閉線性運算元

閉線性運算元(closed linear operator)是一種特殊的線性運算元,常直接稱為閉運算元。連續線性運算元必是閉運算元,但閉運算元不一定是連續運算元。根據閉圖像定理可知,定義域是閉子空間的閉運算元是連續運算元。

定義

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

定義1(閉線性運算元)設X,Y均為Banach空間,T是 的線性運算元。對於任意的 ,若由 可得 ,且 ,則稱T為閉線性運算元,簡稱閉運算元。

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

註:每個連續線性運算元T都可以將定義域 延拓到 的閉包上,因此每個連續線性運算元T都可以看成是有閉定義域的,於是每個連續線性運算元必是閉運算元;但一般的閉線性運算元不一定是連續運算元(下面的例1證實了這一說法)。

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

例1考察微分運算元 ,它是定義在 上,取值於 的線性運算元。取函式 ,則

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

因此T是無界運算元,從而不是連續運算元。下證T是閉運算元。設 則對 另一方面,

閉線性運算元 閉線性運算元

所以,

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

閉線性運算元 閉線性運算元

定義2(線性運算元的圖像)令T是定義在 上到Y的線性運算元,稱

閉線性運算元 閉線性運算元

為T的圖像。

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

註: 是 的線性子空間。

性質

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

上面定義的閉線性運算元有一個重要性質,即T的圖象 為乘積空間 的一個閉線性子空間。定理描述為:

閉線性運算元 閉線性運算元

定理1 T是閉運算元的充分必要條件是 為閉集。

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

證明:(1)必要性 設 , . 因為T是閉運算元,則 , ,於是 ,故 是閉集。

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

(2)充分性 設 是閉的,若 ,那么

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

這表明

套用-閉圖像定理

閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元
閉線性運算元 閉線性運算元

定理2(閉圖像定理)設X,Y均為Banach空間,T是 的線性運算元。 是X中的閉集。若 是 中閉集,則T是連續的。

證:該定理的證明參見參考文獻[1] 的291-292頁。

由定理1可知,定理2還可敘述成:在定理2的條件下,若T是閉運算元,則T是連續的。因此定義域是閉子空間的閉運算元是連續運算元。

拓展

閉線性運算元原是泛函分析中的概念,後被引入魯棒控制中討論系統的不穩定攝動問題。經研究發現,控制系統中一個對象的傳遞函式P(s)(n×m階實有理矩陣),若僅在有限功率譜輸入與輸出情況下考慮,實際上等於引入了一個從輸入空間H到輸出空間H的閉線性運算元,這一結論為在魯棒控制中引入隔撲(Gap)概念討論系統的不穩定攝動打下了基礎。

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