)=\lim_{n\to\infty}\varphi(f_n)\varphi(g_n)=\Phi(f)\Phi(g)

である。∥fn‾−f‾∥∞=∥fn−f∥∞→0\|\overline{f_n}-\overline f\|_\infty=\|f_n-f\|_\infty\to0であり、§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (2)、§E12.1 命題 1.2により∥φ(fn)∗−Φ(f)∗∥=∥φ(fn)−Φ(f)∥→0\|\varphi(f_n)^*-\Phi(f)^*\|=\|\varphi(f_n)-\Phi(f)\|\to0であるから、Φ(f‾)=lim⁡nφ(fn‾)=lim⁡nφ(fn)∗=Φ(f)∗\Phi(\overline f)=\lim_n\varphi(\overline{f_n})=\lim_n\varphi(f_n)^*=\Phi(f)^*である。Φ(1)=φ(1)=I\Phi(1)=\varphi(1)=Iである。したがってΦ\Phiは単位的 *-準同型である。

Ψ ⁣:C(K)→B(H)\Psi\colon C(K)\to B(H)も単位的 *-準同型でA\mathcal A上でφ\varphiに一致するとする。§E12.7 補題 6.1 (2)により、すべてのf∈C(K)f\in C(K)について∥Ψ(f)∥≤∥f∥∞\|\Psi(f)\|\le\|f\|_\inftyであるから、Ψ\Psiはφ\varphiを延長する有界線形写像であり、§E10.4 系 2.2の一意性によりΨ=Φ\Psi=\Phiである。

主張 (2)を示す。f∈C(K)f\in C(K)とし、A\mathcal Aの列fn→ff_n\to fをとる。§E10.2 命題 2.4により

SΦ(f)=lim⁡n→∞Sφ(fn)=lim⁡n→∞φ(fn)S=Φ(f)SS\Phi(f)=\lim_{n\to\infty}S\varphi(f_n)=\lim_{n\to\infty}\varphi(f_n)S=\Phi(f)S

である。▨

定理 1.4.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、A∈B(H)A\in B(H)を自己共役作用素とする。ι ⁣:σ(A)→C\iota\colon\sigma(A)\to\Cを包含写像とする。このとき、次が成り立つ。

  1. 単位的 *-準同型Φ ⁣:C(σ(A))→B(H)\Phi\colon C(\sigma(A))\to B(H)でΦ(ι)=A\Phi(\iota)=Aを満たすものがただ一つ存在する。このΦ\PhiをΦA\Phi_Aと書き、f∈C(σ(A))f\in C(\sigma(A))についてf(A)=ΦA(f)f(A)=\Phi_A(f)と書く。写像f↦f(A)f\mapsto f(A)をAAの連続汎関数計算という。すべてのf∈C(σ(A))f\in C(\sigma(A))について∥f(A)∥=∥f∥∞\|f(A)\|=\|f\|_\inftyであり、多項式ppのσ(A)\sigma(A)への制限ffについてf(A)=p(A)f(A)=p(A)である。
  2. S∈B(H)S\in B(H)がSA=ASSA=ASを満たすならば、すべてのf∈C(σ(A))f\in C(\sigma(A))についてSf(A)=f(A)SSf(A)=f(A)Sが成り立つ。

証明.§E12.1 定理 4.1と§E12.1 定理 3.5によりσ(A)\sigma(A)は空でないコンパクト集合であり、§E12.1 命題 4.4 (1)によりσ(A)⊆R\sigma(A)\subseteq\Rである。多項式のσ(A)\sigma(A)への制限の全体をA\mathcal Aとする。

多項式p,p′p,p'がσ(A)\sigma(A)上で一致するならば、補題 1.2により∥p(A)−p′(A)∥=max⁡{∣p(λ)−p′(λ)∣:λ∈σ(A)}=0\|p(A)-p'(A)\|=\max\{|p(\lambda)-p'(\lambda)|:\lambda\in\sigma(A)\}=0であるから、p(A)=p′(A)p(A)=p'(A)である。したがって、ppの制限ffにp(A)p(A)を対応させる写像φ ⁣:A→B(H)\varphi\colon\mathcal A\to B(H)が定まり、補題 1.2によりすべてのf∈Af\in\mathcal Aについて∥φ(f)∥=∥f∥∞\|\varphi(f)\|=\|f\|_\inftyを満たす。A\mathcal Aは定数関数11を含み、和・複素数倍・積について閉じており、φ\varphiはこれらの演算を保ち、φ(1)=I\varphi(1)=Iを満たす。多項式p(z)=∑kckzkp(z)=\sum_kc_kz^kについてp♯(z)=∑kck‾zkp^\sharp(z)=\sum_k\overline{c_k}z^kとおくと、σ(A)⊆R\sigma(A)\subseteq\Rによりすべてのλ∈σ(A)\lambda\in\sigma(A)についてp(λ)‾=p♯(λ)\overline{p(\lambda)}=p^\sharp(\lambda)であるから、A\mathcal Aは複素共役について閉じている。A∗=AA^*=Aと§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (2)、§E12.1 命題 1.3 (3)によりp(A)∗=p♯(A)p(A)^*=p^\sharp(A)であるから、φ\varphiは単位的 *-準同型である。A\mathcal Aはι\iotaを含むからσ(A)\sigma(A)の点を分離し、§E2.32 系 3.5によりC(σ(A))C(\sigma(A))で稠密である。

主張 (1)を示す。補題 1.3 (1)により、φ\varphiを延長する単位的 *-準同型ΦA ⁣:C(σ(A))→B(H)\Phi_A\colon C(\sigma(A))\to B(H)が存在し、すべてのffについて∥ΦA(f)∥=∥f∥∞\|\Phi_A(f)\|=\|f\|_\inftyを満たす。ΦA(ι)=φ(ι)=A\Phi_A(\iota)=\varphi(\iota)=Aである。単位的 *-準同型Ψ ⁣:C(σ(A))→B(H)\Psi\colon C(\sigma(A))\to B(H)がΨ(ι)=A\Psi(\iota)=Aを満たすならば、乗法性と線形性とΨ(1)=I\Psi(1)=Iにより、多項式ppの制限ffについてΨ(f)=p(A)=φ(f)\Psi(f)=p(A)=\varphi(f)であるから、補題 1.3 (1)の一意性によりΨ=ΦA\Psi=\Phi_Aである。

主張 (2)を示す。SA=ASSA=ASならば、すべての多項式ppについてSp(A)=p(A)SSp(A)=p(A)Sであるから、補題 1.3 (2)により主張を得る。▨

定理 1.5.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、U∈B(H)U\in B(H)をユニタリ作用素とする。ι ⁣:σ(U)→C\iota\colon\sigma(U)\to\Cを包含写像とする。このとき、次が成り立つ。

  1. 単位的 *-準同型Φ ⁣:C(σ(U))→B(H)\Phi\colon C(\sigma(U))\to B(H)でΦ(ι)=U\Phi(\iota)=Uを満たすものがただ一つ存在する。このΦ\PhiをΦU\Phi_Uと書き、f∈C(σ(U))f\in C(\sigma(U))についてf(U)=ΦU(f)f(U)=\Phi_U(f)と書く。写像f↦f(U)f\mapsto f(U)をUUの連続汎関数計算という。すべてのf∈C(σ(U))f\in C(\sigma(U))について∥f(U)∥=∥f∥∞\|f(U)\|=\|f\|_\inftyであり、Laurent 多項式qqのσ(U)\sigma(U)への制限ffについてf(U)=q(U)f(U)=q(U)である。
  2. S∈B(H)S\in B(H)がSU=USSU=USを満たすならば、すべてのf∈C(σ(U))f\in C(\sigma(U))についてSf(U)=f(U)SSf(U)=f(U)Sが成り立つ。

証明.§E12.1 定理 4.1と§E12.1 定理 3.5によりσ(U)\sigma(U)は空でないコンパクト集合であり、§E12.1 命題 4.5によりσ(U)⊆{λ∈C:∣λ∣=1}\sigma(U)\subseteq\{\lambda\in\C:|\lambda|=1\}である。補題 1.2により0∈ρ(U)0\in\rho(U)であり、U−1=U∗U^{-1}=U^*である。Laurent 多項式のσ(U)\sigma(U)への制限の全体をA\mathcal Aとする。

Laurent 多項式q,q′q,q'がσ(U)\sigma(U)上で一致するならば、補題 1.2により∥q(U)−q′(U)∥=max⁡{∣q(λ)−q′(λ)∣:λ∈σ(U)}=0\|q(U)-q'(U)\|=\max\{|q(\lambda)-q'(\lambda)|:\lambda\in\sigma(U)\}=0であるから、q(U)=q′(U)q(U)=q'(U)である。したがって、qqの制限ffにq(U)q(U)を対応させる写像φ ⁣:A→B(H)\varphi\colon\mathcal A\to B(H)が定まり、補題 1.2によりすべてのf∈Af\in\mathcal Aについて∥φ(f)∥=∥f∥∞\|\varphi(f)\|=\|f\|_\inftyを満たす。A\mathcal Aは定数関数11を含み、和・複素数倍・積について閉じており、φ\varphiはこれらの演算を保ち、φ(1)=I\varphi(1)=Iを満たす。Laurent 多項式q(z)=∑k=−nnckzkq(z)=\sum_{k=-n}^nc_kz^kについてq♯(z)=∑k=−nnck‾z−kq^\sharp(z)=\sum_{k=-n}^n\overline{c_k}z^{-k}とおくと、∣λ∣=1|\lambda|=1を満たすλ\lambdaについてλ‾=λ−1\overline\lambda=\lambda^{-1}であるから、すべてのλ∈σ(U)\lambda\in\sigma(U)についてq(λ)‾=q♯(λ)\overline{q(\lambda)}=q^\sharp(\lambda)であり、A\mathcal Aは複素共役について閉じている。U∗=U−1U^*=U^{-1}と§E12.1 命題 1.3 (1)、§E12.1 命題 1.3 (2)、§E12.1 命題 1.3 (3)により、すべてのk∈Zk\in\Zについて(Uk)∗=U−k(U^k)^*=U^{-k}であり、q(U)∗=q♯(U)q(U)^*=q^\sharp(U)であるから、φ\varphiは単位的 *-準同型である。A\mathcal Aはι\iotaを含むからσ(U)\sigma(U)の点を分離し、§E2.32 系 3.5によりC(σ(U))C(\sigma(U))で稠密である。

主張 (1)を示す。補題 1.3 (1)により、φ\varphiを延長する単位的 *-準同型ΦU ⁣:C(σ(U))→B(H)\Phi_U\colon C(\sigma(U))\to B(H)が存在し、すべてのffについて∥ΦU(f)∥=∥f∥∞\|\Phi_U(f)\|=\|f\|_\inftyを満たす。ΦU(ι)=φ(ι)=U\Phi_U(\iota)=\varphi(\iota)=Uである。単位的 *-準同型Ψ ⁣:C(σ(U))→B(H)\Psi\colon C(\sigma(U))\to B(H)がΨ(ι)=U\Psi(\iota)=Uを満たすならば、ι⋅ι‾=1\iota\cdot\overline\iota=1によりΨ(ι‾)\Psi(\overline\iota)はUUの逆であってΨ(ι‾)=U−1\Psi(\overline\iota)=U^{-1}であり、乗法性と線形性とΨ(1)=I\Psi(1)=Iにより、Laurent 多項式qqの制限ffについてΨ(f)=q(U)=φ(f)\Psi(f)=q(U)=\varphi(f)である。補題 1.3 (1)の一意性によりΨ=ΦU\Psi=\Phi_Uである。

主張 (2)を示す。SU=USSU=USならばU−1S=U−1SUU−1=U−1USU−1=SU−1U^{-1}S=U^{-1}SUU^{-1}=U^{-1}USU^{-1}=SU^{-1}であり、すべての Laurent 多項式qqについてSq(U)=q(U)SSq(U)=q(U)Sであるから、補題 1.3 (2)により主張を得る。▨

2 射影値測度による表現

補題 2.1.K⊆CK\subseteq\Cを空でないコンパクト集合、HHを複素 Hilbert 空間とし、ι ⁣:K→C\iota\colon K\to\Cを包含写像とする。このとき、次が成り立つ。

  1. 単位的 *-準同型Φ,Ψ ⁣:C(K)→B(H)\Phi,\Psi\colon C(K)\to B(H)がΦ(ι)=Ψ(ι)\Phi(\iota)=\Psi(\iota)を満たすならば、Φ=Ψ\Phi=\Psiである。
  2. EEをKK上の射影値測度とすると、すべてのx,y∈Hx,y\in HについてEx,yE_{x,y}は有限複素 Radon 測度である。
  3. E,FE,FをKK上の射影値測度とする。ΦE(ι)=ΦF(ι)\Phi_E(\iota)=\Phi_F(\iota)ならば、E=FE=Fである。
  4. EEをKK上の射影値測度とする。ΦE\Phi_EのC(K)C(K)への制限が単射であること、この制限が等長であること、およびKKの空でないすべての相対開集合VVについてE(V)≠0E(V)\ne0であることは同値である。

証明.主張 (1)を示す。Φ(ι)=Ψ(ι)\Phi(\iota)=\Psi(\iota)を満たす単位的 *-準同型Φ,Ψ ⁣:C(K)→B(H)\Phi,\Psi\colon C(K)\to B(H)をとる。Φ(ι‾)=Φ(ι)∗=Ψ(ι)∗=Ψ(ι‾)\Phi(\overline\iota)=\Phi(\iota)^*=\Psi(\iota)^*=\Psi(\overline\iota)であるから、Φ\PhiとΨ\Psiはι,ι‾\iota,\overline\iotaの複素係数多項式の全体A\mathcal A上で一致する。A\mathcal Aは定数関数を含み、複素共役について閉じた部分代数であり、ι∈A\iota\in\mathcal AはKKの点を分離する。したがって、§E2.32 系 3.5によりA\mathcal AはC(K)C(K)で稠密である。f∈C(K)f\in C(K)に対してA\mathcal Aの列fnf_nで∥fn−f∥∞→0\|f_n-f\|_\infty\to0を満たすものをとると、§E12.7 補題 6.1 (2)により

∥Φ(f)−Ψ(f)∥≤∥Φ(f−fn)∥+∥Ψ(fn−f)∥≤2∥f−fn∥∞⟶0\|\Phi(f)-\Psi(f)\|\le\|\Phi(f-f_n)\|+\|\Psi(f_n-f)\|\le2\|f-f_n\|_\infty\longrightarrow0

であるから、Φ(f)=Ψ(f)\Phi(f)=\Psi(f)である。

主張 (2)を示す。x,y∈Hx,y\in Hとし、ν=Ex,y\nu=E_{x,y}とおく。ν\nuはB(K)\mathcal B(K)上の複素測度であり、§E10.27 定理 2.3により∣ν∣|\nu|は有限正測度である。KKは距離d(z,w)=∣z−w∣d(z,w)=|z-w|をもつから、§E10.39 定理 1.1により、すべてのB∈B(K)B\in\mathcal B(K)について

∣ν∣(B)=sup⁡{∣ν∣(F):F⊆B, F は K の閉集合}|\nu|(B)=\sup\{|\nu|(F):F\subseteq B,\ F\text{ は }K\text{ の閉集合}\}

である。KKの閉集合は§E2.19 命題 4.1によりコンパクトであるから、∣ν∣|\nu|はすべての Borel 集合でコンパクト内正則である。また∣ν∣(K)<∞|\nu|(K)<\inftyであるから、∣ν∣|\nu|は有限 Radon 測度である。したがってν\nuは有限複素 Radon 測度である。

主張 (3)を示す。ΦE(ι)=ΦF(ι)\Phi_E(\iota)=\Phi_F(\iota)を満たす射影値測度E,FE,Fをとる。連続関数は Borel 可測であり、KKはコンパクトであるからC(K)⊆Bb(K)C(K)\subseteq B_b(K)である。§E12.7 定理 4.5 (2)によりΦE\Phi_EとΦF\Phi_FのC(K)C(K)への制限は単位的 *-準同型であり、主張 (1)により一致する。その共通の制限をΦ\Phiとする。主張 (2)によりE,FE,Fのすべての行列要素は有限複素 Radon 測度であるから、§E12.7 定理 6.2 (1)をΦ\Phiに適用したときの一意性によりE=FE=Fである。

主張 (4)を示す。ΦE\Phi_EのC(K)C(K)への制限が単射であるとし、VVをKKの空でない相対開集合とする。z0∈Vz_0\in Vと、{z∈K:∣z−z0∣<r}⊆V\{z\in K:|z-z_0|<r\}\subseteq Vを満たすr>0r>0をとり、f(z)=max⁡{0,1−∣z−z0∣/r}f(z)=\max\{0,1-|z-z_0|/r\}(z∈Kz\in K)とおく。f∈C(K)f\in C(K)はf(z0)=1f(z_0)=1とf=f1Vf=f\mathbf 1_Vを満たす。E(V)=0E(V)=0と仮定すると、§E12.7 定理 4.5 (2)によりΦE(f)=ΦE(f)E(V)=0\Phi_E(f)=\Phi_E(f)E(V)=0であり、単射性によりf=0f=0となる。これはf(z0)=1f(z_0)=1と両立しないから、E(V)≠0E(V)\ne0である。

KKの空でないすべての相対開集合VVについてE(V)≠0E(V)\ne0であるとする。f∈C(K)f\in C(K)とし、M=∥f∥∞M=\|f\|_\inftyとおく。0≤t<M0\le t<Mならば、{z∈K:∣f(z)∣>t}\{z\in K:|f(z)|>t\}は空でない相対開集合であるから、その射影は零でない。t≥Mt\ge Mならばこの集合は空であり、その射影は零である。したがって

inf⁡{t≥0:E({z∈K:∣f(z)∣>t})=0}=M\inf\{t\ge0:E(\{z\in K:|f(z)|>t\})=0\}=M

であり、§E12.7 命題 4.6 (1)により∥ΦE(f)∥=∥f∥∞\|\Phi_E(f)\|=\|f\|_\inftyである。最後に、ΦE\Phi_EのC(K)C(K)への制限が等長であれば、ΦE(f)=0\Phi_E(f)=0から∥f∥∞=0\|f\|_\infty=0、したがってf=0f=0が従うので、この制限は単射である。▨

定理 2.2 (スペクトル定理).H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)を自己共役作用素またはユニタリ作用素とする。ι ⁣:σ(T)→C\iota\colon\sigma(T)\to\Cを包含写像とし、ΦT\Phi_Tを、単位的 *-準同型C(σ(T))→B(H)C(\sigma(T))\to B(H)でι\iotaをTTへ写すただ一つのもの(定理 1.4 (1)、定理 1.5 (1))とし、f∈C(σ(T))f\in C(\sigma(T))についてf(T)=ΦT(f)f(T)=\Phi_T(f)と書く。このとき、次が成り立つ。

  1. σ(T)\sigma(T)上の射影値測度EEでΦE(ι)=T\Phi_E(\iota)=Tを満たすものがただ一つ存在する。このEEをETE_Tと書く。すべてのx,y∈Hx,y\in Hについて(ET)x,y(E_T)_{x,y}は有限複素 Radon 測度であり、すべてのf∈C(σ(T))f\in C(\sigma(T))についてΦET(f)=f(T)\Phi_{E_T}(f)=f(T)である。g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))についてg(T)=ΦET(g)g(T)=\Phi_{E_T}(g)と書くと、g↦g(T)g\mapsto g(T)はf↦f(T)f\mapsto f(T)を延長するBb(σ(T))B_b(\sigma(T))からB(H)B(H)への単位的 *-準同型である。この写像g↦g(T)g\mapsto g(T)をTTの有界 Borel 汎関数計算 (bounded Borel functional calculus) という。
  2. σ(T)\sigma(T)の空でないすべての開集合VVについてET(V)≠0E_T(V)\ne0である。
  3. S∈B(H)S\in B(H)がST=TSST=TSを満たすならば、すべての Borel 集合B⊆σ(T)B\subseteq\sigma(T)についてSET(B)=ET(B)SSE_T(B)=E_T(B)Sであり、すべてのg∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))についてSg(T)=g(T)SSg(T)=g(T)Sである。

証明.主張 (1)を示す。σ(T)\sigma(T)はC\Cの空でないコンパクト部分集合である。§E12.7 定理 6.2 (1)をΦT\Phi_Tに適用すると、σ(T)\sigma(T)上の射影値測度ETE_Tで、すべてのx,y∈Hx,y\in Hについて(ET)x,y(E_T)_{x,y}が有限複素 Radon 測度であり、すべてのf∈C(σ(T))f\in C(\sigma(T))についてΦET(f)=f(T)\Phi_{E_T}(f)=f(T)を満たすものを得る。特にΦET(ι)=ι(T)=T\Phi_{E_T}(\iota)=\iota(T)=Tである。§E12.7 定理 4.5 (2)によりg↦ΦET(g)g\mapsto\Phi_{E_T}(g)は単位的 *-準同型である。

EEをσ(T)\sigma(T)上の射影値測度でΦE(ι)=T\Phi_E(\iota)=Tを満たすものとする。ΦE(ι)=T=ΦET(ι)\Phi_E(\iota)=T=\Phi_{E_T}(\iota)であるから、補題 2.1 (3)によりE=ETE=E_Tである。

主張 (2)を示す。ΦET\Phi_{E_T}のC(σ(T))C(\sigma(T))への制限はΦT\Phi_Tに等しく、定理 1.4 (1)または定理 1.5 (1)により等長である。したがって、補題 2.1 (4)により、σ(T)\sigma(T)の空でないすべての相対開集合VVについてET(V)≠0E_T(V)\ne0である。

主張 (3)を示す。定理 1.4 (2)または定理 1.5 (2)により、すべてのf∈C(σ(T))f\in C(\sigma(T))についてSf(T)=f(T)SSf(T)=f(T)Sである。§E12.7 定理 6.2 (2)をΦT\Phi_Tに適用すると、ETE_Tについて主張を得る。▨

命題 2.3.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)を自己共役作用素またはユニタリ作用素とし、ETE_Tを定理 2.2 (1)の射影値測度とする。このとき、すべてのλ∈σ(T)\lambda\in\sigma(T)について、ET({λ})E_T(\{\lambda\})はker⁡(λI−T)\ker(\lambda I-T)への直交射影である。

証明.λ∈σ(T)\lambda\in\sigma(T)とし、P=ET({λ})P=E_T(\{\lambda\})とおく。ι\iotaを包含写像σ(T)→C\sigma(T)\to\Cとすると、定理 2.2 (1)と§E12.7 定理 4.5 (2)によりT−λI=ΦET(ι−λ)T-\lambda I=\Phi_{E_T}(\iota-\lambda)であり、

(T−λI)P=ΦET((ι−λ)1{λ})=ΦET(0)=0(T-\lambda I)P=\Phi_{E_T}\bigl((\iota-\lambda)\mathbf 1_{\{\lambda\}}\bigr)=\Phi_{E_T}(0)=0

である。したがってim⁡P⊆ker⁡(λI−T)\im P\subseteq\ker(\lambda I-T)である。

x∈ker⁡(λI−T)x\in\ker(\lambda I-T)とし、μx=(ET)x,x\mu_x=(E_T)_{x,x}とおく。§E12.7 定理 4.5 (3)により

∫σ(T)∣ι−λ∣2 dμx=∥(T−λI)x∥2=0\int_{\sigma(T)}|\iota-\lambda|^2\,d\mu_x=\|(T-\lambda I)x\|^2=0

である。k∈N≥1k\in\NNについてNk={t∈σ(T):∣t−λ∣≥1/k}N_k=\{t\in\sigma(T):|t-\lambda|\ge1/k\}とおくと、k−2μx(Nk)≤∫σ(T)∣ι−λ∣2 dμx=0k^{-2}\mu_x(N_k)\le\int_{\sigma(T)}|\iota-\lambda|^2\,d\mu_x=0であり、σ(T)∖{λ}=⋃kNk\sigma(T)\setminus\{\lambda\}=\bigcup_kN_kであるからμx(σ(T)∖{λ})=0\mu_x(\sigma(T)\setminus\{\lambda\})=0である。§E12.7 命題 3.2 (1)と§E12.7 命題 3.2 (2)により

∥x−Px∥2=∥ET(σ(T)∖{λ})x∥2=μx(σ(T)∖{λ})=0\|x-Px\|^2=\|E_T(\sigma(T)\setminus\{\lambda\})x\|^2=\mu_x(\sigma(T)\setminus\{\lambda\})=0

であるから、x=Px∈im⁡Px=Px\in\im Pである。したがってim⁡P=ker⁡(λI−T)\im P=\ker(\lambda I-T)であり、§E12.7 定義 3.1 条件 (a)と§E12.7 補題 1.5によりPPはker⁡(λI−T)\ker(\lambda I-T)への直交射影である。▨

3 乗算作用素形

補題 3.1.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)を自己共役作用素またはユニタリ作用素とし、ETE_Tとg(T)g(T)(g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T)))を定理 2.2 (1)のとおりとする。x∈Hx\in Hとし、μx=(ET)x,x\mu_x=(E_T)_{x,x}、L2(μx)=L2(σ(T),B(σ(T)),μx;C)L^2(\mu_x)=L^2(\sigma(T),\mathcal B(\sigma(T)),\mu_x;\C)とおき、{f(T)x:f∈C(σ(T))}\{f(T)x:f\in C(\sigma(T))\}のHHにおける閉包をHxH_xとする。HxH_xを、連続汎関数計算に関してxxが生成する巡回部分空間 (cyclic subspace) という。g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))とu∈L2(μx)u\in L^2(\mu_x)について、guguはL2(μx)L^2(\mu_x)の元を定める。このとき、次が成り立つ。

  1. μx\mu_xはσ(T)\sigma(T)上の有限 Radon 測度であり、μx(σ(T))=∥x∥2\mu_x(\sigma(T))=\|x\|^2を満たす。
  2. HxH_xはxxを含むHHの閉線形部分空間である。ユニタリ作用素Wx ⁣:L2(μx)→HxW_x\colon L^2(\mu_x)\to H_xで、すべてのf∈C(σ(T))f\in C(\sigma(T))についてWx[f]=f(T)xW_x[f]=f(T)xを満たすものがただ一つ存在する。このWxW_xはすべてのg∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))についてWx[g]=g(T)xW_x[g]=g(T)xを満たす。
  3. すべてのg∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))とu∈L2(μx)u\in L^2(\mu_x)についてg(T)Wxu=Wx(gu)g(T)W_xu=W_x(gu)が成り立つ。特にT(Hx)⊆HxT(H_x)\subseteq H_xとT∗(Hx)⊆HxT^*(H_x)\subseteq H_xが成り立ち、TWxu=Wx(ιu)TW_xu=W_x(\iota u)である。ここでι ⁣:σ(T)→C\iota\colon\sigma(T)\to\Cは包含写像である。

証明.主張 (1)を示す。定理 2.2 (1)によりμx\mu_xは有限複素 Radon 測度である。§E12.7 命題 3.2 (2)によりμx\mu_xは有限な正測度であり、μx(σ(T))=∥x∥2\mu_x(\sigma(T))=\|x\|^2である。§E12.7 補題 4.3 (4)により∣μx∣=μx|\mu_x|=\mu_xであるから、§E10.34 定義 3.1によりμx\mu_xは有限 Radon 測度である。

主張 (2)を示す。HxH_xは線形部分空間の閉包であるから閉線形部分空間であり、x=1(T)x∈Hxx=1(T)x\in H_xである。§E10.1 命題 1.4 (1)によりHxH_xはHHの内積の制限について Hilbert 空間である。g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))について、§E12.7 定理 4.5 (3)により

∥g(T)x∥2=∫σ(T)∣g∣2 dμx=∥[g]∥L2(μx)2\|g(T)x\|^2=\int_{\sigma(T)}|g|^2\,d\mu_x=\|[g]\|_{L^2(\mu_x)}^2

である。定理 2.2 (1)により写像g↦g(T)xg\mapsto g(T)xは線形であり、この等式により、[g]=[g′][g]=[g']ならば∥g(T)x−g′(T)x∥=∥[g−g′]∥=0\|g(T)x-g'(T)x\|=\|[g-g']\|=0である。D={[g]:g∈Bb(σ(T))}D=\{[g]:g\in B_b(\sigma(T))\}はL2(μx)L^2(\mu_x)の線形部分空間であり、[g]↦g(T)x[g]\mapsto g(T)xはDDからHHへの等長な線形写像である。σ(T)\sigma(T)はコンパクト Hausdorff 空間であるから局所コンパクト Hausdorff 空間であり、Cc(σ(T),C)=C(σ(T))C_c(\sigma(T),\C)=C(\sigma(T))である。§E10.34 定理 1.2により{[f]:f∈C(σ(T))}\{[f]:f\in C(\sigma(T))\}はL2(μx)L^2(\mu_x)で稠密であり、DDも稠密である。§E10.4 系 2.2により、有界線形写像W ⁣:L2(μx)→HW\colon L^2(\mu_x)\to HでDD上で[g]↦g(T)x[g]\mapsto g(T)xに一致するものがただ一つ存在し、DDの列dn→ud_n\to uについてWu=lim⁡nWdnWu=\lim_nW d_nが成り立つ。∥Wu∥=lim⁡n∥dn∥=∥u∥\|Wu\|=\lim_n\|d_n\|=\|u\|であるから、WWは等長である。

u∈L2(μx)u\in L^2(\mu_x)について、{[f]:f∈C(σ(T))}\{[f]:f\in C(\sigma(T))\}の列[fn]→u[f_n]\to uをとるとWu=lim⁡nfn(T)x∈HxWu=\lim_nf_n(T)x\in H_xである。WWの値域は閉集合である。実際、Wun→wWu_n\to wならば∥un−um∥=∥Wun−Wum∥\|u_n-u_m\|=\|Wu_n-Wu_m\|により(un)(u_n)は Cauchy 列であり、L2(μx)L^2(\mu_x)の完備性による極限uuについてWu=wWu=wである。値域は{f(T)x:f∈C(σ(T))}\{f(T)x:f\in C(\sigma(T))\}を含むからHxH_xを含み、WWの値域はHxH_xに等しい。(u,v)↦⟨Wu,Wv⟩(u,v)\mapsto\langle Wu,Wv\rangleと(u,v)↦⟨u,v⟩(u,v)\mapsto\langle u,v\rangleは第1変数について線形、第2変数について共役線形であり、対角線上で一致するから、§E12.1 補題 2.3 (1)により一致する。§E12.1 命題 2.4 (3)により、WWを値域HxH_xへの作用素とみなしたWxW_xはユニタリ作用素である。WxW_xはWx[g]=g(T)xW_x[g]=g(T)x(g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T)))を満たす。W′ ⁣:L2(μx)→HxW'\colon L^2(\mu_x)\to H_xもユニタリ作用素ですべてのf∈C(σ(T))f\in C(\sigma(T))についてW′[f]=f(T)xW'[f]=f(T)xを満たすならば、W′W'とWxW_xは有界であり稠密な集合{[f]:f∈C(σ(T))}\{[f]:f\in C(\sigma(T))\}の上で一致するから、W′=WxW'=W_xである。

主張 (3)を示す。g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))とする。∣gu∣≤∥g∥∞∣u∣|gu|\le\|g\|_\infty|u|により、u↦guu\mapsto guはL2(μx)L^2(\mu_x)上の有界線形作用素であり、そのノルムは∥g∥∞\|g\|_\infty以下である。h∈Bb(σ(T))h\in B_b(\sigma(T))について、定理 2.2 (1)の乗法性により

g(T)Wx[h]=g(T)h(T)x=(gh)(T)x=Wx[gh]g(T)W_x[h]=g(T)h(T)x=(gh)(T)x=W_x[gh]

である。g(T)Wxg(T)W_xとu↦Wx(gu)u\mapsto W_x(gu)はL2(μx)L^2(\mu_x)からHHへの有界線形写像であり、稠密なDDの上で一致するから、すべてのuuについてg(T)Wxu=Wx(gu)g(T)W_xu=W_x(gu)である。したがってg(T)(Hx)=g(T)Wx(L2(μx))⊆Hxg(T)(H_x)=g(T)W_x(L^2(\mu_x))\subseteq H_xである。ι∈C(σ(T))\iota\in C(\sigma(T))についてι(T)=T\iota(T)=Tであり、定理 2.2 (1)によりι‾(T)=T∗\overline\iota(T)=T^*であるから、T(Hx)⊆HxT(H_x)\subseteq H_x、T∗(Hx)⊆HxT^*(H_x)\subseteq H_x、TWxu=Wx(ιu)TW_xu=W_x(\iota u)を得る。▨

定理 3.2.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)を自己共役作用素またはユニタリ作用素とし、g(T)g(T)(g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T)))を定理 2.2 (1)のとおりとする。このとき、集合II、σ(T)\sigma(T)上の有限 Radon 測度の族(μi)i∈I(\mu_i)_{i\in I}、および Hilbert 直和へのユニタリ作用素

W ⁣:H→⨁i∈IL2(σ(T),B(σ(T)),μi;C)W\colon H\to\bigoplus_{i\in I}L^2(\sigma(T),\mathcal B(\sigma(T)),\mu_i;\C)

が存在して、すべてのg∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))とu=(ui)i∈Iu=(u_i)_{i\in I}についてWg(T)W∗u=(gui)i∈IWg(T)W^*u=(gu_i)_{i\in I}が成り立つ。特に、包含写像ι ⁣:σ(T)→C\iota\colon\sigma(T)\to\CについてWTW∗u=(ιui)i∈IWTW^*u=(\iota u_i)_{i\in I}である。HHが可分ならば、IIを高々可算にとることができる。

証明.x∈Hx\in Hについて、HxH_x、μx\mu_x、L2(μx)L^2(\mu_x)、WxW_xを補題 3.1のとおりとする。

H∖{0}H\setminus\{0\}の部分集合SSで、相異なるx,x′∈Sx,x'\in SについてHx⊆Hx′⊥H_x\subseteq H_{x'}^\perpを満たすものの全体をO\mathcal Oとし、包含関係で順序づける。∅∈O\emptyset\in\mathcal Oである。C\mathcal CをO\mathcal Oの鎖とすると、⋃C\bigcup\mathcal Cの相異なる二元はC\mathcal Cの一つの元に属するから、⋃C∈O\bigcup\mathcal C\in\mathcal OはC\mathcal Cの上界である。§E1.20 定理 2.1 (3)により、O\mathcal Oは極大元SSをもつ。y∈Hy\in Hがすべてのx∈Sx\in SについてHxH_xのすべての元と直交し、y≠0y\ne0であると仮定する。x∈Sx\in Sとf,f′∈C(σ(T))f,f'\in C(\sigma(T))について、f(T)∗=f‾(T)f(T)^*=\overline f(T)と(f‾f′)(T)x∈Hx(\overline ff')(T)x\in H_xにより

⟨f(T)y,f′(T)x⟩=⟨y,(f‾f′)(T)x⟩=0\langle f(T)y,f'(T)x\rangle=\langle y,(\overline ff')(T)x\rangle=0

であり、§E10.3 補題 1.2による内積の連続性により、すべてのx∈Sx\in SについてHy⊆Hx⊥H_y\subseteq H_x^\perpである。y∈Sy\in Sならばy∈Hy⊆Hy⊥y\in H_y\subseteq H_y^\perpとなってy=0y=0であるから、y∉Sy\notin Sであり、S∪{y}∈OS\cup\{y\}\in\mathcal OはSSを真に含む。これはSSの極大性に反する。したがって、⋃x∈SHx\bigcup_{x\in S}H_xの線形包をMMとするとM⊥={0}M^\perp=\{0\}であり、§E10.3 命題 2.3によりMMはHHで稠密である。

x∈Sx\in SについてPxP_xをHxH_xへの直交射影とする。§E12.7 命題 1.6 (3)により、Vy=(Pxy)x∈SVy=(P_xy)_{x\in S}で定まるV ⁣:H→⨁x∈SHxV\colon H\to\bigoplus_{x\in S}H_xはユニタリ作用素である。I=SI=S、μi=μx\mu_i=\mu_x(i=xi=x)とおき、(ux)x∈S∈⨁x∈SL2(μx)(u_x)_{x\in S}\in\bigoplus_{x\in S}L^2(\mu_x)を(Wxux)x∈S(W_xu_x)_{x\in S}へ写す写像をDDとする。DDは線形であり、⟨Du,Dv⟩=∑x⟨Wxux,Wxvx⟩=∑x⟨ux,vx⟩=⟨u,v⟩\langle Du,Dv\rangle=\sum_x\langle W_xu_x,W_xv_x\rangle=\sum_x\langle u_x,v_x\rangle=\langle u,v\rangleを満たす。⨁x∈SHx\bigoplus_{x\in S}H_xの任意の元(hx)x∈S(h_x)_{x\in S}は(Wx∗hx)x∈S(W_x^*h_x)_{x\in S}のDDによる像であるから、DDは全射である。§E12.1 命題 2.4 (3)によりDDはユニタリ作用素である。W=D∗VW=D^*Vとおくと、§E12.1 命題 1.3 (3)と§E12.1 命題 1.3 (4)によりW∗W=V∗DD∗V=IW^*W=V^*DD^*V=IとWW∗=D∗VV∗D=IWW^*=D^*VV^*D=Iが成り立ち、WWはユニタリ作用素である。

g∈Bb(σ(T))g\in B_b(\sigma(T))とする。補題 3.1 (3)によりg(T)(Hx)⊆Hxg(T)(H_x)\subseteq H_xである。定理 2.2 (1)によりg(T)∗=g‾(T)g(T)^*=\overline g(T)であり、補題 3.1 (3)をg‾\overline gに適用するとg‾(T)(Hx)⊆Hx\overline g(T)(H_x)\subseteq H_xであるから、§E12.6 補題 1.3 (1)によりg(T)(Hx⊥)⊆Hx⊥g(T)(H_x^\perp)\subseteq H_x^\perpである。y∈Hy\in Hについてy=Pxy+(y−Pxy)y=P_xy+(y-P_xy)と分解すると、g(T)y=g(T)Pxy+g(T)(y−Pxy)g(T)y=g(T)P_xy+g(T)(y-P_xy)の第1項はHxH_xに、第2項はHx⊥H_x^\perpに属するから、Pxg(T)y=g(T)PxyP_xg(T)y=g(T)P_xyである。u∈⨁xL2(μx)u\in\bigoplus_xL^2(\mu_x)とし、y=V∗Duy=V^*Duとおくと、すべてのx∈Sx\in SについてPxy=WxuxP_xy=W_xu_xである。補題 3.1 (3)により

Vg(T)V∗Du=(Pxg(T)y)x∈S=(g(T)Wxux)x∈S=(Wx(gux))x∈S=D((gux)x∈S)Vg(T)V^*Du=\bigl(P_xg(T)y\bigr)_{x\in S}=\bigl(g(T)W_xu_x\bigr)_{x\in S}=\bigl(W_x(gu_x)\bigr)_{x\in S}=D\bigl((gu_x)_{x\in S}\bigr)

であるから、Wg(T)W∗u=D∗Vg(T)V∗Du=(gux)x∈SWg(T)W^*u=D^*Vg(T)V^*Du=(gu_x)_{x\in S}である。g=ιg=\iotaとおくと、ι(T)=T\iota(T)=Tにより最後の等式を得る。

HHが可分であるとし、C⊆HC\subseteq Hを可算な稠密部分集合とする。x∈Sx\in Sについてx∈Hxx\in H_xであるから、相異なるx,x′∈Sx,x'\in Sについてx/∥x∥x/\|x\|とx′/∥x′∥x'/\|x'\|は直交する単位ベクトルであり、その距離は2\sqrt2である。x∈Sx\in Sごとに∥cx−x/∥x∥∥<2/2\|c_x-x/\|x\|\|<\sqrt2/2を満たすcx∈Cc_x\in Cをとると、三角不等式によりx↦cxx\mapsto c_xは単射である。したがってSSは高々可算である。▨

例 3.3.H=C2H=\C^2を標準内積による複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)を恒等作用素とする。このとき、すべてのx∈Hx\in Hについて補題 3.1のHxH_xはHHと異なる。定理 3.2をTTに適用するとき、添字の集合IIを一元集合にとることはできない。

証明.T∗=TT^*=TであるからTTは自己共役作用素である。λ∈C\lambda\in\CについてλT−T=(λ−1)T\lambda T-T=(\lambda-1)Tであり、H≠{0}H\ne\{0\}であるから、これが可逆であることはλ≠1\lambda\ne1と同値である。したがってσ(T)={1}\sigma(T)=\{1\}である。f∈C(σ(T))f\in C(\sigma(T))は定数関数f(1)1f(1)\mathbf 1に等しく、f↦f(T)f\mapsto f(T)は単位的な線形写像であるから、f(T)=f(1)Tf(T)=f(1)Tである。x∈Hx\in Hについて{f(T)x:f∈C(σ(T))}={cx:c∈C}\{f(T)x:f\in C(\sigma(T))\}=\{cx:c\in\C\}であり、これは次元11以下の部分空間であるから閉集合である。したがってHx={cx:c∈C}H_x=\{cx:c\in\C\}であり、dim⁡H=2\dim H=2によりHx≠HH_x\ne Hである。

IIが一元集合{i}\{i\}であると仮定する。σ(T)={1}\sigma(T)=\{1\}上の関数uuはu(1)1u(1)\mathbf 1に等しいから、L2(σ(T),B(σ(T)),μi;C)L^2(\sigma(T),\mathcal B(\sigma(T)),\mu_i;\C)は[1][\mathbf 1]の張る次元11以下の空間である。一方、ユニタリ作用素WWはHHからこの空間への線形な全単射であるから、この空間の次元はdim⁡H=2\dim H=2である。二つは両立しない。▨

4 点スペクトルと連続スペクトル

命題 4.1.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とする。このとき、次が成り立つ。

  1. 正規作用素T∈B(H)T\in B(H)についてσr(T)=∅\sigma_r(T)=\emptysetであり、σ(T)\sigma(T)はσp(T)\sigma_p(T)とσc(T)\sigma_c(T)の非交和である。
  2. T∈B(H)T\in B(H)を自己共役作用素またはユニタリ作用素とし、ETE_Tを定理 2.2 (1)の射影値測度とする。このとき σp(T)={λ∈σ(T):ET({λ})≠0},σc(T)={λ∈σ(T):ET({λ})=0}\sigma_p(T)=\{\lambda\in\sigma(T):E_T(\{\lambda\})\ne0\},\qquad\sigma_c(T)=\{\lambda\in\sigma(T):E_T(\{\lambda\})=0\} である。
  3. 主張 (2)のTTについて、σ(T)\sigma(T)の孤立点はTTの固有値である。

証明.主張 (1)を示す。λ∈σ(T)\lambda\in\sigma(T)についてλI−T\lambda I-Tが単射であるとする。§E12.1 命題 2.4 (2)によりker⁡(T∗−λ‾I)=ker⁡(T−λI)={0}\ker(T^*-\overline\lambda I)=\ker(T-\lambda I)=\{0\}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−T)∗=λ‾I−T∗(\lambda I-T)^*=\overline\lambda I-T^*であるから、§E12.1 命題 1.4 (2)によりim⁡(λI−T)‾={0}⊥=H\tpcl{\im(\lambda I-T)}=\{0\}^\perp=Hである。したがってλ∈σc(T)\lambda\in\sigma_c(T)である。§E12.1 定義 3.3により主張を得る。

主張 (2)を示す。λ∈σ(T)\lambda\in\sigma(T)とする。命題 2.3によりker⁡(λI−T)=im⁡ET({λ})\ker(\lambda I-T)=\im E_T(\{\lambda\})であるから、λ∈σp(T)\lambda\in\sigma_p(T)であることとET({λ})≠0E_T(\{\lambda\})\ne0は同値である。TTは正規作用素であるから、主張 (1)により第二の等式を得る。

主張 (3)を示す。λ\lambdaがσ(T)\sigma(T)の孤立点ならば、{λ}\{\lambda\}はσ(T)\sigma(T)の開集合であり、定理 2.2 (2)によりET({λ})≠0E_T(\{\lambda\})\ne0である。主張 (2)によりλ∈σp(T)\lambda\in\sigma_p(T)である。▨

命題 4.2.H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H)T\in B(H)をコンパクトな自己共役作用素とし、ETE_Tを定理 2.2 (1)の射影値測度とする。Λ\LambdaをTTの零でない固有値の全体とし、λ∈Λ\lambda\in\LambdaについてPλP_\lambdaをker⁡(λI−T)\ker(\lambda I-T)への直交射影、QQをker⁡T\ker Tへの直交射影とする。このとき、次が成り立つ。

  1. σ(T)∖{0}=Λ\sigma(T)\setminus\{0\}=\Lambdaであり、σ(T)\sigma(T)は高々可算である。
  2. Borel 集合B⊆σ(T)B\subseteq\sigma(T)と、B∩ΛB\cap\Lambdaの元を重複なく並べた有限列または列(λj)(\lambda_j)について、すべてのx∈Hx\in Hで ET(B)x=∑jPλjx+1B(0)QxE_T(B)x=\sum_jP_{\lambda_j}x+\mathbf 1_B(0)Qx がノルム収束として成り立つ。特に、λ∈Λ\lambda\in\LambdaについてET({λ})=PλE_T(\{\lambda\})=P_\lambdaであり、0∈σ(T)0\in\sigma(T)ならばET({0})=QE_T(\{0\})=Qである。

証明.主張 (1)を示す。§E12.1 定義 3.3 (1)によりΛ⊆σp(T)∖{0}⊆σ(T)∖{0}\Lambda\subseteq\sigma_p(T)\setminus\{0\}\subseteq\sigma(T)\setminus\{0\}であり、§E12.2 定理 6.1 (1)によりσ(T)∖{0}⊆Λ\sigma(T)\setminus\{0\}\subseteq\Lambdaである。§E12.6 定理 4.1 (1)によりΛ\Lambdaは高々可算であるから、σ(T)\sigma(T)は高々可算である。

主張 (2)を示す。命題 2.3により、λ∈Λ\lambda\in\LambdaについてET({λ})=PλE_T(\{\lambda\})=P_\lambdaであり、0∈σ(T)0\in\sigma(T)ならばET({0})E_T(\{0\})はker⁡(0I−T)=ker⁡T\ker(0I-T)=\ker Tへの直交射影QQである。0∉σ(T)0\notin\sigma(T)ならば0∉B0\notin Bである。主張 (1)によりBBはB∩ΛB\cap\Lambdaの各点の一点集合と、0∈B0\in Bの場合の{0}\{0\}との互いに素な和集合である。0∈B0\in Bの場合は{0}\{0\}を先頭に置いてこれらの集合を並べ、有限個の場合は空集合を付け加えて列とする。この列に§E12.7 命題 3.2 (5)を適用し、§E12.7 命題 3.2 (1)のET(∅)=0E_T(\emptyset)=0を用いると、主張の等式を得る。▨

例 4.3.mmを[0,1][0,1]上の Lebesgue 測度とし、H=L2([0,1],B([0,1]),m;C)H=L^2([0,1],\mathcal B([0,1]),m;\C)とおき、(Au)(t)=tu(t)(Au)(t)=tu(t)とおく。このとき、AAは正作用素であり、σ(A)=σc(A)=[0,1]\sigma(A)=\sigma_c(A)=[0,1]、σp(A)=∅\sigma_p(A)=\emptysetである。定理 2.2 (1)の射影値測度EAE_Aは、すべての Borel 集合B⊆[0,1]B\subseteq[0,1]についてEA(B)u=1BuE_A(B)u=\mathbf 1_Buを満たす。AAはコンパクトでない。AAは零でない固有値をもたずker⁡A={0}\ker A=\{0\}であるから、命題 4.2 (2)の右辺はB=[0,1]B=[0,1]について00であるが、EA([0,1])=I≠0E_A([0,1])=I\ne0である。したがって、命題 4.2からコンパクト性の仮定を外すことはできない。

証明.F(B)u=1BuF(B)u=\mathbf 1_Bu(B∈B([0,1])B\in\mathcal B([0,1]))とおく。§E12.7 例 7.2 (1)によりFFは[0,1][0,1]上の射影値測度であり、包含写像ι ⁣:[0,1]→C\iota\colon[0,1]\to\CについてΦF(ι)u=ιu=Au\Phi_F(\iota)u=\iota u=Auである。ι\iotaは実数値であるから、§E12.7 定理 4.5 (2)によりA∗=ΦF(ι‾)=AA^*=\Phi_F(\overline\iota)=Aであり、AAは自己共役作用素である。u∈Hu\in Hについて⟨Au,u⟩=∫01t∣u(t)∣2 dt\langle Au,u\rangle=\int_0^1t|u(t)|^2\,dtは00以上∥u∥2\|u\|^2以下であるから、AAは正作用素であり、§E12.1 命題 4.4 (1)によりσ(A)⊆[0,1]\sigma(A)\subseteq[0,1]である。

λ∈[0,1]\lambda\in[0,1]とし、λ∈ρ(A)\lambda\in\rho(A)と仮定する。0<δ<1/(∥R(λ,A)∥+1)0<\delta<1/(\|R(\lambda,A)\|+1)を満たすδ\deltaをとり、J=[0,1]∩[λ−δ,λ+δ]J=[0,1]\cap[\lambda-\delta,\lambda+\delta]、u=1Ju=\mathbf 1_Jとおく。m(J)≥δ>0m(J)\ge\delta>0であるから∥u∥>0\|u\|>0であり、JJの上で∣λ−t∣≤δ|\lambda-t|\le\deltaであるから∥(λI−A)u∥≤δ∥u∥\|(\lambda I-A)u\|\le\delta\|u\|である。したがって

∥u∥=∥R(λ,A)(λI−A)u∥≤∥R(λ,A)∥ δ ∥u∥\|u\|=\|R(\lambda,A)(\lambda I-A)u\|\le\|R(\lambda,A)\|\,\delta\,\|u\|

であり、(1−∥R(λ,A)∥δ)∥u∥≤0(1-\|R(\lambda,A)\|\delta)\|u\|\le0である。一方、∥R(λ,A)∥δ<1\|R(\lambda,A)\|\delta<1と∥u∥>0\|u\|>0により左辺は正であり、二つは両立しない。したがって[0,1]⊆σ(A)[0,1]\subseteq\sigma(A)であり、σ(A)=[0,1]\sigma(A)=[0,1]である。

FFはσ(A)\sigma(A)上の射影値測度でΦF(ι)=A\Phi_F(\iota)=Aを満たすから、定理 2.2 (1)の一意性によりEA=FE_A=Fである。λ∈[0,1]\lambda\in[0,1]についてm({λ})=0m(\{\lambda\})=0であるからEA({λ})u=1{λ}u=0E_A(\{\lambda\})u=\mathbf 1_{\{\lambda\}}u=0であり、命題 4.1 (2)によりσp(A)=∅\sigma_p(A)=\emptysetかつσc(A)=[0,1]\sigma_c(A)=[0,1]である。特にAAは零でない固有値をもたず、ker⁡A=ker⁡(0I−A)={0}\ker A=\ker(0I-A)=\{0\}である。AAがコンパクトであると仮定すると、命題 4.2 (2)によりEA([0,1])=0E_A([0,1])=0である。一方EA([0,1])=F([0,1])=IE_A([0,1])=F([0,1])=Iであり、H≠{0}H\ne\{0\}であるから、二つは両立しない。したがってAAはコンパクトでない。▨

5 正作用素の平方根と極分解

定理 5.1.HHを複素 Hilbert 空間とし、A∈B(H)A\in B(H)を正作用素とする。このとき、正作用素B∈B(H)B\in B(H)でB2=AB^2=Aを満たすものがただ一つ存在する。このBBをA1/2A^{1/2}と書く。S∈B(H)S\in B(H)がSA=ASSA=ASを満たすならば、SA1/2=A1/2SSA^{1/2}=A^{1/2}Sである。H≠{0}H\ne\{0\}ならば、s(t)=t1/2s(t)=t^{1/2}(t∈σ(A)t\in\sigma(A))で定まるs∈C(σ(A))s\in C(\sigma(A))についてA1/2=s(A)A^{1/2}=s(A)である。

証明.H={0}H=\{0\}ならばB(H)={0}B(H)=\{0\}であり、B=0B=0がただ一つの候補であって、すべての主張が成り立つ。H≠{0}H\ne\{0\}とする。

§E12.1 命題 2.7 (1)によりAAは自己共役作用素であり、§E12.1 命題 4.4 (3)によりσ(A)⊆[0,∞)\sigma(A)\subseteq[0,\infty)であるから、ssはσ(A)\sigma(A)上の00以上の値をとる連続関数である。B=s(A)B=s(A)とおく。§E12.7 補題 6.1 (1)をΦA\Phi_Aに適用するとBBは正作用素であり、s2=ιs^2=\iotaによりB2=ι(A)=AB^2=\iota(A)=Aである。SA=ASSA=ASならば、定理 1.4 (2)によりSB=BSSB=BSである。

C∈B(H)C\in B(H)を正作用素でC2=AC^2=Aを満たすものとする。CA=C3=ACCA=C^3=ACでありB=s(A)B=s(A)であるから、定理 1.4 (2)によりCB=BCCB=BCである。BBとCCは§E12.1 命題 2.7 (1)により自己共役作用素である。x∈Hx\in Hとし、y=(B−C)xy=(B-C)xとおく。(B+C)(B−C)=B2−C2=0(B+C)(B-C)=B^2-C^2=0であるから

⟨By,y⟩+⟨Cy,y⟩=⟨(B+C)(B−C)x,y⟩=0\langle By,y\rangle+\langle Cy,y\rangle=\langle(B+C)(B-C)x,y\rangle=0

であり、二つの項はともに00以上であるから00に等しい。§E12.1 命題 2.7 (3)により∥By∥2≤∥B∥⟨By,y⟩=0\|By\|^2\le\|B\|\langle By,y\rangle=0と∥Cy∥2≤∥C∥⟨Cy,y⟩=0\|Cy\|^2\le\|C\|\langle Cy,y\rangle=0であるから、(B−C)y=0(B-C)y=0である。B−CB-Cは自己共役作用素であるから

∥(B−C)x∥2=⟨(B−C)2x,x⟩=⟨(B−C)y,x⟩=0\|(B-C)x\|^2=\langle(B-C)^2x,x\rangle=\langle(B-C)y,x\rangle=0

であり、Cx=BxCx=Bxである。したがってC=BC=Bである。▨

定義 5.2.H1,H2H_1,H_2をK∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}上の Hilbert 空間とする。V∈B(H1,H2)V\in B(H_1,H_2)がすべてのx∈(ker⁡V)⊥x\in(\ker V)^\perpについて∥Vx∥=∥x∥\|Vx\|=\|x\|を満たすとき、VVを 部分等長作用素 (partial isometry) という。

補題 5.3.H1,H2H_1,H_2をK∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}上の Hilbert 空間とし、V∈B(H1,H2)V\in B(H_1,H_2)を部分等長作用素とし、M=(ker⁡V)⊥M=(\ker V)^\perpとおく。このとき、次が成り立つ。

  1. すべてのx∈H1x\in H_1について∥Vx∥≤∥x∥\|Vx\|\le\|x\|である。
  2. V∗VV^*VはMMへの直交射影である。
  3. im⁡V=V(M)\im V=V(M)であり、im⁡V\im VはH2H_2の閉線形部分空間である。

証明. 演習とする(問題 6.1)。▨

定理 5.4.H1,H2H_1,H_2を複素 Hilbert 空間とし、T∈B(H1,H2)T\in B(H_1,H_2)とする。§E12.1 命題 2.7 (4)によりT∗TT^*Tは正作用素であり、∣T∣=(T∗T)1/2|T|=(T^*T)^{1/2}とおく。このとき、次が成り立つ。

  1. すべてのx∈H1x\in H_1について∥∣T∣x∥=∥Tx∥\||T|x\|=\|Tx\|である。ker⁡∣T∣=ker⁡T\ker|T|=\ker Tであり、im⁡∣T∣‾=(ker⁡T)⊥\tpcl{\im|T|}=(\ker T)^\perpである。
  2. 部分等長作用素V∈B(H1,H2)V\in B(H_1,H_2)でker⁡V=ker⁡T\ker V=\ker TとT=V∣T∣T=V|T|を満たすものがただ一つ存在する。この表示T=V∣T∣T=V|T|をTTの極分解 (polar decomposition) という。
  3. 主張 (2)のVVについて、V∗VV^*Vは(ker⁡T)⊥(\ker T)^\perpへの直交射影であり、V∗T=∣T∣V^*T=|T|とim⁡V=im⁡T‾\im V=\tpcl{\im T}が成り立つ。

証明.主張 (1)を示す。§E12.1 命題 2.7 (1)により∣T∣|T|は自己共役作用素であるから、x∈H1x\in H_1について

∥∣T∣x∥2=⟨∣T∣2x,x⟩=⟨T∗Tx,x⟩=∥Tx∥2\||T|x\|^2=\langle|T|^2x,x\rangle=\langle T^*Tx,x\rangle=\|Tx\|^2

である。したがってker⁡∣T∣=ker⁡T\ker|T|=\ker Tであり、§E12.1 命題 1.4 (2)を∣T∣=∣T∣∗|T|=|T|^*に適用するとim⁡∣T∣‾=(ker⁡∣T∣)⊥=(ker⁡T)⊥\tpcl{\im|T|}=(\ker|T|)^\perp=(\ker T)^\perpである。

主張 (2)を示す。R=im⁡∣T∣R=\im|T|、M=R‾M=\tpcl Rとおく。∣T∣x=∣T∣x′|T|x=|T|x'ならば主張 (1)により∥Tx−Tx′∥=∥∣T∣x−∣T∣x′∥=0\|Tx-Tx'\|=\||T|x-|T|x'\|=0であるから、V0(∣T∣x)=TxV_0(|T|x)=Txで線形写像V0 ⁣:R→H2V_0\colon R\to H_2が定まり、主張 (1)によりV0V_0は等長である。§E10.1 命題 1.4 (1)によりMMは Hilbert 空間であり、RRはMMで稠密であるから、§E10.4 系 2.2によりV0V_0は有界線形写像V1 ⁣:M→H2V_1\colon M\to H_2へ延長され、V1V_1は近似列のノルムの極限により等長である。PMP_MをMMへの直交射影とし、V=V1PMV=V_1P_Mとおく。主張 (1)と§E10.3 命題 2.3によりM⊥=ker⁡TM^\perp=\ker Tである。x∈H1x\in H_1について∥Vx∥=∥PMx∥\|Vx\|=\|P_Mx\|であるから、Vx=0Vx=0であることとx∈M⊥x\in M^\perpであることは同値であり、ker⁡V=M⊥=ker⁡T\ker V=M^\perp=\ker Tである。(ker⁡V)⊥=M(\ker V)^\perp=Mの上でV=V1V=V_1は等長であるから、VVは部分等長作用素である。x∈H1x\in H_1についてV∣T∣x=V1∣T∣x=TxV|T|x=V_1|T|x=Txである。

V′∈B(H1,H2)V'\in B(H_1,H_2)も部分等長作用素でker⁡V′=ker⁡T\ker V'=\ker TとT=V′∣T∣T=V'|T|を満たすとする。V′V'とVVはRRの上で一致し、連続であるからMMの上で一致し、M⊥=ker⁡TM^\perp=\ker Tの上ではともに00である。§E10.3 定理 2.2によりH1=M⊕M⊥H_1=M\oplus M^\perpであるから、V′=VV'=Vである。

主張 (3)を示す。(ker⁡V)⊥=M=(ker⁡T)⊥(\ker V)^\perp=M=(\ker T)^\perpであるから、補題 5.3 (2)によりV∗V=PMV^*V=P_Mである。im⁡∣T∣⊆M\im|T|\subseteq MであるからV∗T=V∗V∣T∣=PM∣T∣=∣T∣V^*T=V^*V|T|=P_M|T|=|T|である。補題 5.3 (3)によりim⁡V=V(M)\im V=V(M)は閉集合であり、im⁡T=V(R)\im T=V(R)を含むからim⁡T‾⊆im⁡V\tpcl{\im T}\subseteq\im Vである。VVの連続性によりV(M)=V(R‾)⊆V(R)‾=im⁡T‾V(M)=V(\tpcl R)\subseteq\tpcl{V(R)}=\tpcl{\im T}である。したがってim⁡V=im⁡T‾\im V=\tpcl{\im T}である。▨

例 5.5.

  1. ℓ2\ell^2を複素数値数列の Hilbert 空間とし、SSを§E12.1 例 2.9の右シフトとする。このとき∣S∣=I|S|=Iであり、定理 5.4 (2)の部分等長作用素はSSである。さらに、W∈B(ℓ2)W\in B(\ell^2)がS=W∣S∣S=W|S|を満たすならばW=SW=Sであるから、ユニタリ作用素WWでS=W∣S∣S=W|S|を満たすものは存在しない。
  2. H≠{0}H\ne\{0\}を複素 Hilbert 空間とし、T=0∈B(H)T=0\in B(H)とする。このとき∣T∣=0|T|=0であり、定理 5.4 (2)の部分等長作用素は00である。恒等作用素IIも部分等長作用素であってT=I∣T∣T=I|T|を満たすが、ker⁡I={0}≠H=ker⁡T\ker I=\{0\}\ne H=\ker Tである。したがって、定理 5.4 (2)の一意性から条件ker⁡V=ker⁡T\ker V=\ker Tを外すことはできない。

証明.(1)を示す。§E12.1 例 2.9によりS∗S=IS^*S=Iである。IIは正作用素でありI2=II^2=Iを満たすから、定理 5.1の一意性により∣S∣=I|S|=Iである。SSはすべてのxxについて∥Sx∥=∥x∥\|Sx\|=\|x\|を満たすから、ker⁡S={0}\ker S=\{0\}であり、SSは部分等長作用素であってS=S∣S∣S=S|S|を満たす。定理 5.4 (2)の一意性により、その部分等長作用素はSSである。S=W∣S∣=WIS=W|S|=WIならばW=SW=Sであり、§E12.1 例 2.9によりSSはユニタリ作用素でない。

(2)を示す。00は正作用素であり02=00^2=0を満たすから、定理 5.1の一意性により∣T∣=0|T|=0である。ker⁡V=H\ker V=Hを満たすV∈B(H)V\in B(H)はV=0V=0に限る。IIはすべてのxxについて∥Ix∥=∥x∥\|Ix\|=\|x\|を満たすから部分等長作用素であり、I∣T∣=0=TI|T|=0=Tである。▨

6 演習

問題 6.1.補題 5.3を証明せよ。

解答.

ker⁡V\ker VはVVの連続性により閉線形部分空間であり、§E10.3 命題 2.3によりM⊥=ker⁡VM^\perp=\ker Vである。PMP_MをMMへの直交射影とする。§E10.3 定理 2.2により、x∈H1x\in H_1はx=PMx+kx=P_Mx+k(k∈ker⁡Vk\in\ker V)とただ一通りに表され、∥x∥2=∥PMx∥2+∥k∥2\|x\|^2=\|P_Mx\|^2+\|k\|^2を満たす。

補題 5.3 (1)を示す。Vx=VPMxVx=VP_Mxであり、VVはMMの上で等長であるから∥Vx∥=∥PMx∥≤∥x∥\|Vx\|=\|P_Mx\|\le\|x\|である。

補題 5.3 (2)を示す。C=I−V∗VC=I-V^*Vとおく。§E12.1 命題 2.7 (4)によりV∗VV^*Vは自己共役作用素であるからCCは自己共役作用素であり、補題 5.3 (1)によりすべてのx∈H1x\in H_1について⟨Cx,x⟩=∥x∥2−∥Vx∥2≥0\langle Cx,x\rangle=\|x\|^2-\|Vx\|^2\ge0であるから、CCは正作用素である。m∈Mm\in Mについて⟨Cm,m⟩=∥m∥2−∥Vm∥2=0\langle Cm,m\rangle=\|m\|^2-\|Vm\|^2=0であり、§E12.1 命題 2.7 (3)により∥Cm∥2≤∥C∥⟨Cm,m⟩=0\|Cm\|^2\le\|C\|\langle Cm,m\rangle=0であるから、V∗Vm=mV^*Vm=mである。k∈ker⁡Vk\in\ker VについてV∗Vk=0V^*Vk=0である。したがってx∈H1x\in H_1についてV∗Vx=V∗VPMx+V∗Vk=PMxV^*Vx=V^*VP_Mx+V^*Vk=P_Mxであり、V∗V=PMV^*V=P_Mである。

補題 5.3 (3)を示す。Vx=VPMxVx=VP_Mxであるからim⁡V=V(M)\im V=V(M)である。V(M)V(M)は線形部分空間である。mn∈Mm_n\in MについてVmn→zVm_n\to zとすると、∥mn−mn′∥=∥Vmn−Vmn′∥\|m_n-m_{n'}\|=\|Vm_n-Vm_{n'}\|により(mn)(m_n)は Cauchy 列であり、H1H_1の完備性によりm∈H1m\in H_1が存在して、mn→mm_n\to mとなる。MMは閉集合であるからm∈Mm\in Mであり、VVの連続性によりz=Vm∈V(M)z=Vm\in V(M)である。したがってim⁡V\im Vは閉集合である。▨

問題 6.2.ℓ2\ell^2を複素数値数列の Hilbert 空間とし、ene_n(n∈N≥1n\in\NN)を標準基底とする。(λn)n∈N≥1(\lambda_n)_{n\in\NN}をQ∩[0,1]\Q\cap[0,1]の元を重複なく並べた列とし、Dx=(λnxn)n≥1Dx=(\lambda_nx_n)_{n\ge1}とおく。EDE_Dを定理 2.2 (1)の射影値測度とする。

  1. DDは自己共役作用素であり、σ(D)=[0,1]\sigma(D)=[0,1]であることを示せ。
  2. すべての Borel 集合B⊆[0,1]B\subseteq[0,1]とx∈ℓ2x\in\ell^2についてED(B)x=(1B(λn)xn)n≥1E_D(B)x=(\mathbf 1_B(\lambda_n)x_n)_{n\ge1}であることを示せ。
  3. σp(D)=Q∩[0,1]\sigma_p(D)=\Q\cap[0,1]かつσc(D)=[0,1]∖Q\sigma_c(D)=[0,1]\setminus\Qであることを示せ。

DDは固有ベクトルからなる完全正規直交系(en)(e_n)をもつが、σc(D)\sigma_c(D)は非可算集合であり、ED([0,1]∖Q)=0E_D([0,1]\setminus\Q)=0である。σc(D)\sigma_c(D)の点はσ(D)\sigma(D)の孤立点でない。

解答.

(1)を示す。(λn)(\lambda_n)は実数の有界な列であるから、§E12.1 例 2.8によりD∈B(ℓ2)D\in B(\ell^2)は自己共役作用素である。x∈ℓ2x\in\ell^2について⟨Dx,x⟩=∑nλn∣xn∣2\langle Dx,x\rangle=\sum_n\lambda_n|x_n|^2は00以上∥x∥2\|x\|^2以下であるから、§E12.1 命題 4.4 (1)によりσ(D)⊆[0,1]\sigma(D)\subseteq[0,1]である。Den=λnenDe_n=\lambda_ne_nであるから、§E12.1 定義 3.3 (1)によりQ∩[0,1]⊆σp(D)⊆σ(D)\Q\cap[0,1]\subseteq\sigma_p(D)\subseteq\sigma(D)である。§E12.1 定理 3.5によりσ(D)\sigma(D)は閉集合であり、Q∩[0,1]\Q\cap[0,1]は[0,1][0,1]で稠密であるから、[0,1]⊆σ(D)[0,1]\subseteq\sigma(D)である。したがってσ(D)=[0,1]\sigma(D)=[0,1]である。

(2)を示す。N≥1\NNの冪集合P(N≥1)\mathcal P(\NN)の上の射影値測度EEと、C\C上の射影値測度FFを、§E12.7 例 7.2 (2)のとおりとする。λ ⁣:N≥1→[0,1]\lambda\colon\NN\to[0,1]、n↦λnn\mapsto\lambda_nは可測であるから、§E12.7 命題 7.1 (1)によりG=E∘λ−1G=E\circ\lambda^{-1}は[0,1][0,1]上の射影値測度であり、G(B)x=(1λ−1(B)(n)xn)n≥1=(1B(λn)xn)n≥1G(B)x=(\mathbf 1_{\lambda^{-1}(B)}(n)x_n)_{n\ge1}=(\mathbf 1_B(\lambda_n)x_n)_{n\ge1}である。g(z)=z1[0,1](z)g(z)=z\mathbf 1_{[0,1]}(z)とおくとg∈Bb(C)g\in B_b(\C)であり、包含写像ι ⁣:[0,1]→C\iota\colon[0,1]\to\Cについて、すべてのnnでg(λn)=ι(λn)=λng(\lambda_n)=\iota(\lambda_n)=\lambda_nである。§E12.7 命題 7.1 (2)をGGとFFに適用するとΦG(ι)=ΦE(ι∘λ)=ΦE(g∘λ)=ΦF(g)\Phi_G(\iota)=\Phi_E(\iota\circ\lambda)=\Phi_E(g\circ\lambda)=\Phi_F(g)であり、§E12.7 例 7.2 (2)によりΦF(g)x=(g(λn)xn)n≥1=Dx\Phi_F(g)x=(g(\lambda_n)x_n)_{n\ge1}=Dxである。したがってΦG(ι)=D\Phi_G(\iota)=Dである。GGはσ(D)=[0,1]\sigma(D)=[0,1]上の射影値測度でΦG(ι)=D\Phi_G(\iota)=Dを満たすから、定理 2.2 (1)の一意性によりED=GE_D=Gである。

(3)を示す。λ∈[0,1]\lambda\in[0,1]について、(2)によりED({λ})x=(1{λ}(λn)xn)n≥1E_D(\{\lambda\})x=(\mathbf 1_{\{\lambda\}}(\lambda_n)x_n)_{n\ge1}である。λ∈Q\lambda\in\Qならばλ=λn\lambda=\lambda_nを満たすnnがあり、ED({λ})en=en≠0E_D(\{\lambda\})e_n=e_n\ne0である。λ∉Q\lambda\notin\Qならば、すべてのnnについて1{λ}(λn)=0\mathbf 1_{\{\lambda\}}(\lambda_n)=0であるからED({λ})=0E_D(\{\lambda\})=0である。命題 4.1 (2)により主張を得る。

[0,1]∖Q[0,1]\setminus\Qは Borel 集合であり、すべてのnnについて1[0,1]∖Q(λn)=0\mathbf 1_{[0,1]\setminus\Q}(\lambda_n)=0であるから、(2)によりED([0,1]∖Q)=0E_D([0,1]\setminus\Q)=0である。[0,1][0,1]は非可算でありQ\Qは可算であるから、σc(D)\sigma_c(D)は非可算である。σc(D)\sigma_c(D)の点λ\lambdaの任意の近傍はQ∩[0,1]\Q\cap[0,1]の点を含むから、λ\lambdaはσ(D)\sigma(D)の孤立点でない。▨

参考文献

  1. Walter Rudin, Functional Analysis, 2nd ed., International Series in Pure and Applied Mathematics, McGraw Hill, 1991.連続汎関数計算からの射影値測度の構成と、正作用素の平方根と極分解の扱いを参考にした。
  2. John B. Conway, A Course in Functional Analysis, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics, Springer, New York, 1990.自己共役作用素の連続汎関数計算、巡回部分空間による乗算作用素形、および部分等長作用素の扱いを参考にした。
  3. Michael Reed and Barry Simon, Methods of Modern Mathematical Physics I: Functional Analysis, revised and enlarged ed., Academic Press, New York, 1980.乗算作用素形のスペクトル定理と、点スペクトルと連続スペクトルの例を参考にした。

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