Сопряжённый линейный оператор

Определение сопряженного оператора

Пусть $$E$$ и $$E_1$$ — банаховы пространства, и пусть $$A: E \rightarrow E_1$$ — непрерывный линейный оператор. Обозначим через $$E^*$$ и $$E_1^*$$ сопряжённые пространства.

Определение 1. Сопряжённым оператором к оператору $$A$$ называется оператор $$A^*: E_1^* \rightarrow E^*$$, действующий по правилу: $$(A^*g, x) = (g, Ax) \quad \text{для всех } x \in E.$$ Здесь запись $$(f, x)$$ означает значение функционала $$f$$ на элементе $$x$$.

Свойства сопряженных операторов

Теорема 1. Для сопряженных операторов выполняются следующие свойства:

1. $$A^*$$ — линейный оператор

2. $$(A + B)^* = A^* + B^*$$

3. $$(\lambda A)^* = \lambda A^*$$

Доказательство. 1) Линейность $$A^*$$: Для любых $$g_1, g_2 \in E_1^*$$ и $$\alpha, \beta \in \mathbb{R}$$ имеем: \begin{align*} (A^*(\alpha g_1 + \beta g_2), x) = (\alpha g_1 + \beta g_2, Ax) = \alpha(g_1, Ax) + \beta(g_2, Ax) = \alpha(A^*g_1, x) + \beta(A^*g_2, x) = (\alpha A^*g_1 + \beta A^*g_2, x) \end{align*} Поскольку равенство выполняется для всех $$x \in E$$, получаем: $$$A^*(\alpha g_1 + \beta g_2) = \alpha A^*g_1 + \beta A^*g_2$$$

2) Равенство $$(A + B)^* = A^* + B^*$$: Для любого $$g \in E_1^*$$ и любого $$x \in E$$: \begin{align*} ((A + B)^*g, x) &= (g, (A + B)x) = (g, Ax + Bx) = (g, Ax) + (g, Bx) = (A^*g, x) + (B^*g, x) = ((A^* + B^*)g, x) \end{align*} Следовательно, $$(A + B)^* = A^* + B^*$$.

3) Равенство $$(\lambda A)^* = \lambda A^*$$: Для любого $$g \in E_1^*$$ и любого $$x \in E$$: \begin{align*} ((\lambda A)^*g, x) = (g, (\lambda A)x) = (g, \lambda Ax) = \lambda(g, Ax) = \lambda(A^*g, x) = (\lambda A^*g, x) \end{align*} Следовательно, $$(\lambda A)^* = \lambda A^*$$. $$\square$$

Норма сопряженного оператора

Теорема 2. Если $$A: E \rightarrow E_1$$ — ограниченный линейный оператор между банаховыми пространствами, то: $$\|A^*\| = \|A\|.$$

Доказательство.

1) Оценка сверху: $$\|A^*\| \leq \|A\|$$

Для любого $$g \in E_1^*$$ и любого $$x \in E$$ имеем: $$|(A^*g, x)| = |(g, Ax)| \leq \|g\| \cdot \|A\| \cdot \|x\|.$$ Отсюда $$\|A^*g\| \leq \|A\| \cdot \|g\|$$, следовательно $$\|A^*\| \leq \|A\|$$.

2) Оценка снизу: $$\|A\| \leq \|A^*\|$$

По следствию из теоремы Хана-Банаха, для любого $$x \in E$$ существует функционал $$g \in E_1^*$$ с $$\|g\| = 1$$ такой, что $$(g, Ax) = \|Ax\|$$. Тогда: $$\|Ax\| = (g, Ax) = (A^*g, x) \leq \|A^*g\| \cdot \|x\| \leq \|A^*\| \cdot \|x\|.$$ Следовательно $$\|A\| \leq \|A^*\|$$.

Из двух оценок получаем равенство норм. $$\square$$

Связь ядра и образа

Теорема 3. Пусть $$A: E \to E_1$$ — непрерывный линейный оператор, отображающий $$E$$ на всё $$E_1$$. Тогда: $$(\text{Ker}A)^\perp = \text{Im}A^*$$

Доказательство.

1) Включение $$\text{Im}A^* \subset (\text{Ker}A)^\perp$$:

Если $$f \in \text{Im}A^*$$, то существует $$g \in E_1^*$$ такой, что $$f = A^*g$$. Для любого $$x \in \text{Ker}A$$: $$$(f, x) = (A^*g, x) = (g, Ax) = (g, 0) = 0.$$$ Следовательно, $$f \in (\text{Ker}A)^\perp$$.

2) Включение $$(\text{Ker}A)^\perp \subset \text{Im}A^*$$:

Пусть $$f \in (\text{Ker}A)^\perp$$. По лемме о тройке существует $$g \in E_1^*$$ такой, что $$(f, x) = (g, Ax)$$ для всех $$x \in E$$, то есть $$f = A^*g$$. Следовательно, $$f \in \text{Im}A^*$$.

Оба включения доказаны. $$\square$$

Примеры

Пример в конечномерном пространстве Пусть $$A: \RR^n \rightarrow \RR^m$$ — линейный оператор, заданный матрицей $$\|a_{ij}\|$$. Тогда:

- Отображение $$y = Ax$$: $$y_i = \sum_{j=1}^n a_{ij} x_j, \quad i = 1, 2, \ldots, m.$$

- Функционал $$g \in (\RR^m)^*$$: $$(g, y) = \sum_{i=1}^m g_i y_i.$$

- Функционал $$f \in (\RR^n)^*$$: $$(f, x) = \sum_{j=1}^n f_j x_j.$$

Вычисляя $$(g, Ax)$$, получаем: $$(g, Ax) = \sum_{i=1}^m g_i \left( \sum_{j=1}^n a_{ij} x_j \right) = \sum_{j=1}^n \left( \sum_{i=1}^m g_i a_{ij} \right) x_j.$$

Отсюда следует, что: $$(A^*g)_j = \sum_{i=1}^m a_{ij} g_i,$$ то есть оператор $$A^*$$ задаётся \textbf{транспонированной матрицей}.

Пример 2. Рассмотрим оператор $$A: L^2[0,1] \rightarrow L^2[0,1]$$: $$(Ax)(t) = \int_0^1 K(t, s) x(s) ds,$$ где $$K(t, s)$$ — непрерывная функция.

Скалярное произведение в $$L^2$$: $$(g, x) = \int_0^1 g(t) x(t) dt$$. Вычисляем: $$(g, Ax) = \int_0^1 g(t) \left( \int_0^1 K(t, s) x(s) ds \right) dt = \int_0^1 x(s) \left( \int_0^1 g(t) K(t, s) dt \right) ds.$$

Отсюда получаем: $$(A^*g)(s) = \int_0^1 K(t, s) g(t) dt,$$ то есть сопряжённый оператор также является интегральным с транспонированным ядром.

Список литературы

1. Точилин П. А. Семинарские занятия по функциональному анализу, 2025г.

2. Колмогоров А. Н., Фомин С. В. Элементы теории функций и функционального анализа. М: Наука, 1976.