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Un aproximado de autovalor de a $ T \in B(X) $.

Este es un problema de Conway Análisis Funcional:

Definición de Un aproximado de autovalor de a $ T \in B(X) $ es un escalar $ \lambda $ tal que hay una secuencia de vectores unitarios $ x_{n} \in X $ tal que $ T(x_{n}) - \lambda x_{n} \rightarrow 0 $.

  1. Demostrar que cualquier autovalor de a $ T $ es aproximadamente un autovalor de a $ T $, y que cualquier aproximado autovalor de a $ T $ se encuentra en el espectro de $ T $, que denotamos por a $ \sigma(T) $.

  2. Si $ X $ es un espacio de Hilbert, muestran que $ \lambda \in \sigma(T) $ si y sólo si $ \lambda $ es aproximadamente un autovalor de a $ T $ o $ \overline{\lambda} $ es un autovalor de a $ T^{*} $.

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hakan Puntos 6

Problema 1

Para esta parte, vamos a suponer $ X $ a ser un espacio de Banach.

Deje $ T \in B(X) $. Entonces cualquier autovalor de a $ T $ es claramente un aproximado de autovalor.

A continuación, supongamos que $ \lambda \in \mathbb{C} $ es aproximadamente un autovalor de a $ T $, y deje $ (x_{n})_{n \in \mathbb{N}} $ ser una secuencia de vectores unitarios de $ X $ tal que $$ \lim_{n \to \infty} (T - \lambda I)(x_{n}) = \mathbf{0}_{X}. $$

Por medio de la contradicción, supongamos que $ T - \lambda I $ es invertible en a $ B(X) $. Entonces \begin{align} \lim_{n \to \infty} x_{n} &= \lim_{n \to \infty} (T - \lambda I)^{-1} \left( (T - \lambda I)(x_{n}) \right) \\ &= (T - \lambda I)^{-1} \left( \lim_{n \to \infty} (T - \lambda I)(x_{n}) \right) \quad (\text{As %#%#% is continuous.}) \\ &= {(T - \lambda I)^{-1}}(\mathbf{0}_{X}) \\ &= \mathbf{0}_{X}. \end{align} Sin embargo, esto es imposible, porque la $ (T - \lambda I)^{-1} $ todos los $ \| x_{n} \|_{X} = 1 $. La hipótesis sobre el invertibility de $ n \in \mathbb{N} $ es falso, por lo que llegamos a la conclusión de que $ T - \lambda I $.


Problema 2

Para esta parte, vamos a suponer $ \lambda \in {\sigma_{B(X)}}(T) $ a ser un espacio de Hilbert.

Deje $ X = \mathcal{H} $. Si $ \lambda \in {\sigma_{B(\mathcal{H})}}(T) $ es aproximadamente un autovalor de a $ \lambda $, entonces estamos de hecho; de lo contrario, supongamos que $ T $ es no un aproximado de autovalor. A continuación, $ \lambda $ está delimitada desde abajo, es decir, existe una $ T - \lambda I $ tal que $$ (\diamondsuit) \quad \forall x \in \mathcal{H}: \quad \| (T - \lambda I)(x) \|_{\mathcal{H}} \geq c \| x \|_{\mathcal{H}}. $$

Reivindicación 1: $ c \in \mathbb{R}_{>0} $ es un denso lineal subespacio de $ \text{Range} \left( T^{*} - \overline{\lambda} I \right) $.

Prueba: Claramente, $ \mathcal{H} $ implica que el $ (\diamondsuit) $, lo que produce \begin{align} \overline{\text{Range} \left( T^{*} - \overline{\lambda} I \right)} &= \overline{\text{Range}((T - \lambda I)^{*})} \\ &= (\text{Ker}(T - \lambda I))^{\perp} \\ &= (\mathbf{0}_{\mathcal{H}})^{\perp} \\ &= \mathcal{H}. \end{align} Como $ \text{Ker}(T - \lambda I) = \{ \mathbf{0}_{\mathcal{H}} \} $ es un subespacio lineal de $ \text{Range} \left( T^{*} - \overline{\lambda} I \right) $, hemos terminado. $ \mathcal{H} $

Reivindicación 2: $ \quad \spadesuit $.

Prueba: vamos a probar, primero, que el $ \text{Range} \left( T^{*} - \overline{\lambda} I \right) = \mathcal{H} $ es cerrado en $ \text{Range}(T - \lambda I) $. Deje $ \mathcal{H} $ ser una secuencia en $ (x_{n})_{n \in \mathbb{N}} $ tal que $ \mathcal{H} $ converge a algunos $ ((T - \lambda I)(x_{n}))_{n \in \mathbb{N}} $. Vemos entonces por $ y \in \mathcal{H} $ que $ (\diamondsuit) $ es una secuencia de Cauchy en $ (x_{n})_{n \in \mathbb{N}} $, el cual debe tener un límite $ \mathcal{H} $ gracias a la integridad de $ x $. Como tal, $$ y = \lim_{n \to \infty} (T - \lambda I)(x_{n}) = (T - \lambda I) \left( \lim_{n \to \infty} x_{n} \right) = (T - \lambda I)(x). $$ Por lo tanto, $ \mathcal{H} $, lo que demuestra que $ y \in \text{Range}(T - \lambda I) $ es cerrado en $ \text{Range}(T - \lambda I) $.

La aplicación de la Cerrada Gama Teorema, nos encontramos con que $ \mathcal{H} $ también está cerrado en $ \text{Range} \left( T^{*} - \overline{\lambda} I \right) $. Por Reclamación $ \mathcal{H} $, por lo tanto, a la conclusión de que $ 1 $. $ \text{Range} \left( T^{*} - \overline{\lambda} I \right) = \mathcal{H} $

Como $ \quad \spadesuit $,$ \lambda \in {\sigma_{B(\mathcal{H})}}(T) $. Entonces como $ \overline{\lambda} \in {\sigma_{B(\mathcal{H})}}(T^{*}) $ es surjective (por Reclamación $ T^{*} - \overline{\lambda} I $), se sigue de las Delimitada Inversa Teorema que $ 2 $ no puede ser inyectiva. Por lo tanto, $ T^{*} - \overline{\lambda} I $ es un autovalor de a $ \overline{\lambda} $.

Trabajando hacia atrás ahora, vamos a $ T^{*} $. Si $ \lambda \in \mathbb{C} $ es aproximadamente un autovalor de a$ \lambda $), luego por el Problema de $ T $,$ 1 $. Si $ \lambda \in {\sigma_{B(\mathcal{H})}}(T) $ es un autovalor de a$ \overline{\lambda} $,$ T^{*} $, lo que implica que $ \overline{\lambda} \in {\sigma_{B(\mathcal{H})}}(T^{*}) $.

Conclusión: Vamos a $ \lambda \in {\sigma_{B(\mathcal{H})}}(T) $ ser un espacio de Hilbert y $ \mathcal{H} $. A continuación, $ T \in B(\mathcal{H}) $ si y sólo si $ \lambda \in {\sigma_{B(\mathcal{H})}}(T) $ es aproximadamente un autovalor de a $ \lambda $ o $ T $ es un autovalor de a $ \overline{\lambda} $.

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