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

Terhubung ke latihan pada reader teks sumber. Solusi ini merupakan komponen asli terpisah.

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 3={1,2,3}\mathbb{N}_3 = \{1,2,3\} dan μ\mu ukuran pencacahan pada 3\mathbb{N}_3.

  1. Identifikasilah ruang Hilbert L2(3,μ)L_2(\mathbb{N}_3,\mu).

  2. Identifikasilah operator perkalian pada L2(3,μ)L_2(\mathbb{N}_3,\mu).

  3. Misalkan TT operator linear pada 3\mathbb{C}^3 yang representasi matriksnya adalah [201021111].\begin{bmatrix} 2 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 1 \end{bmatrix}. Gunakan operator TT untuk mengilustrasikan rumusan teorema spektral sebelumnya.

Jawaban ringkas

(a) L2(3,μ)=3L_2(\mathbb{N}_3,\mu)=\mathbb{C}^3 dengan x,y=j=13xjyj¯\langle x,y\rangle=\sum_{j=1}^3x_j\overline{y_j}. (b) Operator perkalian adalah Mϕ=diag(ϕ(1),ϕ(2),ϕ(3))M_\phi=\mathop{\mathrm{diag}}(\phi(1),\phi(2),\phi(3)). (c) Matriks TT mempunyai nilai eigen 0,2,30,2,3 dengan basis ortonormal u0=(1,1,2)6,u2=(1,1,0)2,u3=(1,1,1)3.u_0=\frac{(-1,1,2)}{\sqrt6},\qquad u_2=\frac{(1,1,0)}{\sqrt2},\qquad u_3=\frac{(1,-1,1)}{\sqrt3}. Jadi TT ekuivalen secara uniter dengan operator perkalian oleh fungsi ϕ(1)=0\phi(1)=0, ϕ(2)=2\phi(2)=2, ϕ(3)=3\phi(3)=3 pada L2(3,μ)L_2(\mathbb{N}_3,\mu).

Penyelesaian lengkap

Karena ukuran setiap singleton sama dengan satu, kelas fungsi pada 3\mathbb{N}_3 ditentukan oleh tiga nilainya dan f22=j=13|f(j)|2.\lVert f\rVert_2^2=\sum_{j=1}^3\lvert f(j)\rvert^2. Ini memberikan identifikasi isometrik dalam (a). Perkalian titik demi titik oleh ϕ\phi kemudian mempunyai matriks diagonal yang dinyatakan dalam (b), dan setiap operator perkalian diperoleh dengan cara itu.

Untuk matriks AA pada (c), ekspansi determinan memberi det(λIA)=λ(λ2)(λ3).\det(\lambda I-A)=\lambda(\lambda-2)(\lambda-3). Substitusi langsung menunjukkan Au0=0,Au2=2u2,Au3=3u3.Au_0=0,\qquad Au_2=2u_2,\qquad Au_3=3u_3. Ketiga vektor yang ditampilkan bernorma satu dan hasil kali dalam setiap pasangannya nol, sehingga membentuk basis ortonormal. Definisikan U:L2(3,μ)3U\colon L_2(\mathbb{N}_3,\mu)\to\mathbb{C}^3 dengan Uδ1=u0U\delta_1=u_0, Uδ2=u2U\delta_2=u_2, dan Uδ3=u3U\delta_3=u_3. Maka UU uniter dan, untuk j=1,2,3j=1,2,3, TUδj=ϕ(j)Uδj=UMϕδj.TU\delta_j=\phi(j)U\delta_j=UM_\phi\delta_j. Karena vektor-vektor itu suatu basis, T=UMϕU1T=UM_\phi U^{-1}. Ini tepat rumusan teorema spektral: operator normal (di sini bahkan swaadjoin) ekuivalen secara uniter dengan operator perkalian.

Solusi 2

Terhubung ke latihan pada reader teks sumber. Solusi ini merupakan komponen asli terpisah.

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 VV adalah operator Volterra yang didefinisikan di atas.

  1. Tunjukkan bahwa VV injektif.

  2. Hitunglah V*V^*.

  3. Tentukan V+V*V + V^* beserta jangkauannya.

Jawaban ringkas

VV injektif, (V*g)(t)=t1g(x)dx,((V+V*)f)(x)=01f(t)dt,(V^*g)(t)=\int_t^1g(x)\,dx, \qquad ((V+V^*)f)(x)=\int_0^1f(t)\,dt, dan ran(V+V*)\mathop{\mathrm{ran}}(V+V^*) adalah subruang satu-dimensi semua fungsi konstan pada [0,1][0,1].

Penyelesaian lengkap

Untuk fL2([0,1])f\in L_2([0,1]), fungsi F(x)=0xf(t)dtF(x)=\int_0^x f(t)\,dt mempunyai wakil kontinu mutlak dan F=fF'=f hampir di mana-mana. Jika Vf=0Vf=0 sebagai anggota L2L_2, maka F=0F=0 hampir di mana-mana. Kekontinuan FF memaksa F=0F=0 di setiap titik, sehingga f=F=0f=F'=0 hampir di mana-mana. Jadi VV injektif.

Teorema Fubini dapat diterapkan karena, dengan Cauchy–Schwarz, integral mutlak pada segitiga 0tx10\leq t\leq x\leq1 berhingga. Untuk f,gL2f,g\in L_2, Vf,g=01(0xf(t)dt)g(x)dx=01f(t)(t1g(x)dx)dt.\begin{align*} \langle Vf,g\rangle &=\int_0^1\left(\int_0^x f(t)\,dt\right)g(x)\,dx\\ &=\int_0^1 f(t)\left(\int_t^1g(x)\,dx\right)dt. \end{align*} Karena ruangnya real, ini sama dengan f,V*g\langle f,V^*g\rangle untuk rumus V*V^* dalam jawaban. Akhirnya, ((V+V*)f)(x)=0xf(t)dt+x1f(t)dt=01f(t)dt.((V+V^*)f)(x) =\int_0^xf(t)\,dt+\int_x^1f(t)\,dt =\int_0^1f(t)\,dt. Jadi setiap citra konstan. Sebaliknya, fungsi konstan f=cf=c menghasilkan fungsi konstan bernilai cc, sehingga jangkauannya tepat semua fungsi konstan.

Solusi 3

Terhubung ke latihan pada reader teks sumber. Solusi ini merupakan komponen asli terpisah.

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 \mathcal{E} adalah basis ortonormal bagi ruang Hilbert HH. Bahas transformasi linear TT pada HH sedemikian sehingga T(e)=0T(e) = 0 untuk setiap ee \in \mathcal{E}. Berikan contoh tak trivial.

Jawaban ringkas

Jika TT terbatas, maka T=0T=0. 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 span\mathop{\mathrm{span}}\mathcal{E} padat dalam HH. Jika TT terbatas, untuk setiap xHx\in H pilih jaring (atau barisan jika basisnya terhitung) xαx_\alpha dari span\mathop{\mathrm{span}}\mathcal{E} yang konvergen dalam norma ke xx. Hipotesis memberi Txα=0Tx_\alpha=0, sehingga kekontinuan menghasilkan Tx=0Tx=0.

Untuk contoh tak trivial, ambil H=l2H=l_2, ={en:n}\mathcal{E}=\{e^n:n\in\mathbb{N}\}, dan u=(1,1/2,1/3,)l2.u=(1,1/2,1/3,\ldots)\in l_2. Vektor uu tidak berada dalam rentang linear hingga span\mathop{\mathrm{span}}\mathcal{E}, sehingga {u}\mathcal{E}\cup\{u\} bebas linear. Perluas himpunan ini menjadi basis Hamel \mathcal{B} untuk l2l_2. Definisikan TT pada basis Hamel dengan T(u)=e1,T(b)=0(b\{u}),T(u)=e^1,\qquad T(b)=0\quad(b\in\mathcal{B}\setminus\{u\}), lalu perluas secara linear. Maka T(en)=0T(e^n)=0 untuk setiap nn, tetapi T(u)=e10T(u)=e^1\neq0. 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

Terhubung ke latihan pada reader teks sumber. Solusi ini merupakan komponen asli terpisah.

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 HH ruang Hilbert kompleks dan TT operator positif pada HH. Definisikan x,y1:=Tx,y dan x1x,x1\langle x,y \rangle_1 := \langle Tx,y \rangle \qquad \text{ dan } \qquad \lVert x\rVert_1 \equiv \sqrt{\langle x,x \rangle_1} untuk semua xHx \in H.

  1. Buktikan bahwa 1\lVert\mathord{\cdot}\rVert_1 merupakan norma jika dan hanya jika kerT={0}\ker T = \{0\}.

  2. Misalkan kerT={0}\ker T = \{0\}. Tunjukkan bahwa norma \lVert\mathord{\cdot}\rVert dan 1\lVert\mathord{\cdot}\rVert_1 menginduksi topologi yang sama pada HH jika dan hanya jika TT invertibel dalam 𝔅(H)\mathfrak{B}(H). Petunjuk. Ketika terdapat dua topologi pada HH, sering kali berguna untuk mempertimbangkan operator identitas pada HH.

  3. Misalkan TT invertibel dalam 𝔅(H)\mathfrak{B}(H). Untuk S𝔅(H)S \in \mathfrak{B}(H), carilah suatu rumus bagi adjoin dari SS terhadap hasil kali dalam ,1\langle \mathord{\cdot} , \mathord{\cdot} \rangle_1.

Jawaban ringkas

(a) 1\lVert\mathord{\cdot}\rVert_1 adalah norma tepat ketika kerT={0}\ker T=\{0\}. (b) Kedua norma menginduksi topologi yang sama tepat ketika TT invertibel. (c) Jika S*1S^{*_1} menyatakan adjoin terhadap hasil kali dalam baru, maka S*1=T1S*T.S^{*_1}=T^{-1}S^*T.

Penyelesaian lengkap

Bentuk [x,y]=Tx,y[x,y]=\langle Tx,y\rangle bersifat seskuilinear dan Hermitian karena T=T*T=T^*, serta [x,x]0[x,x]\geq0. Ketaksamaan Cauchy–Schwarz untuk bentuk positif memberi |[x,y]|2[x,x][y,y].\lvert[x,y]\rvert^2\leq[x,x][y,y]. Jika [x,x]=0[x,x]=0, ruas kanan menunjukkan Tx,y=0\langle Tx,y\rangle=0 untuk semua yy, jadi Tx=0Tx=0. Sebaliknya, Tx=0Tx=0 langsung memberi [x,x]=0[x,x]=0. Maka bentuk itu definit positif, dan akar kuadratnya norma, tepat ketika kerT={0}\ker T=\{0\}. Ini membuktikan (a), termasuk ketaksamaan segitiga yang merupakan konsekuensi Cauchy–Schwarz bagi hasil kali dalam [,][\ ,\ ].

Selalu berlaku x12=Tx,xTx2,\lVert x\rVert_1^2=\langle Tx,x\rangle\leq\lVert T\rVert\,\lVert x\rVert^2, jadi identitas I:(H,)(H,1)I\colon(H,\lVert\mathord{\cdot}\rVert)\to (H,\lVert\mathord{\cdot}\rVert_1) kontinu. Kedua topologi sama tepat ketika identitas sebaliknya kontinu, yaitu ketika ada c>0c>0 sehingga xcx1(xH).\lVert x\rVert\leq c\lVert x\rVert_1\quad(x\in H). \tag{1} Jika (1) berlaku dan δ=c2\delta=c^{-2}, maka δx2Tx,xTxx,\delta\lVert x\rVert^2\leq\langle Tx,x\rangle \leq\lVert Tx\rVert\lVert x\rVert, sehingga Txδx\lVert Tx\rVert\geq\delta\lVert x\rVert. Jadi TT injektif dan jangkauannya tertutup. Selain itu (ranT)=kerT*=kerT={0}(\mathop{\mathrm{ran}}T)^\perp=\ker T^*=\ker T=\{0\}, sehingga jangkauannya padat. Ia karena itu sama dengan HH, dan invers T1T^{-1} terbatas dengan norma paling besar δ1\delta^{-1}.

Sebaliknya, andaikan TT invertibel. Inversnya positif: jika y=Txy=Tx, maka T1y,y=x,Tx=Tx,x0.\langle T^{-1}y,y\rangle=\langle x,Tx\rangle =\langle Tx,x\rangle\geq0. Gunakan Cauchy–Schwarz untuk bentuk positif [u,v]=Tu,v[u,v]=\langle Tu,v\rangle: x2=T(T1x),xT(T1x),T1x1/2Tx,x1/2=x,T1x1/2x1T11/2xx1.\begin{align*} \lVert x\rVert^2 &=\langle T(T^{-1}x),x\rangle\\ &\leq \langle T(T^{-1}x),T^{-1}x\rangle^{1/2} \langle Tx,x\rangle^{1/2}\\ &=\langle x,T^{-1}x\rangle^{1/2}\lVert x\rVert_1 \leq\lVert T^{-1}\rVert^{1/2}\lVert x\rVert\,\lVert x\rVert_1. \end{align*} Untuk x0x\neq0, pembagian dengan x\lVert x\rVert memberi xT11/2x1\lVert x\rVert\leq\lVert T^{-1}\rVert^{1/2}\lVert x\rVert_1, yaitu (1). Ini menyelesaikan (b).

Untuk (c), tetapkan A=T1S*TA=T^{-1}S^*T, yang terbatas karena ketiga faktornya terbatas. Untuk semua x,yHx,y\in H, Sx,y1=TSx,y=Sx,Ty=x,S*Ty=Tx,T1S*Ty=x,Ay1.\begin{align*} \langle Sx,y\rangle_1 &=\langle TSx,y\rangle =\langle Sx,Ty\rangle =\langle x,S^*Ty\rangle\\ &=\langle Tx,T^{-1}S^*Ty\rangle =\langle x,Ay\rangle_1. \end{align*} Jadi, menurut definisi adjoin dalam hasil kali dalam baru, S*1=A=T1S*TS^{*_1}=A=T^{-1}S^*T. Urutan faktor ini juga memeriksa bahwa rumus sesuai dengan konvensi edisi bahwa hasil kali dalam linear pada variabel pertama.