Реферат: Компактные операторы

2.1 Определение компактного оператора

Определение: Оператор , отображающий банахово пространство в себя (или другое банахово пространство), называется компактным (вполне непрерывным), если он каждое ограниченное множество переводит в предкомпактное. ([1], стр.235).

Данное определение можно сформулировать в силу первого определения компактного множества следующим образом:

Определение: Пусть дан линейный оператор . Если он переводит любую ограниченную последовательность в , причем в можно выделить сходящуюся подпоследовательность, то такой оператор будем называть компактным.

2.2 Свойства компактных операторов

1. Из определения компактного оператора и ограниченности относительно компактного множества следует, что любой линейный компактной оператор является ограниченным, следовательно, непрерывным.

2. Если – компактный оператор, – ограниченный, то операторы и – компактные.

Доказательство. Если множество ограничено, то множество тоже ограничено. Следовательно, множество относительно компактно, а это и означает, что оператор вполне непрерывен. Далее, если ограничено, то относительно компактно, а тогда в силу непрерывности множество тоже относительно компактно, то есть оператор вполне непрерывен. Теорема доказана.

([1], стр.241).

3. Если операторы и компактные, действующие из нормированного пространства в нормированное пространство и – любые числа, то оператор также компактен.

Доказательство. Пусть множество ограничено. В его образе возьмем произвольную последовательность элементов . Тогда существуют , при которых . Положим . При этом . Так как множество компактно, а , то существует подпоследовательность , имеющая предел. Аналогично в компактном множестве из последовательности можно выделить подпоследовательность , имеющую предел. Но так как вместе с сходится и последовательность , то существует , что и доказывает компактность множества , а, следовательно, оператор компактен. ([2], стр.306).

4. Если – последовательность компактных операторов в банаховом пространстве , сходящаяся по норме к некоторому оператору , то оператор тоже компактен.

Доказательство. Для установления компактности оператора достаточно показать, что, какова бы ни была ограниченная последовательность элементов из , из последовательности можно выделить сходящуюся подпоследовательность.

Так как оператор компактен, то из последовательности. можно выбрать сходящуюся подпоследовательность. Пусть (2) – такая подпоследовательность, что сходится.

Рассмотрим теперь последовательность . Из неё тоже можно выбрать сходящуюся подпоследовательность. Пусть такая подпоследовательность выбранная из (2), что сходится. При этом, очевидно, что тоже сходится. Рассуждая аналогично, выберем из последовательности такую подпоследовательность , что сходится и т.д. Затем возьмем диагональную последовательность . Каждый из операторов переводит её в сходящуюся. Покажем, что и оператор тоже переводит её в сходящуюся. Тем самым мы покажем, что компактен. Так как пространство полно, то достаточно показать, что – фундаментальная последовательность. Имеем

.

Пусть , выберем сначала так, что , а потом выберем такое , чтобы при всех и выполнялось неравенство (это возможно, так как последовательность сходится). При этих условиях из предпоследнего неравенства получаем, что для всех достаточно больших и . Таким образом свойство доказано. ([1], стр. 239).

5. Оператор, сопряженный компактному оператору, компактен ([1], стр.241).

Примеры некомпактного и компактных операторов

Пусть – единичный оператор в банаховом пространстве . Покажем, что если бесконечномерно, то оператор не вполне непрерывен. Для этого достаточно показать, что единичный шар в (который переводится оператором в себя) не компактен. Это в свою очередь вытекает из следующей леммы.

Лемма: Пусть – линейно независимые векторы в нормированном пространстве и пусть – подпространство порожденное векторами . Тогда существует последовательность векторов , удовлетворяющая следующим условиям:

1)

2)

3)

– расстояние вектора от , т.е.

Пользуясь этой леммой, в единичном шаре всякого бесконечномерного нормированного пространства можно построить последовательность векторов , для которой . Ясно, что такая последовательность не может содержать никакой сходящейся подпоследовательности. А это и означает отсутствие компактности.

Примеры компактных операторов.

1.Простейшим примером компактного оператора является одномерный линейный оператор вида: , где – фиксированный элемент из пространства , а – фиксированный линейный функционал из пространства , которое является банаховым пространством.