Jembatan spektral-kompak dan SVD

Komponen asli terpisah, CC BY-SA 4.0. Ditulis dengan bantuan OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra, atas arahan pengguna. Komponen ini bukan tulisan John M. Erdman dan tidak menyiratkan dukungan beliau atau Portland State University.

Bab 7 telah mengembangkan operator kompak dan dekomposisi polar, sedangkan Bab 8 telah mengembangkan spektrum. Bab tentang teori Fredholm kemudian membuktikan alternatif Fredholm bagi operator Riesz–Schauder, sifat jangkauan tertutup, serta teori indeks. Tujuan jembatan ini bukan mengulang teori Fredholm tersebut, melainkan menghubungkan hasilnya ke geometri eigenvektor operator kompak dan selanjutnya ke dekomposisi nilai singular.

Semua ruang dalam bab ini merupakan ruang kompleks. Simbol H1H_1 dan H2H_2 menyatakan ruang Hilbert, sedangkan BB menyatakan ruang Banach. Jika uH2u\in H_2 dan vH1v\in H_1, kita memakai notasi peringkat-satu uv:H1H2,(uv)x=x,vu.u\otimes v\colon H_1\longrightarrow H_2, \qquad (u\otimes v)x=\langle x,v\rangle u.

Konsekuensi spektral Riesz–Schauder

Definisi

Jika T𝔅(B)T\in\mathfrak{B}(B) dan λ\lambda\in\mathbb{C}, maka ruang eigen untuk λ\lambda adalah ker(TλI)\ker(T-\lambda I). Dimensinya disebut multiplikitas geometrik nilai eigen λ\lambda.

Teorema: Konsekuensi spektral Riesz–Schauder

Misalkan BB ruang Banach kompleks berdimensi tak hingga dan K𝔎(B)K\in\mathfrak{K}(B). Maka:

  1. setiap λσ(K)\{0}\lambda\in\sigma(K)\setminus\{0\} merupakan nilai eigen;

  2. setiap ruang eigen untuk λ0\lambda\neq0 berdimensi hingga;

  3. untuk setiap r>0r>0, hanya ada berhingga banyak nilai eigen berbeda yang memenuhi |λ|r|\lambda|\geq r;

  4. σ(K)\{0}\sigma(K)\setminus\{0\} paling banyak terhitung, setiap titiknya terisolasi dalam spektrum, dan satu-satunya titik akumulasi yang mungkin adalah 00;

  5. 0σ(K)0\in\sigma(K).

Bukti

Ambil λ0\lambda\neq0. Operator λIK\lambda I-K adalah operator Riesz–Schauder dalam pengertian Bab 15. Alternatif Fredholm 15.2.2 menyatakan bahwa operator itu injektif jika dan hanya jika surjektif. Jika injektif, ia bijektif dan teorema pemetaan terbuka memberi invers terbatas. Jadi, bila λσ(K)\lambda\in\sigma(K), operator λIK\lambda I-K tidak injektif; dengan kata lain, λ\lambda adalah nilai eigen. Alternatif Fredholm yang sama juga memberi dimker(λIK)<,\dim\ker(\lambda I-K)<\infty, yang membuktikan (a) dan (b) tanpa mengulang argumen Fredholm.

Untuk (c), andaikan terdapat nilai eigen berbeda λ1,λ2,\lambda_1,\lambda_2,\ldots dengan |λn|r>0|\lambda_n|\geq r>0, dan pilih eigenvektor xn0x_n\neq0. Eigenvektor untuk nilai eigen berbeda bebas linear. Tuliskan Mn=span{x1,,xn}M_n=\mathop{\mathrm{span}}\{x_1,\ldots,x_n\}. Menurut lema Riesz, kita dapat memilih ynMny_n\in M_n dengan yn=1\|y_n\|=1 dan dist(yn,Mn1)>12.\mathop{\mathrm{dist}}(y_n,M_{n-1})>\frac12. Karena (KλnI)MnMn1(K-\lambda_n I)M_n\subseteq M_{n-1}, berlaku ynλn1KynMn1y_n-\lambda_n^{-1}Ky_n\in M_{n-1}. Untuk m<nm<n juga λm1KymMmMn1\lambda_m^{-1}Ky_m\in M_m\subseteq M_{n-1}. Akibatnya λn1Kynλm1Kym>12.\left\|\lambda_n^{-1}Ky_n-\lambda_m^{-1}Ky_m\right\|>\frac12. Namun barisan (λn1yn)(\lambda_n^{-1}y_n) terbatas oleh 1/r1/r, sehingga kekompakan KK mengharuskan (λn1Kyn)(\lambda_n^{-1}Ky_n) mempunyai subbarisan konvergen. Ini bertentangan dengan pemisahan di atas. Jadi (c) benar.

Terakhir, σ(K)\{0}=m=1{λσ(K):|λ|1/m}\sigma(K)\setminus\{0\} =\bigcup_{m=1}^{\infty} \{\lambda\in\sigma(K):|\lambda|\geq1/m\} adalah gabungan terhitung himpunan-himpunan berhingga. Pernyataan isolasi dan akumulasi mengikuti langsung dari (c), sehingga (d) terbukti. Jika 0σ(K)0\notin\sigma(K), maka KK invertibel dan I=K1KI=K^{-1}K kompak. Hal ini mustahil pada ruang Banach berdimensi tak hingga: lema Riesz menghasilkan barisan vektor satuan yang tidak mempunyai subbarisan konvergen. Jadi operator identitas tidak kompak, dan (e) terbukti.

Catatan

Teorema CS-THM-001 memakai alternatif Fredholm yang sudah terdapat dalam Bab 15 hanya pada dua titik: kesetaraan injektif–surjektif dan keberhinggaan dimensi kernel. Jembatan ini tidak mengulang pembentukan aljabar Calkin, teorema Atkinson, indeks Fredholm, atau klasifikasi komponen lintasan operator Fredholm.

Contoh

Pada 2\ell^2, tetapkan K(x1,x2,)=(x1,x22,x33,).K(x_1,x_2,\ldots)= \left(x_1,\frac{x_2}{2},\frac{x_3}{3},\ldots\right). Operator ini kompak dan swaadjoin. Nilai eigennya adalah 1/n1/n, masing-masing bermultiplikitas satu, dan σ(K)={0}{1/n:n}\sigma(K)=\{0\}\cup\{1/n:n\in\mathbb{N}\}. Contoh ini memperlihatkan bahwa nol memang dapat menjadi titik akumulasi dan bahwa jangkauan operator kompak tidak harus tertutup.

Teorema spektral kompak swaadjoin

Lema

Jika T𝔎(H)T\in\mathfrak{K}(H) swaadjoin dan T0T\neq0, maka TT mempunyai nilai eigen real λ\lambda dengan |λ|=T|\lambda|=\|T\|.

Bukti

Untuk operator swaadjoin, hasil tentang jangkauan numerik di Bab 5 memberi T=supx=1|Tx,x|.\|T\|=\sup_{\|x\|=1}|\langle Tx,x\rangle|. Pilih vektor satuan xnx_n sehingga nilai mutlak di ruas kanan menuju T\|T\|. Karena bentuk kuadratik swaadjoin bernilai real, setelah mengambil subbarisan terdapat α{T,T}\alpha\in\{\|T\|,-\|T\|\} dengan Txn,xnα\langle Tx_n,x_n\rangle\to\alpha. Untuk α=T\alpha=\|T\|, misalnya, (TαI)xn2=Txn22αTxn,xn+α22α(αTxn,xn)0.\begin{align*} \|(T-\alpha I)x_n\|^2 &=\|Tx_n\|^2-2\alpha\langle Tx_n,x_n\rangle+\alpha^2\\ &\leq2\alpha\bigl(\alpha-\langle Tx_n,x_n\rangle\bigr) \longrightarrow0. \end{align*} Kasus α=T\alpha=-\|T\| sama dengan memakai TαI=T+TIT-\alpha I=T+\|T\|I. Kekompakan TT memberi subbarisan (Txn)(Tx_n) yang konvergen. Karena (TαI)xn0(T-\alpha I)x_n\to0 dan α0\alpha\neq0, subbarisan (xn)(x_n) sendiri konvergen ke suatu vektor satuan xx. Dengan mengambil limit diperoleh Tx=αxTx=\alpha x. Jadi λ=α\lambda=\alpha adalah nilai eigen real dan |λ|=T|\lambda|=\|T\|.

Lema

Jika TT swaadjoin, maka ruang eigen untuk dua nilai eigen berbeda saling ortogonal. Selain itu, komplemen ortogonal setiap ruang eigen invarian terhadap TT.

Bukti

Misalkan Tx=λxTx=\lambda x dan Ty=μyTy=\mu y. Nilai λ\lambda dan μ\mu real, dan λx,y=Tx,y=x,Ty=μx,y.\lambda\langle x,y\rangle =\langle Tx,y\rangle =\langle x,Ty\rangle =\mu\langle x,y\rangle. Jika λμ\lambda\neq\mu, maka x,y=0\langle x,y\rangle=0. Jika zz tegak lurus ruang eigen EλE_\lambda, maka untuk setiap xEλx\in E_\lambda, Tz,x=z,Tx=λz,x=0,\langle Tz,x\rangle=\langle z,Tx\rangle =\lambda\langle z,x\rangle=0, sehingga TzEλTz\in E_\lambda^\perp.

Teorema: Teorema spektral untuk operator kompak swaadjoin

Misalkan T𝔎(H)T\in\mathfrak{K}(H) swaadjoin. Terdapat himpunan ortonormal (en)(e_n) yang terdiri atas eigenvektor untuk nilai eigen tak nol (λn)(\lambda_n) sedemikian sehingga

  1. setiap nilai eigen tak nol diulang menurut multiplikitasnya yang hingga;

  2. bila daftarnya tak hingga, |λn|0|\lambda_n|\to0;

  3. H=kerTspan{en:n1}¯H=\ker T\oplus\overline{\mathop{\mathrm{span}}\{e_n:n\geq 1\}};

  4. untuk setiap xHx\in H, Tx=nλnx,enen;Tx=\sum_n\lambda_n\langle x,e_n\rangle e_n;

  5. jika daftar tak hingga, tetapkan TN=n=1Nλn(enen)T_N=\sum_{n=1}^N\lambda_n(e_n\otimes e_n); jika daftar berhingga memiliki panjang mm, tetapkan TN=n=1min{N,m}λn(enen)T_N=\sum_{n=1}^{\min\{N,m\}}\lambda_n(e_n\otimes e_n). Dengan urutan |λ1||λ2||\lambda_1|\geq|\lambda_2|\geq\cdots, berlaku TTN=supn>N|λn|0\|T-T_N\|=\sup_{n>N}|\lambda_n|\to0, dengan supremum himpunan indeks kosong didefinisikan sebagai 00.

Dengan menambahkan sembarang basis ortonormal bagi kerT\ker T, kita memperoleh basis ortonormal seluruh HH yang terdiri atas eigenvektor TT.

Bukti

Jika T=0T=0, ambil daftar kosong dan hasilnya langsung benar. Jika dimH<\dim H<\infty, teorema spektral kompleks berdimensi hingga dari Bab 1, Teorema 1.2.53, memberikan basis ortonormal eigenvektor; setelah eigenvektor bernilai eigen nol dipindahkan ke kerT\ker T, semua butir di atas mengikuti, termasuk konvensi ekor kosong pada (e). Karena itu, selanjutnya andaikan dimH=\dim H=\infty dan T0T\neq0. Teorema CS-THM-001 mengatakan bahwa himpunan nilai eigennya yang tak nol paling banyak terhitung dan setiap ruang eigennya berdimensi hingga. Pilih satu basis ortonormal dari setiap ruang eigen tak nol. Menurut Lemma CS-LEM-002, gabungan semua basis tersebut ortonormal, sehingga dapat disusun sebagai barisan (en)(e_n) dengan nilai eigen terkait (λn)(\lambda_n). Teorema Riesz–Schauder yang sama memberi |λn|0|\lambda_n|\to0 bila barisan itu tak hingga.

Misalkan M=span{en:n1}¯M=\overline{\mathop{\mathrm{span}}\{e_n:n\geq 1\}}. Komplemen MM^\perp invarian. Jika T|MT|_{M^\perp} tidak nol, Lemma CS-LEM-001 akan memberi eigenvektor tak nol lain yang tegak lurus semua ene_n, bertentangan dengan pemilihan seluruh ruang eigen tak nol. Jadi T|M=0T|_{M^\perp}=0 dan MkerTM^\perp\subseteq\ker T. Sebaliknya, setiap vektor dalam kerT\ker T tegak lurus semua ruang eigen dengan nilai eigen tak nol, sehingga kerT=M\ker T=M^\perp. Ini membuktikan (c).

Uraikan x=x0+nx,enenx=x_0+\sum_n\langle x,e_n\rangle e_n dengan x0kerTx_0\in\ker T. Kontinuitas TT memberi deret pada (d). Untuk ekor operator, ortonormalitas memberi (TTN)x2=n>N|λn|2|x,en|2(supn>N|λn|2)x2.\|(T-T_N)x\|^2 =\sum_{n>N}|\lambda_n|^2|\langle x,e_n\rangle|^2 \leq\left(\sup_{n>N}|\lambda_n|^2\right)\|x\|^2. Jadi TTNsupn>N|λn|\|T-T_N\|\leq\sup_{n>N}|\lambda_n|. Arah sebaliknya diperoleh dengan menerapkan TTNT-T_N pada setiap ene_n dengan n>Nn>N dan mengambil supremum. Maka (e) benar dan TT merupakan limit norma operator-operator spektral berperingkat hingga tersebut.

Akibat

Jika TT juga positif dan T0T\neq0, maka semua λn>0\lambda_n>0 dan T=λ1,Tx=nλnx,enen.\|T\|=\lambda_1, \qquad Tx=\sum_n\lambda_n\langle x,e_n\rangle e_n.

Bukti

Untuk eigenvektor satuan ene_n, λn=Ten,en0\lambda_n=\langle Te_n,e_n\rangle\geq0. Karena daftar hanya memuat nilai eigen tak nol, semuanya positif. Pernyataan norma mengikuti pengurutan dalam teorema.

Nilai singular dan SVD kompak

Definisi

Untuk T𝔎(H1,H2)T\in\mathfrak{K}(H_1,H_2), tetapkan |T|=(T*T)1/2.|T|=(T^*T)^{1/2}. Nilai eigen positif sns_n dari |T||T|, diulang menurut multiplikitas dan diurutkan tak-menaik, disebut nilai singular TT. Secara ekuivalen, sn2s_n^2 adalah nilai eigen positif dari T*TT^*T.

Operator T*TT^*T kompak, positif, dan swaadjoin. Karena itu Teorema CS-THM-002 berlaku pada T*TT^*T. Akar positifnya |T||T| juga kompak: melalui kalkulus fungsional, fungsi akar pada spektrum dapat didekati seragam oleh polinom yang bernilai nol di 00, sehingga |T||T| merupakan limit norma operator-operator kompak. Jadi teorema tersebut berlaku pula pada |T||T|. Kernel ketiga operator terkait oleh ker|T|=ker(T*T)=kerT,\ker|T|=\ker(T^*T)=\ker T, sebab T*Tx,x=Tx2\langle T^*Tx,x\rangle=\|Tx\|^2.

Dekomposisi nilai singular untuk operator kompak memperoleh bentuk berikut.

Teorema: SVD untuk operator kompak

Misalkan T𝔎(H1,H2)T\in\mathfrak{K}(H_1,H_2). Terdapat daftar hingga (mungkin kosong) atau barisan nilai singular s1s2>0s_1\geq s_2\geq\cdots>0 dan keluarga ortonormal (vn)(v_n) dalam H1H_1 serta (un)(u_n) dalam H2H_2 sedemikian sehingga Tvn=snun,T*un=snvn,Tx=nsnx,vnun,xH1.\begin{align*} T v_n&=s_nu_n, & T^*u_n&=s_nv_n,\\ Tx&=\sum_n s_n\langle x,v_n\rangle u_n, &&x\in H_1. \end{align*} Lebih tepat,

  1. (vn)(v_n) merupakan basis ortonormal ranT*¯=(kerT)\overline{\mathop{\mathrm{ran}}T^*}=(\ker T)^\perp;

  2. (un)(u_n) merupakan basis ortonormal ranT¯=(kerT*)\overline{\mathop{\mathrm{ran}}T}=(\ker T^*)^\perp;

  3. dalam norma operator, T=nsn(unvn);T=\sum_n s_n(u_n\otimes v_n);

  4. untuk daftar tak hingga tetapkan TN=n=1Nsn(unvn)T_N=\sum_{n=1}^Ns_n(u_n\otimes v_n), sedangkan untuk daftar berhingga sepanjang mm tetapkan TN=n=1min{N,m}sn(unvn)T_N=\sum_{n=1}^{\min\{N,m\}}s_n(u_n\otimes v_n); maka TTN=sN+10,\|T-T_N\|=s_{N+1}\longrightarrow0, dengan konvensi sN+1=0s_{N+1}=0 setelah daftar berhingga berakhir, termasuk untuk daftar kosong ketika T=0T=0.

Bukti

Terapkan teorema spektral kompak swaadjoin pada operator positif T*TT^*T. Pilih eigenvektor ortonormal vnv_n dan nilai eigen sn2>0s_n^2>0 sehingga T*Tvn=sn2vn.T^*Tv_n=s_n^2v_n. Tetapkan un=sn1Tvnu_n=s_n^{-1}Tv_n. Maka un,um=1snsmT*Tvn,vm=δnm,\langle u_n,u_m\rangle =\frac{1}{s_ns_m}\langle T^*Tv_n,v_m\rangle =\delta_{nm}, jadi (un)(u_n) ortonormal, dan T*un=sn1T*Tvn=snvnT^*u_n=s_n^{-1}T^*Tv_n=s_nv_n.

Teorema spektral memberi bahwa (vn)(v_n) merentang (ker(T*T))=(kerT)(\ker(T^*T))^\perp=(\ker T)^\perp. Karena TT nol pada kerT\ker T, ekspansi Fourier setiap xH1x\in H_1 menghasilkan Tx=nx,vnTvn=nsnx,vnun.Tx=\sum_n\langle x,v_n\rangle Tv_n =\sum_n s_n\langle x,v_n\rangle u_n. Jadi ranT¯\overline{\mathop{\mathrm{ran}}T} termuat dalam rentang tertutup (un)(u_n), sedangkan setiap un=sn1Tvnu_n=s_n^{-1}Tv_n termasuk dalam ranT\mathop{\mathrm{ran}}T; ini membuktikan (a) dan (b).

Untuk setiap vektor satuan xx, (TTN)x2=n>Nsn2|x,vn|2sN+12.\|(T-T_N)x\|^2 =\sum_{n>N}s_n^2|\langle x,v_n\rangle|^2 \leq s_{N+1}^2. Kesamaan dicapai pada x=vN+1x=v_{N+1} bila suku itu ada. Maka TTN=sN+10\|T-T_N\|=s_{N+1}\to0, yang sekaligus membuktikan (c) dan (d).

Akibat: Pendekatan peringkat hingga terbaik

Jika R:H1H2R\colon H_1\to H_2 berperingkat paling banyak NN, maka TRsN+1.\|T-R\|\geq s_{N+1}. Karena TTN=sN+1\|T-T_N\|=s_{N+1}, pemotongan SVD TNT_N merupakan pendekatan peringkat paling banyak NN yang terbaik dalam norma operator.

Bukti

Jika daftar nilai singular mempunyai paling banyak NN suku, maka sN+1=0s_{N+1}=0 dan ketaksamaannya langsung. Andaikan sN+1s_{N+1} ada. Subruang E=span{v1,,vN+1}E=\mathop{\mathrm{span}}\{v_1,\ldots,v_{N+1}\} berdimensi N+1N+1, sedangkan R|ER|_E berperingkat paling banyak NN. Jadi terdapat vektor satuan xEkerRx\in E\cap\ker R. Tuliskan x=j=1N+1cjvjx=\sum_{j=1}^{N+1}c_jv_j. Karena sjsN+1s_j\geq s_{N+1}, (TR)x2=Tx2=j=1N+1sj2|cj|2sN+12j=1N+1|cj|2=sN+12.\|(T-R)x\|^2=\|Tx\|^2 =\sum_{j=1}^{N+1}s_j^2|c_j|^2 \geq s_{N+1}^2\sum_{j=1}^{N+1}|c_j|^2 =s_{N+1}^2. Dengan mengambil supremum atas vektor satuan diperoleh batas bawah yang diminta; teorema sebelumnya menunjukkan bahwa TNT_N mencapainya.

Proposisi: Hubungan dengan dekomposisi polar

Dalam dekomposisi polar T=U|T|T=U|T|, isometri parsial UU memenuhi Uvn=unUv_n=u_n untuk semua indeks singular. Secara khusus, |T|=nsn(vnvn),U|T|=nsn(unvn)=T.|T|=\sum_n s_n(v_n\otimes v_n), \qquad U|T|=\sum_n s_n(u_n\otimes v_n)=T.

Bukti

Karena |T|vn=snvn|T|v_n=s_nv_n dan Tvn=snunTv_n=s_nu_n, persamaan T=U|T|T=U|T| memberi snUvn=snuns_nUv_n=s_nu_n. Nilai sns_n positif, sehingga Uvn=unUv_n=u_n. Kedua ekspansi kemudian mengikuti dari teorema spektral bagi |T||T| dan konvergensi norma dalam Teorema CS-THM-003.

Contoh: Matriks sebagai kasus berhingga

Jika H1=nH_1=\mathbb{C}^n dan H2=mH_2=\mathbb{C}^m, semua operator otomatis kompak. Setelah (vn)(v_n) dan (un)(u_n) diperluas menjadi basis ortonormal pada domain dan kodomain, matriks operator mengambil bentuk T=UΣV*,T=U\Sigma V^*, dengan UU dan VV uniter serta Σ\Sigma diagonal-persegi-panjang yang entri tak nolnya adalah s1s2s_1\geq s_2\geq\cdots. Jadi teorema di atas tepat memperluas SVD matriks ke operator kompak antar-ruang Hilbert.

Peta penggunaan

Urutan konseptualnya bergerak dari operator kompak (Bab 7), melalui spektrum (Bab 8), menuju Teorema CS-THM-001, teorema spektral kompak swaadjoin, lalu SVD. Prasyarat pembuktiannya lebih rinci:

  1. pembuktian Riesz–Schauder memakai alternatif Fredholm yang telah dibuktikan pada Bab 15;

  2. teorema spektral kompak swaadjoin memakai hasil tersebut bersama geometri ruang Hilbert dari Bab 4;

  3. konstruksi |T|=(T*T)1/2|T|=(T^*T)^{1/2} dan SVD juga memakai akar positif dan kalkulus fungsional kontinu dari Bab 11.

Peta ini ditempatkan setelah seluruh buku agar tidak menimbulkan ketergantungan melingkar dan tidak menggandakan pembuktian Fredholm dari Bab 15.