Сопряжённый линейный оператор

Пространство линейных операторов и норма

\begin{abstract} \textbf{Курсивное описание:} В этой статье вводится пространство линейных непрерывных операторов $\LL(X, Y)$ и изучается понятие нормы линейного оператора. Доказываются основные свойства нормы и её связь с ограниченностью операторов. \end{abstract}

Пространство линейных операторов

Пусть $$\LL(X, Y)$$ — множество всех линейных непрерывных операторов, действующих из $$X$$ в $$Y$$. Введём в $$\LL(X, Y)$$ операции сложения и умножения на скаляр: $$(A + B)x = Ax + Bx, \quad (\lambda A)x = \lambda Ax$$.

Множество $$L(X, Y)$$ с такими операциями образует линейное пространство.

Определение нормы

Определение 1. Пусть $$X$$ — линейное пространство. Функция $$\|\cdot\|: X \to \mathbb{R}$$, определённая на $$X$$, является нормой, если выполнены аксиомы:

1. $$\forall x \in X \|x\| \geq 0$$; $$\|x\| = 0 \Leftrightarrow x = 0$$,

2. $$\forall x \in X$$ $$\forall \lambda \in \mathbb{R}$$; $$\|\lambda x\| = |\lambda| \cdot \|x\|$$,

3. $$\forall x, y \in X$$; $$\|x + y\| \leq \|x\| + \|y\|$$.

Любая норма порождает метрику над $$X$$: $$\rho(x,y) = \|x - y\|$$.

Норма линейного оператора

Определение 2. Нормой линейного оператора $$A \in ''L''(X, Y)$$ называется число

$$\|A\| = \sup_{\|x\| \leq 1} \|Ax\|$$.

Свойства нормы оператора

Теорема 1. Функция $\|\cdot\| : \LL(X, Y) \to \mathbb{R}$ является нормой, т.е. удовлетворяет аксиомам:

1. $\forall A \in \LL(X, Y)$; $\|A\| \geq 0$; $\|A\| = 0 \Leftrightarrow A = 0$,

2. $\forall A \in \LL(X, Y)$ $\forall \lambda \in \mathbb{R}$; $\|\lambda A\| = |\lambda| \cdot \|A\|$,

3. $\forall A, B \in \LL(X, Y)$; $\|A + B\| \leq \|A\| + \|B\|$.

Доказательство.

1) Очевидно, $\|A\| \geq 0$. Если $\|A\| = 0$, то $\|Ax\| = 0$ для всех $x$ с $\|x\| \leq 1$, откуда $A = 0$.

2) $\|\lambda A\| = \sup_{\|x\| \leq 1} \|\lambda Ax\| = |\lambda| \sup_{\|x\| \leq 1} \|Ax\| = |\lambda| \cdot \|A\|$.

3) Для любого $x$ с $\|x\| \leq 1$ имеем: \[ \|(A + B)x\| = \|Ax + Bx\| \leq \|Ax\| + \|Bx\| \leq \|A\| + \|B\|. \] Переходя к супремуму, получаем $\|A + B\| \leq \|A\| + \|B\|$. $\square$

Основная оценка для ограниченных операторов

Теорема 2. Если $A$ — ограниченный линейный оператор, то справедлива оценка \[ \|Ax\| \leq \|A\| \cdot \|x\| \] для всех $x \in X$, где $\|A\| = \sup_{\|x\| \leq 1} \|Ax\|$.

Доказательство.

При $x = 0$ неравенство очевидно. Пусть $x \neq 0$, рассмотрим $x' = \frac{x}{\|x\|}$. Поскольку $\|x'\| = 1$, то по определению нормы $\|Ax'\| \leq \|A\|$. Подставляя $x'$, получим $\frac{\|Ax\|}{\|x\|} \leq \|A\|$, т.е. $\|Ax\| \leq \|A\| \cdot \|x\|$, что и требовалось доказать. $\square$