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 dan menyatakan ruang Hilbert, sedangkan menyatakan ruang Banach. Jika dan , kita memakai notasi peringkat-satu
Konsekuensi spektral Riesz–Schauder
Definisi
Jika dan , maka ruang eigen untuk adalah . Dimensinya disebut multiplikitas geometrik nilai eigen .
Teorema: Konsekuensi spektral Riesz–Schauder
Misalkan ruang Banach kompleks berdimensi tak hingga dan . Maka:
setiap merupakan nilai eigen;
setiap ruang eigen untuk berdimensi hingga;
untuk setiap , hanya ada berhingga banyak nilai eigen berbeda yang memenuhi ;
paling banyak terhitung, setiap titiknya terisolasi dalam spektrum, dan satu-satunya titik akumulasi yang mungkin adalah ;
.
Bukti
Ambil . Operator 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 , operator tidak injektif; dengan kata lain, adalah nilai eigen. Alternatif Fredholm yang sama juga memberi yang membuktikan (a) dan (b) tanpa mengulang argumen Fredholm.
Untuk (c), andaikan terdapat nilai eigen berbeda dengan , dan pilih eigenvektor . Eigenvektor untuk nilai eigen berbeda bebas linear. Tuliskan . Menurut lema Riesz, kita dapat memilih dengan dan Karena , berlaku . Untuk juga . Akibatnya Namun barisan terbatas oleh , sehingga kekompakan mengharuskan mempunyai subbarisan konvergen. Ini bertentangan dengan pemisahan di atas. Jadi (c) benar.
Terakhir, adalah gabungan terhitung himpunan-himpunan berhingga. Pernyataan isolasi dan akumulasi mengikuti langsung dari (c), sehingga (d) terbukti. Jika , maka invertibel dan 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 , tetapkan Operator ini kompak dan swaadjoin. Nilai eigennya adalah , masing-masing bermultiplikitas satu, dan . Contoh ini memperlihatkan bahwa nol memang dapat menjadi titik akumulasi dan bahwa jangkauan operator kompak tidak harus tertutup.
Teorema spektral kompak swaadjoin
Lema
Jika swaadjoin dan , maka mempunyai nilai eigen real dengan .
Bukti
Untuk operator swaadjoin, hasil tentang jangkauan numerik di Bab 5 memberi Pilih vektor satuan sehingga nilai mutlak di ruas kanan menuju . Karena bentuk kuadratik swaadjoin bernilai real, setelah mengambil subbarisan terdapat dengan . Untuk , misalnya, Kasus sama dengan memakai . Kekompakan memberi subbarisan yang konvergen. Karena dan , subbarisan sendiri konvergen ke suatu vektor satuan . Dengan mengambil limit diperoleh . Jadi adalah nilai eigen real dan .
Lema
Jika swaadjoin, maka ruang eigen untuk dua nilai eigen berbeda saling ortogonal. Selain itu, komplemen ortogonal setiap ruang eigen invarian terhadap .
Bukti
Misalkan dan . Nilai dan real, dan Jika , maka . Jika tegak lurus ruang eigen , maka untuk setiap , sehingga .
Teorema: Teorema spektral untuk operator kompak swaadjoin
Misalkan swaadjoin. Terdapat himpunan ortonormal yang terdiri atas eigenvektor untuk nilai eigen tak nol sedemikian sehingga
setiap nilai eigen tak nol diulang menurut multiplikitasnya yang hingga;
bila daftarnya tak hingga, ;
;
untuk setiap ,
jika daftar tak hingga, tetapkan ; jika daftar berhingga memiliki panjang , tetapkan . Dengan urutan , berlaku , dengan supremum himpunan indeks kosong didefinisikan sebagai .
Dengan menambahkan sembarang basis ortonormal bagi , kita memperoleh basis ortonormal seluruh yang terdiri atas eigenvektor .
Bukti
Jika , ambil daftar kosong dan hasilnya langsung benar. Jika , teorema spektral kompleks berdimensi hingga dari Bab 1, Teorema 1.2.53, memberikan basis ortonormal eigenvektor; setelah eigenvektor bernilai eigen nol dipindahkan ke , semua butir di atas mengikuti, termasuk konvensi ekor kosong pada (e). Karena itu, selanjutnya andaikan dan . 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 dengan nilai eigen terkait . Teorema Riesz–Schauder yang sama memberi bila barisan itu tak hingga.
Misalkan . Komplemen invarian. Jika tidak nol, Lemma CS-LEM-001 akan memberi eigenvektor tak nol lain yang tegak lurus semua , bertentangan dengan pemilihan seluruh ruang eigen tak nol. Jadi dan . Sebaliknya, setiap vektor dalam tegak lurus semua ruang eigen dengan nilai eigen tak nol, sehingga . Ini membuktikan (c).
Uraikan dengan . Kontinuitas memberi deret pada (d). Untuk ekor operator, ortonormalitas memberi Jadi . Arah sebaliknya diperoleh dengan menerapkan pada setiap dengan dan mengambil supremum. Maka (e) benar dan merupakan limit norma operator-operator spektral berperingkat hingga tersebut.
Akibat
Jika juga positif dan , maka semua dan
Bukti
Untuk eigenvektor satuan , . Karena daftar hanya memuat nilai eigen tak nol, semuanya positif. Pernyataan norma mengikuti pengurutan dalam teorema.
Nilai singular dan SVD kompak
Definisi
Untuk , tetapkan Nilai eigen positif dari , diulang menurut multiplikitas dan diurutkan tak-menaik, disebut nilai singular . Secara ekuivalen, adalah nilai eigen positif dari .
Operator kompak, positif, dan swaadjoin. Karena itu Teorema CS-THM-002 berlaku pada . Akar positifnya juga kompak: melalui kalkulus fungsional, fungsi akar pada spektrum dapat didekati seragam oleh polinom yang bernilai nol di , sehingga merupakan limit norma operator-operator kompak. Jadi teorema tersebut berlaku pula pada . Kernel ketiga operator terkait oleh sebab .
Dekomposisi nilai singular untuk operator kompak memperoleh bentuk berikut.
Teorema: SVD untuk operator kompak
Misalkan . Terdapat daftar hingga (mungkin kosong) atau barisan nilai singular dan keluarga ortonormal dalam serta dalam sedemikian sehingga Lebih tepat,
merupakan basis ortonormal ;
merupakan basis ortonormal ;
dalam norma operator,
untuk daftar tak hingga tetapkan , sedangkan untuk daftar berhingga sepanjang tetapkan ; maka dengan konvensi setelah daftar berhingga berakhir, termasuk untuk daftar kosong ketika .
Bukti
Terapkan teorema spektral kompak swaadjoin pada operator positif . Pilih eigenvektor ortonormal dan nilai eigen sehingga Tetapkan . Maka jadi ortonormal, dan .
Teorema spektral memberi bahwa merentang . Karena nol pada , ekspansi Fourier setiap menghasilkan Jadi termuat dalam rentang tertutup , sedangkan setiap termasuk dalam ; ini membuktikan (a) dan (b).
Untuk setiap vektor satuan , Kesamaan dicapai pada bila suku itu ada. Maka , yang sekaligus membuktikan (c) dan (d).
Akibat: Pendekatan peringkat hingga terbaik
Jika berperingkat paling banyak , maka Karena , pemotongan SVD merupakan pendekatan peringkat paling banyak yang terbaik dalam norma operator.
Bukti
Jika daftar nilai singular mempunyai paling banyak suku, maka dan ketaksamaannya langsung. Andaikan ada. Subruang berdimensi , sedangkan berperingkat paling banyak . Jadi terdapat vektor satuan . Tuliskan . Karena , Dengan mengambil supremum atas vektor satuan diperoleh batas bawah yang diminta; teorema sebelumnya menunjukkan bahwa mencapainya.
Proposisi: Hubungan dengan dekomposisi polar
Dalam dekomposisi polar , isometri parsial memenuhi untuk semua indeks singular. Secara khusus,
Bukti
Karena dan , persamaan memberi . Nilai positif, sehingga . Kedua ekspansi kemudian mengikuti dari teorema spektral bagi dan konvergensi norma dalam Teorema CS-THM-003.
Contoh: Matriks sebagai kasus berhingga
Jika dan , semua operator otomatis kompak. Setelah dan diperluas menjadi basis ortonormal pada domain dan kodomain, matriks operator mengambil bentuk dengan dan uniter serta diagonal-persegi-panjang yang entri tak nolnya adalah . 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:
pembuktian Riesz–Schauder memakai alternatif Fredholm yang telah dibuktikan pada Bab 15;
teorema spektral kompak swaadjoin memakai hasil tersebut bersama geometri ruang Hilbert dari Bab 4;
konstruksi 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.