Teori Operator

Batas sumber. Bagian ini mengikat funct_anal.tex baris 1009-1743 pada sumber beku.

Teori Operator

Operator Terbatas

Kita mulai dengan meninjau beberapa definisi tentang pemetaan antara ruang-ruang Banach. Dalam bagian ini, XX dan YY adalah dua ruang Banach atas bilangan kompleks.

Definisi. Suatu operator linear atau pemetaan linear dari XX ke YY adalah fungsi A:X→YA:X \rightarrow Y sedemikian sehingga A(λ1x1+λ2x2)=λ1A(x1)+λ2A(x2)A(\lambda_1 x_1 + \lambda_2 x_2) = \lambda_1 A(x_1) + \lambda_2 A(x_2) untuk semua λ1,λ2∈ℂ\lambda_1, \lambda_2 \in \mathbb{C} dan x1,x2∈Xx_1, x_2 \in X. Jika Y=ℂY=\mathbb{C}, operator linear AA disebut fungsional linear.

Citra dari AA adalah ruang linear ℛ(A)={y∈Y:y=A(x)untuk suatux∈X}\displaystyle\mathcal{R}(A) = \left\{ y \in Y : y = A(x) \ \text{untuk suatu} \ x\in X\right\}. Kernel dari AA adalah ruang linear 𝒩(A)={x∈X:A(x)=0}\displaystyle\mathcal{N}(A) = \left\{ x \in X : A(x) = 0 \right\}.

Definisi. Suatu operator linear A:X→YA:X\rightarrow Y disebut terbatas jika terdapat konstanta C≥0C\geq 0 sedemikian sehingga ∥A(x)∥≤C∥x∥\|A(x)\| \leq C \|x\| untuk semua x∈Xx\in X. Ruang operator linear terbatas dari XX ke YY dinotasikan dengan ℒ(X,Y)\mathcal{L}(X,Y). Jika Y=XY=X, ruang operator linear terbatas pada XX cukup dinotasikan dengan ℒ(X)\mathcal{L}(X).

Hasil-hasil berikut merupakan hasil fundamental mengenai operator linear terbatas antara ruang-ruang Banach.

Proposisi. Misalkan

∥A∥=supx∈X∥x∥=1∥A(x)∥,A∈ℒ(X,Y).\|A\| = \sup_{\substack{x\in X\\ \|x\|=1}} \|A(x)\| \quad , \quad A \in \mathcal{L}(X,Y) \ .

  1. ∥⋅∥\|\cdot\| mendefinisikan suatu norma pada ℒ(X,Y)\mathcal{L}(X,Y) yang disebut norma terinduksi dari XX dan YY.

  2. Dengan norma ∥⋅∥\|\cdot\|, ℒ(X,Y)\mathcal{L}(X,Y) merupakan ruang Banach.

Teorema. Jika A∈ℒ(X,Y)A\in \mathcal{L}(X,Y) surjektif, maka citra suatu himpunan terbuka adalah himpunan terbuka.

Teorema. Jika A∈ℒ(X,Y)A\in \mathcal{L}(X,Y) injektif dan surjektif, maka A−1∈ℒ(Y,X)\displaystyle A^{-1} \in \mathcal{L}(Y,X).

Definisi. Graf suatu operator linear A:X→YA:X\rightarrow Y adalah subruang

𝒢(A)={(x,A(x)):x∈X}⊂X×Y.\mathcal{G}(A) = \left\{ (x,A(x)) : x \in X \right\} \subset X \times Y \ . Suatu operator linear A:X→YA:X\rightarrow Y disebut tertutup jika grafnya tertutup dalam X×YX\times Y. Dengan kata lain, suatu operator linear A:X→YA:X \rightarrow Y tertutup jika, untuk setiap barisan konvergen {(xn,A(xn))}n=0∞⊂𝒢(A)\displaystyle\left\{ (x_n, A(x_n)) \right\}_{n=0}^\infty \subset \mathcal{G}(A), kita mempunyai (x,y)=lim⁡n→∞(xn,A(xn))∈𝒢(A)\displaystyle(x,y) = \lim_{n\to\infty} (x_n, A(x_n)) \in \mathcal{G}(A); yakni, y=A(x)y=A(x).

Teorema. Jika A:X→YA:X\rightarrow Y adalah operator linear tertutup, maka A∈ℒ(X,Y)A \in \mathcal{L}(X,Y).

Definisi. Himpunan resolven ρ(A)\rho(A) dari A∈ℒ(X)A \in \mathcal{L}(X) adalah himpunan semua λ∈ℂ\lambda \in \mathbb{C} sedemikian sehingga A−λId⁡:X→XA-\lambda \operatorname{Id}: X \rightarrow X injektif dan surjektif. Spektrum dari A∈ℒ(X)A \in \mathcal{L}(X) adalah himpunan σ(A)=ℂ\ρ(A)\sigma(A) = \mathbb{C}\setminus \rho(A).

Dari Teorema Pemetaan Terbuka, kita memperoleh bahwa (A−λId⁡)−1∈ℒ(X)\displaystyle(A-\lambda \operatorname{Id})^{-1} \in \mathcal{L}(X) jika λ\lambda berada dalam himpunan resolven AA.

Definisi. Jika λ\lambda berada dalam himpunan resolven AA, maka Rλ(A)=(A−λId⁡)−1\displaystyle R_\lambda(A) = (A-\lambda\operatorname{Id})^{-1} disebut resolven dari AA.

λ∈σ(A)\lambda \in \sigma(A) jika A−λIdA-\lambda \operatorname{Id} tidak injektif, atau A−λIdA-\lambda \operatorname{Id} tidak surjektif, atau keduanya.

Definisi. Jika A−λIdA-\lambda \operatorname{Id} tidak injektif, maka λ\lambda disebut nilai eigen dari AA. Kita mempunyai 𝒩(A−λId⁡)≠{0}\mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}) \neq \{0\} dan unsur-unsur 𝒩(A−λId⁡)\{0}\mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}) \setminus \{0\} disebut vektor eigen yang bersesuaian dengan λ\lambda. 𝒩(A−λId⁡)\mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}) disebut ruang eigen yang bersesuaian dengan λ\lambda.

Jika xx adalah vektor eigen yang bersesuaian dengan λ\lambda, maka Ax=λxAx = \lambda x.

Proposisi. Jika A∈ℒ(X)A \in \mathcal{L}(X) dan λ∈σ(A)\lambda \in \sigma(A), maka |λ|≤∥A∥|\lambda|\leq \|A\|.

Definisi. Jari-jari spektral dari A∈ℒ(X)A\in \mathcal{L}(X) didefinisikan sebagai rσ(A)=sup⁡λ∈σ(A)|λ|\displaystyle r_\sigma(A) = \sup_{\lambda\in \sigma(A)} |\lambda|.

Dari proposisi sebelumnya, rσ(A)≤∥A∥r_\sigma(A) \leq \|A\|.

Di bawah ini kita mencantumkan beberapa sifat penting spektrum suatu operator linear terbatas.

Proposisi. Jika A∈ℒ(X)A \in \mathcal{L}(X), maka σ(A)⊂ℂ\sigma(A) \subset \mathbb{C} kompak.

Proposisi. Jika A∈ℒ(X)A \in \mathcal{L}(X) dan X≠{0}X\neq \{0\}, maka σ(A)≠∅\sigma(A) \neq \emptyset.

Definisi berikut memperumum definisi ruang dual yang diberikan dalam Definisi 4.1.8.

Definisi. Misalkan XX ruang Banach. Ruang dual X*\displaystyle X^\ast dari XX adalah himpunan semua fungsional linear terbatas pada XX.

Contoh. Jika HH ruang Hilbert, maka dari Teorema Representasi Riesz, Teorema 4.1.9, terdapat pemetaan T:H*→H\displaystyle T:H^\ast \to H sedemikian sehingga u(x)=⟨x,T(u)⟩u(x) = \left\langle{x},{T(u)}\right\rangle untuk semua x∈Hx \in H. Dari ketaksamaan Schwarz diperoleh |u(x)|≤∥x∥∥T(u)∥|u(x)| \leq \|x\|\,\|T(u)\| untuk semua x∈Hx \in H. Jadi, ∥u∥≤∥T(u)∥\|u\| \leq \|T(u)\|, dengan norma di ruas kiri adalah norma fungsional linear u:H→ℂu:H \to \mathbb{C} dan norma di ruas kanan adalah norma T(u)∈HT(u) \in H. Sebenarnya, ∥u∥=∥T(u)∥\|u\|=\|T(u)\|. Jika T(u)≠0T(u)\neq 0, hal ini mengikuti dari u(∥T(u)∥−1T(u))=∥T(u)∥\displaystyle u\left( \|T(u)\|^{-1} T(u)\right) = \|T(u)\|; jika T(u)=0T(u)=0, kedua norma tersebut bernilai nol. Teorema Representasi Riesz menunjukkan bahwa TT bijektif; karena hasil kali dalam linear pada argumen pertama, TT konjugat-linear. Jadi, T:H*→H\displaystyle T:H^\ast \to H adalah bijeksi konjugat-linear yang isometrik dari H*\displaystyle H^\ast ke HH.

Definisi. Adjoin dari A∈ℒ(X,Y)A\in \mathcal{L}(X,Y) adalah pemetaan linear A*:Y*→X*\displaystyle A^\ast : Y^\ast \rightarrow X^\ast yang didefinisikan oleh

A*(w)(x)=w(A(x)),x∈Xdanw∈Y*.A^\ast(w)(x) = w(A(x)) \quad , \quad x \in X \ \text{dan} \ w \in Y^\ast \ .

Teorema. Jika A∈ℒ(X,Y)A \in \mathcal{L}(X,Y), maka A*∈ℒ(Y*,X*)\displaystyle A^\ast \in \mathcal{L}(Y^\ast, X^\ast) dan ∥A∥=∥A*∥\displaystyle\|A\| = \|A^\ast\|.

Jelas bahwa, dalam teorema sebelumnya,

∥A*∥=supw∈Y*∥w∥=1∥A*(w)∥,A*∈ℒ(Y*,X*),\| A^\ast \| = \sup_{\substack{w\in Y^\ast\\ \|w\|=1}} \|A^\ast(w)\| \quad , \quad A^\ast \in \mathcal{L}(Y^\ast,X^\ast) \ , dan

∥w∥=supy∈Y∥y∥=1|w(y)|,w∈Y*,\| w \| = \sup_{\substack{y\in Y\\ \|y\|=1}} |w(y)| \quad , \quad w \in Y^\ast \ , dengan definisi serupa untuk norma pada X*\displaystyle X^\ast.

Definisi. Suatu operator linear A∈ℒ(X,Y)A \in \mathcal{L}(X,Y) disebut kompak jika A(V)¯\overline{A(V)} kompak untuk setiap himpunan terbatas V⊂XV \subset X. Himpunan semua operator linear kompak dari XX ke YY dinotasikan dengan 𝒦(X,Y)\mathcal{K}(X,Y), dan himpunan semua operator linear kompak dari XX ke dirinya sendiri dinotasikan dengan 𝒦(X)\mathcal{K}(X).

Sedikit tinjauan atas beberapa konsep topologis akan berguna untuk penerapan selanjutnya.

Definisi. Suatu himpunan U⊂XU \subset X disebut relatif kompak jika U¯\overline{U} kompak. Suatu himpunan U⊂XU \subset X disebut relatif kompak secara sekuensial jika setiap barisan dalam UU mempunyai subbarisan yang konvergen dalam XX.

Dalam ruang Banach, kedua konsep ini ekuivalen.

Proposisi 4.4.21. 𝒦(X,Y)\mathcal{K}(X,Y) adalah subruang tertutup dari ℒ(X,Y)\mathcal{L}(X,Y) terhadap norma operator yang diinduksi oleh norma pada XX dan YY.

Proposisi 4.4.22. Misalkan XX, YY, dan ZZ tiga ruang Banach.

  1. Jika A∈𝒦(X,Y)A \in \mathcal{K}(X,Y) dan B∈ℒ(Y,Z)B \in \mathcal{L}(Y,Z), maka B∘A∈𝒦(X,Z)B\circ A \in \mathcal{K}(X,Z).

  2. Jika A∈ℒ(X,Y)A \in \mathcal{L}(X,Y) dan B∈𝒦(Y,Z)B \in \mathcal{K}(Y,Z), maka B∘A∈𝒦(X,Z)B\circ A \in \mathcal{K}(X,Z).

Bukti. Kita membuktikan (2). Misalkan U⊂XU\subset X himpunan terbatas; maka A(U)⊂YA(U) \subset Y terbatas karena AA terbatas1. Jadi, B(A(U))¯\overline{B(A(U))} adalah himpunan kompak karena BB merupakan operator kompak dan A(U)A(U) merupakan himpunan terbatas. ◻

Teorema 4.4.23. Misalkan AA operator linear dari XX ke YY.

  1. Jika A∈ℒ(X,Y)A \in \mathcal{L}(X,Y) dan dim⁡ℛ(A)<∞\dim \mathcal{R}(A) < \infty, maka A∈𝒦(X,Y)A \in \mathcal{K}(X,Y).

  2. Jika A∈𝒦(X,Y)A \in \mathcal{K}(X,Y) dan ℛ(A)\mathcal{R}(A) tertutup, maka dim⁡ℛ(A)<∞\dim \mathcal{R}(A) < \infty.

  3. A∈𝒦(X,Y)A \in \mathcal{K}(X,Y) jika dan hanya jika A*∈𝒦(Y*,X*)\displaystyle A^\ast \in \mathcal{K}(Y^\ast, X^\ast).

Di luar dugaan, teorema berikut akan sangat berguna untuk mempelajari persamaan diferensial. Sebagai contoh, teorema ini akan digunakan untuk mendeskripsikan nilai-nilai eigen bagi masalah Sturm-Liouville dan operator Laplace.

Teorema 4.4.24. Tinjau A∈𝒦(X)A \in \mathcal{K}(X).

  1. Jika λ≠0\lambda \neq 0, maka dim⁡𝒩(A−λId⁡)<∞\dim \mathcal{N}(A-\lambda \operatorname{Id}) < \infty.

  2. Jika λ≠0\lambda \neq 0, maka ℛ(A−λId⁡)\mathcal{R}(A-\lambda \operatorname{Id}) tertutup.

  3. Jika λ≠0\lambda \neq 0, maka dim⁡𝒩(A−λId⁡)=dim⁡𝒩(A*−λId⁡)\displaystyle\dim \mathcal{N}(A-\lambda \operatorname{Id}) = \dim \mathcal{N}(A^\ast-\lambda \operatorname{Id}).

  4. Jika r>0r>0 dan EE adalah himpunan nilai eigen λ\lambda dari AA sedemikian sehingga |λ|>r|\lambda|>r, maka EE berhingga dan ℛ(A−λId⁡)≠X\mathcal{R}(A-\lambda \operatorname{Id}) \neq X untuk semua λ∈E\lambda \in E.

  5. Jika λ∈σ(A)\lambda \in \sigma(A) dan λ≠0\lambda \neq 0, maka λ\lambda merupakan nilai eigen.

  6. σ(A)\sigma(A) kompak dan paling banyak terhitung, dengan 00 sebagai satu-satunya titik akumulasi yang mungkin dari σ(A)\sigma(A).

Operator Tak Terbatas

Seperti pada bagian sebelumnya, XX dan YY adalah dua ruang Banach atas bilangan kompleks. Kita meninjau operator linear dari suatu subruang ZZ dari XX ke YY, dengan ZZ tidak harus sama dengan XX. Kita memperumum banyak definisi dan hasil yang telah disajikan pada bagian sebelumnya untuk operator-operator linear ini.

Definisi. Suatu operator linear atau pemetaan linear dari XX ke YY adalah pasangan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A), dengan 𝒟(A)\mathcal{D}(A) suatu subruang dari XX dan A:𝒟(A)→YA:\mathcal{D}(A) \rightarrow Y memenuhi A(λ1x1+λ2x2)=λ1A(x1)+λ2A(x2)A(\lambda_1 x_1 + \lambda_2 x_2) = \lambda_1 A(x_1) + \lambda_2 A(x_2) untuk semua λ1,λ2∈ℂ\lambda_1, \lambda_2 \in \mathbb{C} dan x1,x2∈𝒟(A)x_1, x_2 \in \mathcal{D}(A).

𝒟(A)\mathcal{D}(A) disebut domain dari AA. Citra dari AA adalah ruang linear ℛ(A)={y∈Y:y=A(x)untuk suatux∈𝒟(A)}\displaystyle\mathcal{R}(A) = \left\{ y \in Y : y = A(x) \ \text{untuk suatu} \ x\in \mathcal{D}(A)\right\}. Kernel dari AA adalah ruang linear 𝒩(A)={x∈𝒟(A):A(x)=0}\displaystyle\mathcal{N}(A) = \left\{ x \in \mathcal{D}(A) : A(x) = 0 \right\}.

Definisi. Suatu operator linear (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) disebut terbatas jika terdapat konstanta C≥0C\geq 0 sedemikian sehingga ∥A(x)∥≤C∥x∥\|A(x)\| \leq C \|x\| untuk semua x∈𝒟(A)x\in \mathcal{D}(A).

Hasil berikut sudah dikenal untuk operator linear di antara ruang-ruang vektor berdimensi hingga.

Proposisi. Jika (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) adalah operator linear dengan dim⁡𝒟(A)<∞\dim \mathcal{D}(A) < \infty, maka (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) terbatas.

Definisi. Suatu operator linear (𝒟(B),B)(\mathcal{D}(B),B) dari XX ke YY merupakan perluasan dari operator linear (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) dari XX ke YY jika 𝒟(A)⊂𝒟(B)\mathcal{D}(A) \subset \mathcal{D}(B) dan A(x)=B(x)A(x)=B(x) untuk semua x∈𝒟(A)x \in \mathcal{D}(A).

Teorema. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) operator linear dari XX ke ℂ\mathbb{C} sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) merupakan subruang tertutup dari XX dan

M=supx∈𝒟(A)∥x∥=1|A(x)|<∞,M = \sup_{\substack{x\in\mathcal{D}(A)\\ \|x\|=1}} |A(x)|\ < \infty \ , maka terdapat operator linear terbatas B∈ℒ(X,ℂ)B \in \mathcal{L}(X,\mathbb{C}) sedemikian sehingga (X,B)(X,B) merupakan perluasan dari (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) dan ∥B∥=M\|B\| = M. MM yang didefinisikan oleh (4.4.1) adalah norma AA sebagai operator pada subruang 𝒟(A)\mathcal{D}(A).

Definisi. Graf suatu operator linear (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) adalah subruang

𝒢(A)={(x,A(x)):x∈𝒟(A)}⊂X×Y.\mathcal{G}(A) = \left\{ (x,A(x)) : x \in \mathcal{D}(A) \right\} \subset X \times Y \ .

Definisi. Suatu operator linear (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) disebut tertutup jika grafnya tertutup dalam X×YX\times Y. Dengan kata lain, suatu operator linear (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) tertutup jika, untuk setiap barisan konvergen {(xn,A(xn))}n=0∞⊂𝒢(A)\displaystyle\left\{ (x_n, A(x_n)) \right\}_{n=0}^\infty \subset \mathcal{G}(A), kita mempunyai (x,y)=lim⁡n→∞(xn,A(xn))∈𝒢(A)\displaystyle(x,y) = \lim_{n\to \infty} (x_n, A(x_n)) \in \mathcal{G}(A); yakni, x∈𝒟(A)x\in \mathcal{D}(A) dan y=A(x)y=A(x).

Suatu operator (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) disebut dapat ditutup jika 𝒢(A)¯\overline{\mathcal{G}(A)} merupakan graf suatu operator linear. Untuk operator yang dapat ditutup, penutupan dari (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) adalah operator yang grafnya 𝒢(A)¯\overline{\mathcal{G}(A)}; operator ini merupakan perluasan tertutup terkecil dari (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) dan dinotasikan dengan (𝒟(A¯),A¯)(\mathcal{D}(\,\overline{A}\,),\overline{A}).

Teorema. Jika (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) adalah operator linear tertutup dengan 𝒟(A)=X\mathcal{D}(A)=X, maka (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) terbatas.

Definisi. Himpunan resolven ρ(A)\rho(A) dari suatu operator linear tertutup (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) dari XX ke dirinya sendiri adalah himpunan semua λ∈ℂ\lambda \in \mathbb{C} sedemikian sehingga A−λId⁡:𝒟(A)→XA-\lambda \operatorname{Id}: \mathcal{D}(A) \rightarrow X injektif dan surjektif, serta (A−λId⁡)−1∈ℒ(X)\displaystyle(A-\lambda\operatorname{Id})^{-1} \in \mathcal{L}(X). Spektrum dari AA adalah himpunan σ(A)=ℂ\ρ(A)\sigma(A) = \mathbb{C}\setminus \rho(A). Jika λ\lambda berada dalam himpunan resolven dari AA, maka Rλ(A)≡(A−λId⁡)−1\displaystyle R_\lambda(A) \equiv (A-\lambda\operatorname{Id})^{-1} disebut resolven dari AA.

Proposisi. Setiap λ∈σ(A)\lambda \in \sigma(A) termasuk tepat ke dalam salah satu dari tiga kelas berikut.

  1. Spektrum titik adalah himpunan σps(A)\sigma_{ps}(A) dari semua λ∈σ(A)\lambda \in \sigma(A) sedemikian sehingga A−λIdA-\lambda \operatorname{Id} tidak injektif. Spektrum diskret adalah himpunan bagian dari spektrum titik yang terdiri atas nilai-nilai eigen terisolasi dengan multiplisitas aljabar berhingga.

  2. Spektrum residual adalah himpunan σrs(A)\sigma_{rs}(A) dari semua λ\lambda sedemikian sehingga A−λIdA-\lambda \operatorname{Id} injektif, tetapi ℛ(A−λId⁡)\mathcal{R}(A-\lambda \operatorname{Id}) bukan subruang rapat dalam XX. Spektrum kompresi adalah himpunan semua λ\lambda sedemikian sehingga ℛ(A−λId⁡)\mathcal{R}(A-\lambda \operatorname{Id}) tidak rapat dalam XX; jadi, spektrum residual adalah bagian spektrum kompresi yang pada titik-titiknya A−λIdA-\lambda\operatorname{Id} juga injektif.

  3. Spektrum kontinu adalah himpunan σ(A)\(σps(A)∪σrs(A))\sigma(A) \setminus ( \sigma_{ps}(A) \cup \sigma_{rs}(A)).

Definisi. Jika λ\lambda berada dalam spektrum titik, maka λ\lambda disebut nilai eigen dari AA. Kita mempunyai 𝒩(A−λId⁡)≠{0}\mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}) \neq \{0\}, dan unsur-unsur 𝒩(A−λId⁡)\{0}\mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}) \setminus \{0\} disebut vektor eigen yang berkaitan dengan λ\lambda. 𝒩(A−λId⁡)\mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}) disebut ruang eigen yang berkaitan dengan λ\lambda.

Jika xx adalah vektor eigen yang berkaitan dengan λ\lambda, maka Ax=λxAx = \lambda x. Seperti dalam dimensi hingga, vektor-vektor eigen yang berkaitan dengan nilai-nilai eigen berbeda bebas secara linear.

Definisi. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu pemetaan linear dari XX ke dalam YY sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat dalam XX. Misalkan SS adalah himpunan semua fungsional linear terbatas w∈Y*\displaystyle w \in Y^\ast sedemikian sehingga terdapat suatu fungsional linear terbatas v∈X*\displaystyle v \in X^\ast yang memenuhi w(A(x))=v(x)w(A(x)) = v(x) untuk semua x∈𝒟(A)x \in \mathcal{D}(A). Karena 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat, vv ditentukan secara tunggal. Adjoin dari AA adalah pemetaan (S,A*)\displaystyle(S,A^\ast) dari Y*\displaystyle Y^\ast ke X*\displaystyle X^\ast yang didefinisikan oleh A*(w)=v\displaystyle A^\ast(w) = v untuk w∈Sw\in S. Kita mempunyai 𝒟(A*)=S\displaystyle\mathcal{D}(A^\ast) = S.

Teorema. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu pemetaan linear dari XX ke dalam YY sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat dalam XX, dan misalkan AA dapat ditutup. Maka (𝒟(A*),A*)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\ast),A^\ast) merupakan operator linear tertutup. Lebih lanjut, jika XX dan YY refleksif (yakni X**=X\displaystyle X^{\ast\ast}=X dan Y**=Y\displaystyle Y^{\ast\ast} = Y), maka 𝒟(A*)\displaystyle\mathcal{D}(A^\ast) rapat dalam Y*\displaystyle Y^\ast dan A**=A¯\displaystyle A^{\ast\ast} = \overline{A}. Secara khusus, jika AA tertutup, maka A**=A\displaystyle A^{\ast\ast} = A.

Definisi. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu operator linear terbatas dari XX ke YY. Operator linear (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) disebut kompak jika A(V)¯\overline{A(V)} kompak untuk setiap himpunan terbatas V⊂𝒟(A)V \subset \mathcal{D}(A).

Teorema berikut tidak mengherankan jika kita memikirkan pemetaan linear di antara ruang-ruang vektor berdimensi hingga.

Teorema. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu operator linear dari XX ke YY. Maka

  1. (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) merupakan operator linear kompak jika (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) terbatas dan ℛ(A)\mathcal{R}(A) berdimensi hingga.

  2. (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) merupakan operator linear kompak jika 𝒟(A)\mathcal{D}(A) berdimensi hingga.

Operator pada Ruang Hilbert

Pada bagian ini, HH, H1H_1, H2H_2, … adalah ruang-ruang Hilbert di atas bilangan kompleks.

Jelas bahwa definisi dan hasil pada bagian-bagian sebelumnya mengenai operator di antara ruang-ruang Banach juga berlaku bagi operator di antara ruang-ruang Hilbert. Namun, karena Teorema Representasi Riesz memberikan suatu isomorfisme konjugat-linear antara H*\displaystyle H^\ast dan HH, secara tradisional adjoin operator linear di antara dua ruang Hilbert didefinisikan ulang. Ingat bahwa suatu pemetaan LL di antara dua ruang vektor disebut konjugat-linear jika L(λ1v1+λ2v2)=λ1¯L(v1)+λ2¯L(v2)L(\lambda_1v_1 + \lambda_2 v_2) = \overline{\lambda_1}\, L(v_1) + \overline{\lambda_2}\, L(v_2) untuk setiap λ1,λ2∈ℂ\lambda_1, \lambda_2 \in \mathbb{C} dan semua vektor v1,v2v_1,v_2.

Definisi 4.4.40. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu pemetaan linear dari H1H_1 ke H2H_2 sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat dalam H1H_1. Misalkan S⊂H2S \subset H_2 adalah himpunan semua unsur ww dalam H2H_2 yang memiliki suatu unsur v∈H1v \in H_1 sedemikian sehingga ⟨A(x),w⟩H2=⟨x,v⟩H1\displaystyle\left\langle{A(x)},{w}\right\rangle_{H_2} = \left\langle{x},{v}\right\rangle_{H_1} untuk setiap x∈𝒟(A)x \in \mathcal{D}(A). Karena 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat, vv ditentukan secara tunggal. adjoin (ruang Hilbert) dari AA adalah pemetaan (S,A•)\displaystyle(S,A^\bullet) dari H2H_2 ke H1H_1 yang didefinisikan oleh A•(w)=v\displaystyle A^\bullet(w) = v untuk w∈Sw\in S. Kita mempunyai 𝒟(A•)=S\displaystyle\mathcal{D}(A^\bullet) = S.

Tinjau pemetaan konjugat-linear

ΛH:H→H*v↦⟨⋅,v⟩\begin{aligned} \Lambda_H : H &\rightarrow H^\ast \\ v & \mapsto \left\langle{\cdot},{v}\right\rangle \end{aligned} Sebagai konsekuensi dari Teorema Representasi Riesz, pemetaan ini bijektif.

Tinjau suatu operator linear (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) dari H1H_1 ke H2H_2 sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat dalam H1H_1. Misalkan (𝒟(A*),A*)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\ast),A^\ast) adalah adjoin dari (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) dalam pengertian operator di antara ruang-ruang Banach dan (𝒟(A•),A•)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\bullet),A^\bullet) adalah adjoin dari (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) dalam pengertian operator di antara ruang-ruang Hilbert. Kita mempunyai

A*=ΛH1∘A•∘ΛH2−1A^\ast = \Lambda_{H_1} \circ A^\bullet \circ \Lambda_{H_2}^{-1} pada 𝒟(A*)\displaystyle\mathcal{D}(A^\ast). Untuk membuktikannya, kita perhatikan bahwa

w(A(x))=A*(w)(x)⇔⟨A(x),ΛH2−1(w)⟩H2=⟨x,ΛH1−1(A*(w))⟩H1w(A(x)) = A^\ast(w)(x) \Leftrightarrow \left\langle{A(x)},{\Lambda_{H_2}^{-1}(w)}\right\rangle_{H_2} = \left\langle{x},{\Lambda_{H_1}^{-1}(A^\ast(w))}\right\rangle_{H_1} untuk setiap x∈𝒟(A)x \in \mathcal{D}(A) dan w∈𝒟(A*)\displaystyle w\in \mathcal{D}(A^\ast). Jadi, ΛH2−1(w)∈𝒟(A•)\displaystyle\Lambda_{H_2}^{-1}(w) \in \mathcal{D}(A^\bullet) untuk w∈𝒟(A*)\displaystyle w \in \mathcal{D}(A^\ast) dan

A•(ΛH2−1(w))=ΛH1−1(A*(w))A^\bullet(\Lambda_{H_2}^{-1}(w)) = \Lambda_{H_1}^{-1}(A^\ast(w)) untuk w∈𝒟(A*)\displaystyle w\in \mathcal{D}(A^\ast) menurut definisi (𝒟(A•),A•)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\bullet),A^\bullet). Ini membuktikan (4.4.2).

Dari Definisi 4.4.40, operasi adjoin memenuhi hubungan skalar

A•(w)=v⇔⟨A(x),w⟩H2=⟨x,v⟩H1⇔⟨λA(x),w⟩H2=⟨λx,v⟩H1=⟨x,λ¯v⟩H1⇔(λA)•(w)=λ¯v\begin{aligned} A^\bullet(w) = v & \Leftrightarrow \left\langle{A(x)},{w}\right\rangle_{H_2} = \left\langle{x},{v}\right\rangle_{H_1} \Leftrightarrow \left\langle{\lambda A(x)},{w}\right\rangle_{H_2} = \left\langle{\lambda x},{v}\right\rangle_{H_1} = \left\langle{x},{\overline{\lambda} v}\right\rangle_{H_1} \\ & \Leftrightarrow (\lambda A)^\bullet(w) = \overline{\lambda} v \end{aligned} untuk setiap λ∈ℂ\{0}\lambda \in \mathbb{C}\setminus\{0\}. Dengan kata lain, (λA)•=λ¯A•\displaystyle(\lambda A)^\bullet=\overline{\lambda}A^\bullet dengan domain adjoin yang sama. Sebaliknya, adjoin dalam pengertian ruang Banach memenuhi (λA)*=λA*\displaystyle(\lambda A)^\ast=\lambda A^\ast untuk λ≠0\lambda\neq0. Pada λ=0\lambda=0, domain adjoin operator nol dapat lebih besar daripada domain adjoin AA. Untuk operator tak terbatas umum, pernyataan aditivitas juga harus memperhitungkan domain operator; perhitungan di atas hanya menetapkan kedua hubungan skalar tak nol tersebut.

Mulai sekarang, kita akan mengikuti tradisi dalam analisis fungsional dan juga menggunakan (𝒟(A*),A*)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\ast),A^\ast) untuk menyatakan (𝒟(A•),A•)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\bullet),A^\bullet). Konteks akan menentukan apakah yang dimaksud adalah adjoin dalam pengertian operator di antara ruang-ruang Banach atau di antara ruang-ruang Hilbert.

Teorema 4.4.41. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu operator linear tertutup dari HH ke dirinya sendiri sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat dalam HH. Kita mempunyai ℛ(A)⟂=𝒩(A*)\displaystyle\mathcal{R}(A)^\perp = \mathcal{N}(A^\ast) dan ℛ(A*)⟂=𝒩(A)\displaystyle\mathcal{R}(A^\ast)^\perp = \mathcal{N}(A). Selain itu, 𝒩(A*)⟂=ℛ(A)¯\displaystyle\mathcal{N}(A^\ast)^\perp = \overline{\mathcal{R}(A)} dan 𝒩(A)⟂=ℛ(A*)¯\displaystyle\mathcal{N}(A)^\perp = \overline{\mathcal{R}(A^\ast)}.

Definisi. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu operator linear dari HH ke dirinya sendiri sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat dalam HH. Kita mengatakan bahwa (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) bersifat simetris jika (𝒟(A*),A*)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\ast),A^\ast) merupakan perluasan dari (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A). Jadi, ⟨A(x),y⟩=⟨x,A(y)⟩\displaystyle\left\langle{A(x)},{y}\right\rangle = \left\langle{x},{A(y)}\right\rangle untuk x,y∈𝒟(A)x,y \in \mathcal{D}(A).

Kita mengatakan bahwa (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) bersifat self-adjoint jika (𝒟(A*),A*)=(𝒟(A),A)\displaystyle(\mathcal{D}(A^\ast),A^\ast) = (\mathcal{D}(A),A); yakni, jika 𝒟(A)=𝒟(A*)\displaystyle\mathcal{D}(A)=\mathcal{D}(A^\ast) dan A(x)=A*(x)\displaystyle A(x)=A^\ast(x) untuk setiap x∈𝒟(A)x \in \mathcal{D}(A).

Teorema. Misalkan (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) suatu operator linear simetris dan tertutup dari HH ke dirinya sendiri sedemikian sehingga 𝒟(A)\mathcal{D}(A) rapat dalam HH. Kita mempunyai

  1. ⟨A(x),x⟩∈ℝ\left\langle{A(x)},{x}\right\rangle \in \mathbb{R} untuk setiap x∈𝒟(A)x \in \mathcal{D}(A).

  2. Nilai-nilai eigen dari AA adalah real.

  3. Vektor-vektor eigen yang bersesuaian dengan nilai-nilai eigen berbeda saling ortogonal.

  4. Spektrum kontinu dari AA merupakan himpunan bagian dari ℝ\mathbb{R}.

Jika (𝒟(A),A)(\mathcal{D}(A),A) juga self-adjoint, maka kita mempunyai

  1. Spektrum dari AA merupakan himpunan bagian dari ℝ\mathbb{R}.

  2. Spektrum residual dari AA kosong.

Tinjau suatu operator linear self-adjoint A∈𝒦(H)A \in \mathcal{K}(H). Menurut Teorema 4.4.24, setiap λ∈σ(A)\lambda \in \sigma(A) dengan λ≠0\lambda \neq 0 merupakan nilai eigen dengan dim⁡𝒩(A−λId⁡)<∞\dim \mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}) < \infty. Nilai-nilai eigen tak nol yang berbeda, jika ada, dapat diindeks oleh II, dengan I={1,…,N}I=\{1,\ldots,N\} atau I={1,2,…}I=\{1,2,\ldots\}, dan disusun sedemikian sehingga |λ1|≥|λ2|≥|λ3|≥…\displaystyle|\lambda_1| \geq |\lambda_2| \geq |\lambda_3| \geq \ldots (dengan rantai yang berakhir pada λN\lambda_N jika II hingga). Selain itu, jika II tak hingga, maka λn→0\lambda_n \rightarrow 0 saat n→∞n\rightarrow \infty.

Untuk setiap ruang eigen 𝒩(A−λId⁡)\mathcal{N}(A-\lambda\operatorname{Id}), dengan λ∈σ(A)\lambda \in \sigma(A) dan λ≠0\lambda \neq 0, pilih suatu basis ortonormal, lalu ambil gabungan semua basis tersebut. Dengan demikian, kita memperoleh suatu himpunan ortonormal S={ϕj}j∈J\displaystyle S=\{\phi_j\}_{j\in J}, dengan JJ hingga (mungkin kosong) atau J={1,2,…}J=\{1,2,\ldots\}. Untuk setiap vektor eigen ϕj\phi_j, nilai eigen yang bersesuaian dengannya dinotasikan dengan λ̃j\tilde{\lambda}_j. Sebagai contoh, untuk setiap ϕj∈𝒩(A−λnId⁡)\phi_j \in \mathcal{N}(A- \lambda_n \operatorname{Id}), kita mempunyai λ̃j=λn\tilde{\lambda}_j = \lambda_n.

Teorema 4.4.44. Tinjau suatu operator linear self-adjoint A∈𝒦(H)A \in \mathcal{K}(H). Misalkan S={ϕj}j∈J\displaystyle S = \{\phi_j\}_{j\in J} adalah himpunan ortonormal vektor eigen yang didefinisikan dalam paragraf sebelumnya.

  1. SS merupakan basis ortonormal bagi 𝒩(A)⟂\mathcal{N}(A)^\perp.

  2. Au=∑j∈Jλ̃j⟨u,ϕj⟩ϕj\displaystyle Au = \sum_{j\in J} \tilde{\lambda}_j \left\langle{u},{\phi_j}\right\rangle\phi_j untuk u∈Hu \in H.

  3. Untuk f∈Hf\in H, misalkan f0=f−∑j∈J⟨f,ϕj⟩ϕj\displaystyle f_0 = f - \sum_{j\in J} \left\langle{f},{\phi_j}\right\rangle\phi_j. Kita mempunyai f0∈𝒩(A)f_0 \in \mathcal{N}(A).

    Jika λ≠0\lambda\neq0 bukan nilai eigen, terdapat solusi tunggal bagi Au−λu=f\displaystyle Au - \lambda u = f, yang diberikan oleh

    u=∑j∈J1λ̃j−λ⟨f,ϕj⟩ϕj−1λf0.u = \sum_{j\in J} \frac{1}{\tilde{\lambda}_j-\lambda} \left\langle{f},{\phi_j}\right\rangle \phi_j - \frac{1}{\lambda} f_0 \ . Jika λ≠0\lambda\neq0 merupakan nilai eigen, terdapat solusi bagi Au−λu=f\displaystyle Au - \lambda u = f jika dan hanya jika ⟨f,ϕj⟩=0\displaystyle\left\langle{f},{\phi_j}\right\rangle = 0 untuk setiap j∈Jj\in J dengan λ̃j=λ\tilde{\lambda}_j = \lambda. Jika syarat ini dipenuhi, terdapat tak hingga banyak solusi yang diberikan oleh

    u=∑j∈Jλ̃j≠λ1λ̃j−λ⟨f,ϕj⟩ϕj−1λf0+∑j∈Jλ̃j=λcjϕj,u = \sum_{\substack{j\in J\\ \tilde{\lambda}_j\neq \lambda}} \frac{1}{\tilde{\lambda}_j-\lambda} \left\langle{f},{\phi_j}\right\rangle \phi_j - \frac{1}{\lambda} f_0 + \sum_{\substack{j\in J\\ \tilde{\lambda}_j = \lambda}} c_j \phi_j \ , di mana cj∈ℂc_j\in\mathbb{C} dapat dipilih sebarang. Kedua pernyataan penyelesaian di atas tidak mencakup kasus λ=0\lambda=0.

Teorema. Jika A∈𝒦(H)A \in \mathcal{K}(H), terdapat suatu barisan {An}n=1∞\displaystyle\{A_n\}_{n=1}^\infty operator An∈ℒ(H)A_n \in \mathcal{L}(H), yang masing-masing berperingkat hingga, dan konvergen ke AA dalam norma operator terinduksi; yakni, lim⁡n→∞∥An−A∥=0\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty} \|A_n-A\| = 0.

Kita mengakhiri bagian ini dengan suatu kelas penting operator kompak.

Teorema 4.4.46. Misalkan (Ω,Σ,μ)(\Omega,\Sigma,\mu) suatu ruang ukuran σ\sigma-hingga sedemikian sehingga L2(Ω,μ)L^2(\Omega,\mu) separabel, dan lengkapi Ω×Ω\Omega\times\Omega dengan ukuran produk μ⊗μ\mu\otimes\mu. Misalkan K∈L2(Ω×Ω,μ⊗μ)\displaystyle K \in L^2(\Omega\times \Omega,\mu\otimes\mu) bernilai kompleks. Maka TK:L2(Ω,μ)→L2(Ω,μ)\displaystyle T_K:L^2(\Omega,\mu)\rightarrow L^2(\Omega,\mu) yang didefinisikan oleh

(TKf)(x)=∫ΩK(x,y)f(y)dy,untuk hampir setiapx∈Ωdanf∈L2(Ω,μ),(T_K f)(x) = \int_{\Omega} K(x,y) f(y) \,\mathrm{d}{y} \quad , \quad \text{untuk hampir setiap}\ x \in \Omega \ \text{dan} \ f \in L^2(\Omega,\mu) \ , merupakan operator kompak dan ∥TK∥≤∥K∥2\|T_K\| \leq \|K\|_2. Di sini, dx\,\mathrm{d}{x} dan dy\,\mathrm{d}{y} masing-masing menyatakan integrasi terhadap μ\mu dalam variabel yang bersangkutan.

Fungsi K∈L2(Ω×Ω,μ⊗μ)\displaystyle K \in L^2(\Omega\times \Omega,\mu\otimes\mu) dalam teorema sebelumnya disebut kernel Hilbert–Schmidt.

Bukti. Semua identitas di antara wakil-wakil fungsi dalam pembuktian ini dipahami berlaku hampir di mana-mana.

(i) Pertama-tama, kita membuktikan bahwa TKT_K benar-benar merupakan operator terbatas dari L2(Ω,μ)\displaystyle L^2(\Omega,\mu) ke dirinya sendiri.

Pilih wakil terukur K:Ω×Ω→ℂK:\Omega \times \Omega \to \mathbb{C}. Maka 𝒚↦K(𝒙,𝒚)\boldsymbol{y} \mapsto K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}) juga terukur untuk hampir setiap 𝒙\boldsymbol{x}. Untuk setiap f∈L2(Ω,μ)\displaystyle f\in L^2(\Omega,\mu), setelah memilih wakil terukur bagi ff, pemetaan 𝒚↦K(𝒙,𝒚)f(𝒚)\boldsymbol{y} \mapsto K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})f(\boldsymbol{y}) terukur untuk hampir setiap 𝒙\boldsymbol{x}.

Dari Teorema Fubini, kita memperoleh bahwa ∫Ω|K(𝒙,𝒚)|2d𝒚\displaystyle\int_{\Omega} |K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} berhingga untuk hampir setiap 𝒙\boldsymbol{x} karena K∈L2(Ω×Ω,μ⊗μ)\displaystyle K \in L^2(\Omega\times \Omega,\mu\otimes\mu). Oleh karena itu, untuk setiap f∈L2(Ω,μ)\displaystyle f \in L^2(\Omega,\mu), dari ketaksamaan Schwarz dalam L2(Ω,μ)\displaystyle L^2(\Omega,\mu) kita memperoleh

∫Ω|K(𝒙,𝒚)||f(𝒚)|d𝒚≤(∫Ω|K(𝒙,𝒚)|2d𝒚)1/2(∫Ω|f(𝒚)|2d𝒚)1/2<∞\int_{\Omega} |K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})|\,|f(\boldsymbol{y})| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \leq \left(\int_{\Omega} |K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}}\right)^{1/2} \left(\int_{\Omega} |f(\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}}\right)^{1/2} < \infty hampir di mana-mana dalam 𝒙\boldsymbol{x}. Jadi, 𝒚↦K(𝒙,𝒚)f(𝒚)\boldsymbol{y} \mapsto K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})f(\boldsymbol{y}) termasuk dalam L1(Ω,μ)\displaystyle L^1(\Omega,\mu) untuk hampir setiap 𝒙\boldsymbol{x}. Dengan demikian, TKf:Ω→ℂT_K f:\Omega \to \mathbb{C} terdefinisi hampir di mana-mana. Selain itu, menurut Teorema Fubini, TKf:Ω→ℂT_K f:\Omega \to \mathbb{C} terukur.

Dari

|(TKf)(𝒙)|≤∫Ω|K(𝒙,𝒚)||f(𝒚)|d𝒚≤(∫Ω|K(𝒙,𝒚)|2d𝒚)1/2(∫Ω|f(𝒚)|2d𝒚)1/2\left| (T_K f)(\boldsymbol{x}) \right| \leq \int_{\Omega} |K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})|\,|f(\boldsymbol{y})| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \leq \left(\int_{\Omega} |K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}}\right)^{1/2} \left(\int_{\Omega} |f(\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}}\right)^{1/2} untuk hampir setiap xx, kita memperoleh

∥TKf∥22=∫Ω|(TKf)(𝒙)|2d𝒙≤∫Ω∫Ω|K(𝒙,𝒚)|2d𝒚d𝒙∫Ω|f(𝒚)|2d𝒚=∥K∥22∥f∥22<∞\| T_K f \|_2^2 = \int_{\Omega} \left| (T_K f)(\boldsymbol{x}) \right|^2 \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \leq \int_{\Omega}\int_{\Omega} |K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}}\,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \ \int_{\Omega} |f(\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} = \| K \|_2^2 \|f\|_2^2 < \infty untuk setiap f∈L2(Ω,μ)\displaystyle f\in L^2(\Omega,\mu). Jadi, TKf∈L2(Ω,μ)\displaystyle T_K f \in L^2(\Omega,\mu) untuk setiap f∈L2(Ω,μ)\displaystyle f\in L^2(\Omega,\mu) dan

∥TK∥≤∥K∥2=(∫Ω∫Ω|K(𝒙,𝒚)|2d𝒚d𝒙)1/2.\|T_K \| \leq \|K\|_2 = \left( \int_{\Omega}\int_{\Omega} |K(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y})|^2\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}}\,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \right)^{1/2} \ .

(ii) Sekarang kita membuktikan bahwa TKT_K kompak.

Jika L2(Ω,μ)L^2(\Omega,\mu) berdimensi hingga, operator terbatas TKT_K berperingkat hingga sehingga kompak. Karena itu, untuk bagian pembuktian yang tersisa, anggap L2(Ω,μ)L^2(\Omega,\mu) berdimensi tak hingga. Misalkan {ϕj}j=0∞\displaystyle\{\phi_j\}_{j=0}^\infty suatu basis ortonormal bagi L2(Ω,μ)\displaystyle L^2(\Omega,\mu). Tinjau fungsi-fungsi ψj,k:Ω×Ω→ℂ\psi_{j,k}:\Omega \times \Omega \to \mathbb{C} yang didefinisikan oleh ψj,k(𝒙,𝒚)=ϕj(𝒙)ϕk(𝒚)\displaystyle\psi_{j,k}(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}) = \phi_j(\boldsymbol{x})\phi_k(\boldsymbol{y}) untuk (𝒙,𝒚)∈Ω×Ω(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}) \in \Omega\times \Omega. Fungsi-fungsi ψj,k\psi_{j,k} terukur. Dengan menggunakan Teorema Fubini dan Teorema 4.1.13, dapat ditunjukkan bahwa {ψj,k}(j,k)∈ℕ×ℕ\displaystyle\{\psi_{j,k}\}_{(j,k)\in \mathbb{N}\times \mathbb{N}} merupakan suatu basis ortonormal bagi L2(Ω×Ω,μ⊗μ)\displaystyle L^2(\Omega \times \Omega,\mu\otimes\mu).

Kita dapat menuliskan KK sebagai K=∑(j,k)∈ℕ×ℕaj,kψj,k\displaystyle K = \sum_{(j,k)\in \mathbb{N}\times \mathbb{N}} a_{j,k} \psi_{j,k} dengan koefisien aj,k∈ℂa_{j,k} \in \mathbb{C}. Deret tersebut konvergen dalam L2(Ω×Ω,μ⊗μ)\displaystyle L^2(\Omega\times \Omega,\mu\otimes\mu). Khususnya, ∥K∥22=∑(j,k)∈ℕ×ℕ|aj,k|2\displaystyle\|K\|_2^2 = \sum_{(j,k)\in \mathbb{N}\times \mathbb{N}} |a_{j,k}|^2 karena {ψj,k}(j,k)∈ℕ×ℕ\displaystyle\{\psi_{j,k}\}_{(j,k)\in \mathbb{N}\times \mathbb{N}} merupakan suatu basis ortonormal. Deret ini konvergen tanpa bergantung pada urutan penjumlahannya. Khususnya, untuk setiap ϵ>0\epsilon >0, terdapat M∈ℕM\in\mathbb{N} sedemikian sehingga ∑j+k>m|aj,k|2<ϵ\displaystyle\sum_{j+k > m} |a_{j,k}|^2 < \epsilon untuk m≥Mm\geq M. Jadi, ∑j+k>N|aj,k|2→0\displaystyle\sum_{j+k > N} |a_{j,k}|^2 \to 0 saat N→∞N \to \infty.

Misalkan KN(𝒙,𝒚)=∑j+k≤Naj,kψj,k(𝒙,𝒚)\displaystyle K_N(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}) = \sum_{j+k\leq N} a_{j,k} \psi_{j,k}(\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}) untuk N≥0N \geq 0. Karena citra TKNT_{K_N} termuat dalam ruang yang direntang oleh {ϕj}j=0N\displaystyle\{\phi_j\}_{j=0}^N, kita mempunyai dim⁡ℛ(TKN)≤N+1<∞\dim \mathcal{R}(T_{K_N}) \leq N +1 < \infty. Jadi, TKN\displaystyle T_{K_N} merupakan operator kompak menurut Teorema 4.4.23. Sebagaimana dalam pembuktian (4.4.3), dapat kita buktikan bahwa

∥TK−TKN∥≤∥K−KN∥2=(∑j+k>N|aj,k|2)1/2.\|T_K - T_{K_N} \| \leq \| K - K_N\|_2 = \left(\sum_{j+k>N} |a_{j,k}|^2\right)^{1/2} \ . Jadi, TKNT_{K_N} konvergen ke TKT_K saat N→∞N\to \infty. Karena ruang operator kompak tertutup terhadap norma operator terinduksi menurut Teorema 4.4.21, kita memperoleh bahwa TKT_K kompak. ◻

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.


  1. Jika Br(𝟎)⊃UB_r(\boldsymbol{0}) \supset U, maka B∥A∥r(𝟎)⊃A(U)B_{\|A\|r}(\boldsymbol{0}) \supset A(U).↩︎

← Kembali ke Program Matematika