Solusi Bab 5: Operator pada Ruang Hilbert
Komponen solusi asli terpisah, CC BY-SA 4.0. Ditulis dengan bantuan OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra, atas arahan pengguna. Pernyataan latihan berasal dari edisi terjemahan karya John M. Erdman; solusi ini bukan tulisan beliau dan tidak menyiratkan dukungan beliau atau Portland State University.
Solusi 1
Identitas dan ikatan provenans
- ID solusi
O001-FAOA-2015-CH05-EX-001-SOLUTION- ID latihan sumber
FAOA-2015-CH05-NODE-0034- SHA-256 pernyataan terjemahan
ee6308dea448da22e9841970db96f86a106225688b6a5aef98ca4b39f1d20a35
Pernyataan latihan sumber
Misalkan dan ukuran pencacahan pada .
Identifikasilah ruang Hilbert .
Identifikasilah operator perkalian pada .
Misalkan operator linear pada yang representasi matriksnya adalah Gunakan operator untuk mengilustrasikan rumusan teorema spektral sebelumnya.
Jawaban ringkas
(a) dengan . (b) Operator perkalian adalah . (c) Matriks mempunyai nilai eigen dengan basis ortonormal Jadi ekuivalen secara uniter dengan operator perkalian oleh fungsi , , pada .
Penyelesaian lengkap
Karena ukuran setiap singleton sama dengan satu, kelas fungsi pada ditentukan oleh tiga nilainya dan Ini memberikan identifikasi isometrik dalam (a). Perkalian titik demi titik oleh kemudian mempunyai matriks diagonal yang dinyatakan dalam (b), dan setiap operator perkalian diperoleh dengan cara itu.
Untuk matriks pada (c), ekspansi determinan memberi Substitusi langsung menunjukkan Ketiga vektor yang ditampilkan bernorma satu dan hasil kali dalam setiap pasangannya nol, sehingga membentuk basis ortonormal. Definisikan dengan , , dan . Maka uniter dan, untuk , Karena vektor-vektor itu suatu basis, . Ini tepat rumusan teorema spektral: operator normal (di sini bahkan swaadjoin) ekuivalen secara uniter dengan operator perkalian.
Solusi 2
Identitas dan ikatan provenans
- ID solusi
O001-FAOA-2015-CH05-EX-002-SOLUTION- ID latihan sumber
FAOA-2015-CH05-NODE-0038- SHA-256 pernyataan terjemahan
a4478e29765c8fb04487e45bd6b6fd8fdd22d706e22b5fab1b6b7f7294f1952c
Pernyataan latihan sumber
Misalkan adalah operator Volterra yang didefinisikan di atas.
Tunjukkan bahwa injektif.
Hitunglah .
Tentukan beserta jangkauannya.
Jawaban ringkas
injektif, dan adalah subruang satu-dimensi semua fungsi konstan pada .
Penyelesaian lengkap
Untuk , fungsi mempunyai wakil kontinu mutlak dan hampir di mana-mana. Jika sebagai anggota , maka hampir di mana-mana. Kekontinuan memaksa di setiap titik, sehingga hampir di mana-mana. Jadi injektif.
Teorema Fubini dapat diterapkan karena, dengan Cauchy–Schwarz, integral mutlak pada segitiga berhingga. Untuk , Karena ruangnya real, ini sama dengan untuk rumus dalam jawaban. Akhirnya, Jadi setiap citra konstan. Sebaliknya, fungsi konstan menghasilkan fungsi konstan bernilai , sehingga jangkauannya tepat semua fungsi konstan.
Solusi 3
Identitas dan ikatan provenans
- ID solusi
O001-FAOA-2015-CH05-EX-003-SOLUTION- ID latihan sumber
FAOA-2015-CH05-NODE-0051- SHA-256 pernyataan terjemahan
a360c061f372f76160bf31105405bc47db3322f73be4c99931a6f4e167c6eb0d
Pernyataan latihan sumber
Misalkan adalah basis ortonormal bagi ruang Hilbert . Bahas transformasi linear pada sedemikian sehingga untuk setiap . Berikan contoh tak trivial.
Jawaban ringkas
Jika terbatas, maka . Namun pada ruang Hilbert berdimensi tak hingga terdapat transformasi linear tak kontinu dan tak nol yang menghilang pada setiap vektor suatu basis ortonormal.
Penyelesaian lengkap
Rentang linear padat dalam . Jika terbatas, untuk setiap pilih jaring (atau barisan jika basisnya terhitung) dari yang konvergen dalam norma ke . Hipotesis memberi , sehingga kekontinuan menghasilkan .
Untuk contoh tak trivial, ambil , , dan Vektor tidak berada dalam rentang linear hingga , sehingga bebas linear. Perluas himpunan ini menjadi basis Hamel untuk . Definisikan pada basis Hamel dengan lalu perluas secara linear. Maka untuk setiap , tetapi . Transformasi ini harus tak terbatas, sebab seandainya terbatas, argumen kepadatan pada paragraf pertama akan memaksanya sama dengan nol. Dalam dimensi hingga, basis ortonormal sekaligus basis Hamel, sehingga contoh tak trivial tidak mungkin ada.
Solusi 4
Identitas dan ikatan provenans
- ID solusi
O001-FAOA-2015-CH05-EX-004-SOLUTION- ID latihan sumber
FAOA-2015-CH05-NODE-0075- SHA-256 pernyataan terjemahan
84852f969329993492bb16e9519447052b491750458f20a6faa9aa1a87069596
Pernyataan latihan sumber
Misalkan ruang Hilbert kompleks dan operator positif pada . Definisikan untuk semua .
Buktikan bahwa merupakan norma jika dan hanya jika .
Misalkan . Tunjukkan bahwa norma dan menginduksi topologi yang sama pada jika dan hanya jika invertibel dalam . Petunjuk. Ketika terdapat dua topologi pada , sering kali berguna untuk mempertimbangkan operator identitas pada .
Misalkan invertibel dalam . Untuk , carilah suatu rumus bagi adjoin dari terhadap hasil kali dalam .
Jawaban ringkas
(a) adalah norma tepat ketika . (b) Kedua norma menginduksi topologi yang sama tepat ketika invertibel. (c) Jika menyatakan adjoin terhadap hasil kali dalam baru, maka
Penyelesaian lengkap
Bentuk bersifat seskuilinear dan Hermitian karena , serta . Ketaksamaan Cauchy–Schwarz untuk bentuk positif memberi Jika , ruas kanan menunjukkan untuk semua , jadi . Sebaliknya, langsung memberi . Maka bentuk itu definit positif, dan akar kuadratnya norma, tepat ketika . Ini membuktikan (a), termasuk ketaksamaan segitiga yang merupakan konsekuensi Cauchy–Schwarz bagi hasil kali dalam .
Selalu berlaku jadi identitas kontinu. Kedua topologi sama tepat ketika identitas sebaliknya kontinu, yaitu ketika ada sehingga Jika (1) berlaku dan , maka sehingga . Jadi injektif dan jangkauannya tertutup. Selain itu , sehingga jangkauannya padat. Ia karena itu sama dengan , dan invers terbatas dengan norma paling besar .
Sebaliknya, andaikan invertibel. Inversnya positif: jika , maka Gunakan Cauchy–Schwarz untuk bentuk positif : Untuk , pembagian dengan memberi , yaitu (1). Ini menyelesaikan (b).
Untuk (c), tetapkan , yang terbatas karena ketiga faktornya terbatas. Untuk semua , Jadi, menurut definisi adjoin dalam hasil kali dalam baru, . Urutan faktor ini juga memeriksa bahwa rumus sesuai dengan konvensi edisi bahwa hasil kali dalam linear pada variabel pertama.