Положительный оператор в гильбертовом пространстве — линейный оператор
такой, что
для любого
из гильбертова пространства. Для положительного оператора используют обозначение
[1]. Иногда нулевой оператор не относят к положительным операторам и пишут
, если оператор
— положительный, и
, если
— положительный или нулевой.[2]
Ограниченный положительный оператор является самосопряжённым, и его спектр лежит на положительной полуоси
, причем это необходимое и достаточное условие[1]. Неограниченный положительный оператор симметричен и допускает самосопряжённое расширение, также являющееся положительным оператором[3][4].
Свойства
Для ограниченных линейных операторов выполняются следующие свойства.
- Если оператор
и вещественное число
, то
.
- Если
и обратный оператор
существует, то
.
для любого линейного оператора
. В частности,
для любого самосопряжённого оператора
. Следовательно, примером положительного оператора может служить любой оператор проектирования[2].
- Произведение двух перестановочных положительных операторов также положительный оператор[5].
- Для положительного оператора
и любых элементов
гильбертова пространства выполняется обобщённое неравенство Шварца:
[6].
Отношение порядка
На множестве симметричных операторов вводится частичное отношение порядка:
или
, если оператор
— положительный, иначе говоря,
для любого
из гильбертова пространства. Данное отношение порядка обладает следующими свойствами.
- Если
и
, то
.
- Если
и
, то
.
- Если
и
, то
.
- Любая монотонная ограниченная последовательность симметричных операторов сходится к некоторому симметричному оператору[2][6].
Полуограниченный оператор
Симметричный оператор
называется полуограниченным снизу, если существует действительное число
такое, что
для любого
из области определения оператора
; наибольшее из всех значений
, для которых выполняется это неравенство, называется нижней гранью оператора
. Аналогично определяется оператор, полуограниченный сверху, и его верхняя грань[9].
Положительный оператор является частным случаем полуограниченного снизу оператора. С другой стороны, любой полуограниченный оператор может быть выражен через положительный оператор
посредством одной из следующих формул:
где
— единичный оператор[10].
Расширение по Фридрихсу. Всякий полуограниченный симметричный оператор
(в частности, положительный оператор) может быть расширен до некоторого полуограниченного самосопряжённого оператора
, причем оператор
будет иметь ту же (верхнюю или нижнюю) грань, что и
[11].
Случай конечномерного пространства
Симметрический оператор
(оператор с симметричной матрицей) в евклидовом пространстве
называется неотрицательным, если
для любого
. В этом случае квадратичная форма
называется неотрицательной, а матрица оператора
— неотрицательно определённой.
Симметрический оператор
называется положительно определённым, если для любого вектора
из
. В этом случае квадратичная форма
и матрица оператора
называются положительно определёнными.
Определить, является ли матрица положительно или неотрицательно определённой, можно при помощи критерия Сильвестра[12].
Пример
Примером полуограниченного снизу оператора может служить оператор Штурма-Лиувилля
где
если его рассматривать в пространстве
, отнеся к области определения функции
, дважды непрерывно дифференцируемые и удовлетворяющие условиям
где
— некоторая постоянная; функции
также предполагаются непрерывными. Действительно, можно проверить прямым подсчётом, что
.
Если
, то оператор положительный[11].
Примечания
- 1 2 Рудин У. Функциональный анализ, 1975, п.12.32.
- 1 2 3 Люстерник Л. А., Соболев В. И. Элементы функционального анализа, 1965, с. 317.
- ↑ Шульман В. С., Ломоносов В. И. Положительный оператор // Математическая энциклопедия / И. М. Виноградов (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1984. — Т. 4. — 608 с. — 150 000 экз.
- ↑ Строго говоря, в случае неограниченного оператора неравенство
в определении берётся для всех
из области определения симметричного оператора
, которая плотна во всём гильбертовом пространстве. - ↑ Люстерник Л. А., Соболев В. И. Элементы функционального анализа, 1965, с. 318.
- 1 2 Рисс Ф., Сёкефальви-Надь Б. Лекции по функциональному анализу, 1979, п. 104.
- ↑ Люстерник Л. А., Соболев В. И. Элементы функционального анализа, 1965, с. 320.
- ↑ Рудин У. Функциональный анализ, 1975, п.12.33.
- ↑ Ахиезер Н. И., Глазман И. М. Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве, 1966.
- ↑ Рисс Ф., Сёкефальви-Надь Б. Лекции по функциональному анализу, 1979, п. 122.
- 1 2 Рисс Ф., Сёкефальви-Надь Б. Лекции по функциональному анализу, 1979, п. 124.
- ↑ Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. — Изд. 2-е, доп.. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1966.
Литература
- Люстерник Л. А., Соболев В. И. Элементы функционального анализа. — Изд. 2-е, перераб.. — М.: Наука, 1965. — 520 с.
- Рудин У. Функциональный анализ. — М.: Мир, 1975. — 444 с.
- Рисс Ф., Сёкефальви-Надь Б. Лекции по функциональному анализу. — М.: Мир, 1979. — 592 с.
- Ахиезер Н. И., Глазман И. М. Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве. — Изд. 2-е, перераб. и доп.. — Наука, гл. ред. физ-мат. лит., 1966. — 543 с.