Глава 6

Ограниченные линейные операторы

[51/82%]
Показать
LaTeX
§
Задача 6.1

Являются ли данные операторы A:l2→l2A: l_{2} \rightarrow l_{2} линейными? Непрерывными? Для непрерывных линейных операторов найти их нормы.

?
(1)

Ax=(0,2x3,0,2x4,0,2x5,0,…),x∈l2A x = \left(0,2 x_{3}, 0,2 x_{4}, 0,2 x_{5}, 0, \ldots \right), x \in l_{2};

(2)

Ax=(x12,x22,x32,…),x∈l2A x = \left(x_{1}^{2}, x_{2}^{2}, x_{3}^{2}, \ldots \right), x \in l_{2}.

Задача 6.2

Пусть X=L2(T,μ),α∈L∞(T,μ),μX = L_{2}(T, \mu ), \alpha \in L_{\infty }(T, \mu ), \mu — σ\sigma-конечна. Оператор умножения на α\alpha определён как (Ax)(t)=α(t)x(t)(A x)(t) = \alpha (t) x(t). Доказать, что AA принадлежит L(X)\mathcal{L}(X), и найти его норму.

?
Задача 6.3

Пусть X,YX, Y — нормированные линейные пространства, f∈X∗,y∈Yf \in X^{*}, y \in Y и Ax=f(x)y,x∈XA x = f(x) y, x \in X. Доказать, что A∈L(X,Y)A \in \mathcal{L}(X, Y), и найти ∥A∥\left\| A\right\|.

?
Задача 6.4

Найти норму оператора (Ax)(t)=∫02πsin⁡(t−s)x(s)ds(A x)(t) = \int_{0}^{2 \pi } \sin (t-s) x(s) d s в L2([0,2π])L_{2}(\left[0,2 \pi \right]).

?
§
Задача 6.5

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства, A∈L(X1,X2)A \in \mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right). Доказать равенства

∥A∥=sup⁡∥x∥1=1∥Ax∥2=sup⁡∥x∥1≤1∥Ax∥2==min⁡{C≥0∣∀x∈X1:∥Ax∥2≤C∥x∥1⋅} \begin{aligned} \left\| A\right\| = \sup _{\left\| x\right\| _{1} = 1}\left\| A x\right\| _{2} = \sup _{\left\| x\right\| _{1} \leq 1} & \left\| A x\right\| _{2} = \\ & \quad = \min \left\{ C \geq 0 \mid \forall x \in X_{1}:\left\| A x\right\| _{2} \leq C\left\| x\right\| _{1} \cdot \right\} \end{aligned}
?
Задача 6.6

Доказать, что непрерывный линейный оператор A:X→YA: X \rightarrow Y остаётся непрерывным, если нормы в XX и YY заменить на эквивалентные.

?
Задача 6.7

Пусть ∥⋅∥1\left\| \cdot \right\|_{1} и ∥⋅∥2\left\| \cdot \right\|_{2} — две эквивалентные нормы на линейном пространстве XX. Обозначим через XiX_{i} линейное пространство XX, снабжённое нормой ∥⋅∥i,i=1,2\left\| \cdot \right\|_{i}, i = 1,2. Доказать, что нормы в L(X1)\mathcal{L}\left(X_{1}\right) и L(X2)\mathcal{L}\left(X_{2}\right) эквивалентны.

?
Задача 6.8

Пусть X1X_{1} — конечномерное НЛП, X2X_{2} — произвольное НЛП. Доказать, что каждый линейный оператор A:X1→X2A: X_{1} \rightarrow X_{2} непрерывен. В частности, любой линейный оператор в конечномерном НЛП непрерывен.

?
Задача 6.9

Найти общий вид линейного оператора A:X→YA: X \rightarrow Y (который непрерывен согласно задаче 6.8∘6.8^{\circ }) и вычислить его норму в следующих случаях:

?
(1)

X=R1m,Y=R1nX = \mathbb {R}_{1}^{m}, Y = \mathbb {R}_{1}^{n};

(2)

X=R∞m,Y=R∞nX = \mathbb {R}_{\infty }^{m}, Y = \mathbb {R}_{\infty }^{n};

(3)

X=R1m,Y=R∞nX = \mathbb {R}_{1}^{m}, Y = \mathbb {R}_{\infty }^{n};

(4)

X=R∞m,Y=R1nX = \mathbb {R}_{\infty }^{m}, Y = \mathbb {R}_{1}^{n};

(5)

X=R2m,Y=R∞nX = \mathbb {R}_{2}^{m}, Y = \mathbb {R}_{\infty }^{n}.

Здесь Rpm\mathbb {R}_{p}^{m} — пространство Rm\mathbb {R}^{m}, снабжённое нормой ∥x∥p=(∑k=1m∣xk∣p)1/p\left\| x\right\|_{p} = \left(\sum_{k = 1}^{m}\left|x_{k}\right|^{p}\right)^{1 / p} для 1≤p<+∞1 \leq p < +\infty, а R∞m\mathbb {R}_{\infty }^{m} — пространство Rm\mathbb {R}^{m}, снабжённое нормой ∥x∥∞=max⁡1≤k≤m∣xk∣\left\| x\right\|_{\infty } = \max_{1 \leq k \leq m}\left|x_{k}\right|.

Задача 6.10

Пусть {αn:n≥1}\left\{ \alpha_{n}: n \geq 1\right\} — ограниченная последовательность. Найти норму диагонального оператора Ax=(α1x1,α2x2,…)A x = \left(\alpha_{1} x_{1}, \alpha_{2} x_{2}, \ldots \right) в lp,1≤p≤∞l_{p}, 1 \leq p \leq \infty.

?
Задача 6.11

Пусть α=α(t)\alpha = \alpha (t) — фиксированная функция из C([a,b]),AC(\left[a, b\right]), A — оператор умножения на функцию α:(Ax)(t)=α(t)x(t)\alpha :(A x)(t) = \alpha (t) x(t).

?
(1)

Доказать, что AA — непрерывный линейный оператор в C([a,b])C(\left[a, b\right]), и найти норму AA.

(2)

Доказать, что AA — непрерывный линейный оператор в Lp([a,b]),1≤p≤+∞L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p \leq +\infty, и найти норму AA.

Задача 6.12

Пусть AA — оператор умножения на измеримую по Лебегу функцию α\alpha в Lp([a,b]),1≤p≤+∞:(Ax)(t)=α(t)x(t)L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p \leq +\infty :(A x)(t) = \alpha (t) x(t). Доказать, что AA ограничен тогда и только тогда, когда α∈L∞([a,b])\alpha \in L_{\infty }(\left[a, b\right]). Найти норму AA.

?
Задача 6.13

Найти норму оператора A:Rm→l2A: \mathbb {R}^{m} \rightarrow l_{2}, если

Ax=(x1,…,xm,x12,…,xm2,x13,…,xm3,…), A x = \left(x_{1}, \ldots , x_{m}, \frac{x_{1}}{2}, \ldots , \frac{x_{m}}{2}, \frac{x_{1}}{3}, \ldots , \frac{x_{m}}{3}, \ldots \right),

x=(x1,…xm)∈Rmx = \left(x_{1}, \ldots x_{m}\right) \in \mathbb {R}^{m}, если Rm\mathbb {R}^{m} снабжено евклидовой нормой.

?
Задача 6.14

Пусть (αjk)j,k=1∞\left(\alpha_{j k}\right)_{j, k = 1}^{\infty } — бесконечная матрица с действительными или комплексными элементами такая, что ∑j,k=1∞∣αjk∣2<∞\sum_{j, k = 1}^{\infty }\left|\alpha_{j k}\right|^{2} < \infty. Доказать, что оператор умножения на эту матрицу, определённый равенствами (Ax)j=∑k=1∞αjkxk,j≥1(A x)_{j} = \sum_{k = 1}^{\infty } \alpha_{j k} x_{k}, j \geq 1, линеен и непрерывен в пространстве l2l_{2}. Оценить норму AA.

?
Задача 6.15

Интегральный оператор A:C([a,b])→C([a,b])A: C(\left[a, b\right]) \rightarrow C(\left[a, b\right]) с непрерывным ядром K∈C([a,b]2)K \in C\left(\left[a, b\right]^{2}\right) определён формулой (Ax)(t)=∫abK(t,s)x(s)ds,t∈[a,b](A x)(t) = \int_{a}^{b} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], x∈C([a,b])x \in C(\left[a, b\right]). Доказать, что AA линеен и непрерывен. Также доказать, что ∥A∥=max⁡t∈[a,b]∫ab∣K(t,s)∣ds\left\| A\right\| = \max_{t \in [a, b]} \int_{a}^{b}\left|K(t, s)\right| d s.

?
Задача 6.16

Интегральный оператор A:L1([a,b])→L1([a,b])A: L_{1}(\left[a, b\right]) \rightarrow L_{1}(\left[a, b\right]) с непрерывным ядром K∈C([a,b]2)K \in C\left(\left[a, b\right]^{2}\right) определён формулой (Ax)(t)=∫abK(t,s)x(s)ds,t∈[a,b](A x)(t) = \int_{a}^{b} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], x∈L1([a,b])x \in L_{1}(\left[a, b\right]). Доказать, что AA линеен и непрерывен. Также доказать, что ∥A∥=max⁡s∈[a,b]∫ab∣K(t,s)∣dt\left\| A\right\| = \max_{s \in [a, b]} \int_{a}^{b}\left|K(t, s)\right| d t.

?
Задача 6.17

Интегральный оператор A:L2([a,b])→L2([a,b])A: L_{2}(\left[a, b\right]) \rightarrow L_{2}(\left[a, b\right]) с ядром K∈L2([a,b]2)K \in L_{2}\left(\left[a, b\right]^{2}\right) определён формулой (Ax)(t)=∫[a,b]K(t,s)x(s)ds,t∈[a,b](A x)(t) = \underset {\left[a, b\right]}{\int } K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b]. Доказать, что AA линеен и непрерывен. Также доказать оценку

∥A∥≤∥K∥L2([a,b]2)=(∫[a,b]2∣K(t,s)∣2dtds)12 \left\| A\right\| \leq \left\| K\right\| _{L_{2}\left(\left[a, b\right]^{2}\right)} = \left(\int _{\left[a, b\right]^{2}}\left|K(t, s)\right|^{2} d t d s\right)^{\frac{1}{2}}
?
Задача 6.18

Интегральный оператор Вольтерра A:C([a,b])→C([a,b])A: C(\left[a, b\right]) \rightarrow C(\left[a, b\right]) с непрерывным ядром KK определён формулой (Ax)(t)=∫atK(t,s)x(s)ds,t∈[a,b](A x)(t) = \int_{a}^{t} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], где K∈C({(t,s)∈R2∣a≤s≤t≤b})K \in C\left(\left\{ (t, s) \in \mathbb {R}^{2} \mid a \leq s \leq t \leq b\right\} \right). Доказать, что AA линеен и непрерывен. Найти ∥A∥\left\| A\right\|.

?
Задача 6.19

Пусть uu — непрерывная 2π2 \pi-периодическая функция на R\mathbb {R}. Интегральный оператор A:L1([−π,π])→L1([−π,π])A: L_{1}(\left[-\pi , \pi \right]) \rightarrow L_{1}(\left[-\pi , \pi \right]) определён формулой (Ax)(t)=∫−ππu(t−s)x(s)ds,t∈[−π,π](A x)(t) = \int_{-\pi }^{\pi } u(t- s) x(s) d s, t \in [-\pi , \pi ]. Доказать, что AA линеен и непрерывен. Найти ∥A∥\left\| A\right\|.

?
Задача 6.20
?
(1)

Доказать, что оператор A:C1([a,b])→C([a,b])A: C^{1}(\left[a, b\right]) \rightarrow C(\left[a, b\right]), определённый формулой (Ax)(t)=dx(t)dt,t∈[a,b](A x)(t) = \frac{d x(t)}{d t}, t \in [a, b], линеен и непрерывен. Найти его норму.

(2)

Пусть X,YX, Y — линейные нормированные пространства. Оператор A:D(A)⊂X→YA: D(A) \subset X \rightarrow Y называется плотно определённым, если D(A)‾=X\overline{D(A)} = X, и замкнутым, если для любой последовательности {xn:n≥}\left\{ x_{n}: n \geq \right\} 1) ⊂X\subset X такой, что xn→xx_{n} \rightarrow x в XX и Axn→yA x_{n} \rightarrow y в YY, следует, что x∈D(A)x \in D(A) и y=Axy = A x.

Доказать, что оператор A:C1([a,b])⊂C([a,b])→C([a,b])A: C^{1}(\left[a, b\right]) \subset C(\left[a, b\right]) \rightarrow C(\left[a, b\right]), где (Ax)(t)=dx(t)dt,t∈[a,b],x∈C1([a,b])(A x)(t) = \frac{d x(t)}{d t}, t \in [a, b], x \in C^{1}(\left[a, b\right]), плотно определён и замкнут, но не непрерывен.

Задача 6.21

Пусть u,v∈L2([a,b])u, v \in L_{2}(\left[a, b\right]). Доказать, что интегральный оператор A:L2([a,b])→L2([a,b])A: L_{2}(\left[a, b\right]) \rightarrow L_{2}(\left[a, b\right]), определённый формулой

(Ax)(t)=∫[a,b]u(t)v(s)x(s)ds,t∈[a,b] (A x)(t) = \int _{\left[a, b\right]} u(t) v(s) x(s) d s, t \in [a, b]

линеен и непрерывен. Также доказать, что ∥A∥=∥u∥⋅∥v∥\left\| A\right\| = \left\| u\right\| \cdot \left\| v\right\|.

?
Задача 6.22

Найти норму оператора, определённого как Ax=xA x = x, который действует:

?
(1)

из C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right]) в C([a,b])C(\left[a, b\right]);

(2)

из Lp([a,b])L_{p}(\left[a, b\right]) в Lr([a,b]),1≤r≤p≤∞L_{r}(\left[a, b\right]), 1 \leq r \leq p \leq \infty.

Задача 6.23

Пусть K∈C([a,b]2),α<1K \in C\left(\left[a, b\right]^{2}\right), \alpha < 1. Доказать, что интегральный оператор A:C([a,b])→C([a,b])A: C(\left[a, b\right]) \rightarrow C(\left[a, b\right]), где (Ax)(t)=∫abK(t,s)∣t−s∣αx(s)ds,t∈[a,b](A x)(t) = \int_{a}^{b} \frac{K(t, s)}{\left|t-s\right|^{\alpha }} x(s) d s, t \in [a, b], линеен и непрерывен.

?
Задача 6.24
?
(1)

Найти nn-ю степень интегрального оператора Фредгольма A:L2([a,b])→L2([a,b])A: L_{2}(\left[a, b\right]) \rightarrow L_{2}(\left[a, b\right]), определённого формулой

(Ax)(t)=∫abK(t,s)x(s)ds,t∈[a,b],K∈L2([a,b]2) (A x)(t) = \int _{a}^{b} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], K \in L_{2}\left(\left[a, b\right]^{2}\right)
(2)

Найти nn-ю степень интегрального оператора Вольтерра A:L2([a,b])→L2([a,b])A: L_{2}(\left[a, b\right]) \rightarrow L_{2}(\left[a, b\right]), определённого формулой

(Ax)(t)=∫atK(t,s)x(s)ds,t∈[a,b],K∈L2({(t,s)∈[a,b]2∣s≤t}) (A x)(t) = \int _{a}^{t} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], K \in L_{2}\left(\left\{ (t, s) \in [a, b]^{2} \mid s \leq t\right\} \right)
Задача 6.25

Пусть числа α,β,γ\alpha , \beta , \gamma таковы, что 0≤γ≤α<β0 \leq \gamma \leq \alpha < \beta. Обозначим через CαC_{\alpha } банахово пространство функций x∈C([0,+∞))x \in C([0,+\infty )), для которых

sup⁡0≤t<∞eαt∣x(t)∣<∞ \sup _{0 \leq t < \infty } e^{\alpha t}\left|x(t)\right| < \infty

с нормой ∥x∥α=sup⁡0≤t<∞eαt∣x(t)∣\left\| x\right\|_{\alpha } = \sup_{0 \leq t < \infty } e^{\alpha t}\left|x(t)\right|. Показать, что оператор A:Cα→CγA: C_{\alpha } \rightarrow C_{\gamma }, определённый формулой (Ax)(t)=∫0te−β(t−s)x(s)ds,t≥0(A x)(t) = \int_{0}^{t} e^{-\beta (t-s)} x(s) d s, t \geq 0, линеен и непрерывен. Найти ∥A∥\left\| A\right\|.

?
Задача 6.26

Пусть HH — гильбертово пространство, y,z∈H,Ax=(x,y)z,x∈Hy, z \in H, A x = (x, y) z, x \in H. Показать, что A∈L(H)A \in \mathcal{L}(H), и найти ∥A∥\left\| A\right\|.

?
Задача 6.27

Пусть u,v∈C([a,b])u, v \in C(\left[a, b\right]) и (Ax)(t)=∫abu(t)v(s)x(s)ds(A x)(t) = \int_{a}^{b} u(t) v(s) x(s) d s. Показать, что A∈L(X)A \in \mathcal{L}(X), и найти норму ∥A∥\left\| A\right\|. Рассмотреть случаи

?
(1)

X=Lp([a,b])X = L_{p}(\left[a, b\right]);

(2)

X=C([a,b])X = C(\left[a, b\right]).

Задача 6.28

Оператор A∈L(X,Y)A \in \mathcal{L}(X, Y) называется конечномерным, если dim⁡R(A)<∞\operatorname {dim} R(A) < \infty. Показать, что AA конечномерен тогда и только тогда, когда существуют f1,…,fn∈X∗f_{1}, \ldots , f_{n} \in X^{*} и y1,…,yn∈Yy_{1}, \ldots , y_{n} \in Y такие, что

Ax=∑k=1nfk(x)yk,x∈X A x = \sum _{k = 1}^{n} f_{k}(x) y_{k}, x \in X
?
Задача 6.29

Установить общий вид конечномерного оператора

?
(1)

в гильбертовом пространстве;

(2)

в Lp([a,b]),1≤p<∞L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p < \infty;

(3)

в C([a,b])C(\left[a, b\right]).

Задача 6.30

Пусть {yk∣1≤k≤n}\left\{ y_{k} \mid 1 \leq k \leq n\right\} и {zk∣1≤k≤n}\left\{ z_{k} \mid 1 \leq k \leq n\right\} — две ортонормированные системы в гильбертовом пространстве HH. Найти норму оператора AA, где Ax=∑k=1nck(x,yk)zkA x = \sum_{k = 1}^{n} c_{k}\left(x, y_{k}\right) z_{k}, ck∈Cc_{k} \in \mathbb {C}.

?
Примечание.
?

Из задачи 12.32 следует, что каждый конечномерный оператор в гильбертовом пространстве HH имеет вид, описанный в задаче 6.30.

Задача 6.31

Доказать, что следующие интегральные операторы линейны и непрерывны. Найти их нормы.

?
(1)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=∫01tαsβx(s)ds,α≥0,β>−1X = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \int_{0}^{1} t^{\alpha } s^{\beta } x(s) d s, \alpha \geq 0, \beta > -1;

(2)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=∫01e3t−2sx(s)dsX = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \int_{0}^{1} e^{3 t-2 s} x(s) d s;

(3)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=∫01sin⁡π(t−s)x(s)ds;X = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \int_{0}^{1} \sin \pi (t-s) x(s) d s ;

(4)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=∫0πcos⁡tsin⁡sx(s)dsX = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \int_{0}^{\pi } \cos t \sin s x(s) d s;

(5)

X=L2([0,2π]),(Ax)(t)=∫02πcos⁡(t−s)x(s)dsX = L_{2}(\left[0,2 \pi \right]),(A x)(t) = \int_{0}^{2 \pi } \cos (t-s) x(s) d s;

(6)

X=L2([0,1]),(Ax)(t)=∫01tαsβx(s)ds,α>−12,β>−12X = L_{2}(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \int_{0}^{1} t^{\alpha } s^{\beta } x(s) d s, \alpha > -\frac{1}{2}, \beta > -\frac{1}{2};

(7)

X=L2([0,2π]),(Ax)(t)=∫02πsin⁡(t+s)x(s)dsX = L_{2}(\left[0,2 \pi \right]),(A x)(t) = \int_{0}^{2 \pi } \sin (t+s) x(s) d s;

(8)

X=L2([0,2π]),(Ax)(t)=∫02πcos⁡(2t+2s)x(s)dsX = L_{2}(\left[0,2 \pi \right]),(A x)(t) = \int_{0}^{2 \pi } \cos (2 t+2 s) x(s) d s;

(9)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=∫0tx(s)dsX = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \int_{0}^{t} x(s) d s.

Задача 6.32

Доказать, что следующие операторы A:l2→l2A: l_{2} \rightarrow l_{2} линейны и непрерывны. Найти их нормы.

?
(1)

Ax=(0,0,…,0⏟k,x1,x2,…)A x = (\underbrace{0,0, \ldots , 0}_{k}, x_{1}, x_{2}, \ldots );

(2)

Ax=(0,0,…,0⏟k,xk+1,xk+2,…)A x = (\underbrace{0,0, \ldots , 0}_{k}, x_{k+1}, x_{k+2}, \ldots );

(3)

Ax=(xk+1,xk+2,…)A x = \left(x_{k+1}, x_{k+2}, \ldots \right);

(4)

Ax=(x1,0,x2,0,x3,0,…)A x = \left(x_{1}, 0, x_{2}, 0, x_{3}, 0, \ldots \right);

(5)

Ax=(x1,0,x3,0,x5,0,…)A x = \left(x_{1}, 0, x_{3}, 0, x_{5}, 0, \ldots \right);

(6)

Ax=(0,x2,0,x4,0,x6,…)A x = \left(0, x_{2}, 0, x_{4}, 0, x_{6}, \ldots \right).

Задача 6.33

Доказать, что следующие операторы непрерывны и не линейны:

?
(1)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=x2(t)X = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = x^{2}(t);

(2)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=sin⁡x2(t)X = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \sin x^{2}(t);

(3)

X=C([0,1]),(Ax)(t)=∫01x2(t)dtX = C(\left[0,1\right]),(A x)(t) = \int_{0}^{1} x^{2}(t) d t.

Задача 6.34
?
(1)

Пусть X,YX, Y — нормированные линейные пространства. Доказать, что ядро Ker⁡A\operatorname {Ker} A каждого непрерывного линейного оператора A:X→YA: X \rightarrow Y является подпространством в XX.

(2)

Пусть A:X→YA: X \rightarrow Y — линейный оператор, для которого Ker⁡A\operatorname {Ker} A является подпространством в XX. Следует ли отсюда, что AA — ограниченный оператор?

(3)

Привести пример непрерывного линейного оператора AA, область значений которого

(a) является замкнутым множеством;

(b) не является замкнутым множеством.

Задача 6.35

Пусть X,YX, Y — банаховы пространства, A∈L(X,Y)A \in \mathcal{L}(X, Y) — оператор, для которого существует c>0c > 0 такое, что ∥Ax∥≥c∥x∥,x∈X\left\| A x\right\| \geq c\left\| x\right\| , x \in X. Доказать, что

?
(1)

R(A)R(A) является подпространством в YY;

(2)

Ker⁡A={0}\operatorname {Ker} A = \left\{ 0\right\}.

Задача 6.36

Пусть X,YX, Y — нормированные линейные пространства, и A:X→YA: X \rightarrow Y — линейный оператор, для которого dim⁡R(A)<+∞\operatorname {dim} R(A) < +\infty, а Ker⁡A\operatorname {Ker} A является замкнутым множеством в XX. Доказать, что A∈L(X,Y)A \in \mathcal{L}(X, Y).

?
Задача 6.37

Пусть HH — гильбертово пространство, G⊂HG \subset H — подпространство, Px=pr⁡GxP x = \operatorname {pr}_{G} x. Доказать, что оператор проектирования PP линеен и непрерывен. Найти норму PP.

?
Задача 6.38

Пусть AA — линейный оператор в НЛП XX. Доказать, что AA непрерывен тогда и только тогда, когда множество {x∈X∣∥Ax∥<1}\left\{ x \in X \mid \left\| A x\right\| < 1\right\} имеет внутренние точки.

?
Задача 6.39

Пусть AA — линейный оператор в НЛП XX, удовлетворяющий одному из следующих условий:

?
(1)

AA отображает каждую ограниченную последовательность в ограниченную последовательность;

(2)

AA отображает замкнутый единичный шар в ограниченное множество;

(3)

AA отображает каждую сильно сходящуюся последовательность в слабо сходящуюся последовательность.

Доказать, что AA — ограниченный оператор.

Задача 6.40

Пусть XX — НЛП, A:X→XA: X \rightarrow X. Доказать, что A∈L(X)A \in \mathcal{L}(X) тогда и только тогда, когда для каждого f∈X∗f \in X^{*} функционал f0(x)=f(Ax),x∈Xf_{0}(x) = f(A x), x \in X, линеен и непрерывен.

?
Задача 6.41

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства, {x,xn:n≥1}⊂X1\left\{ x, x_{n}: n \geq 1\right\} \subset X_{1} и A∈L(X1,X2)A \in \mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right). Доказать, что если xn→wx,n→∞x_{n} \xrightarrow {w} x, n \rightarrow \infty, то Axn→wAx,n→∞A x_{n} \xrightarrow {w} A x, n \rightarrow \infty.

?
Задача 6.42
?
(1)

При каких α≥0\alpha \geq 0 оператор (Ax)(t)=x(tα)(A x)(t) = x\left(t^{\alpha }\right) линеен и непрерывен в C([0,1])C(\left[0,1\right])? Найти его норму.

(2)

При каких α>0\alpha > 0 оператор (Ax)(t)=x(tα)(A x)(t) = x\left(t^{\alpha }\right) линеен и непрерывен в L2([0,1])L_{2}(\left[0,1\right])? Найти его норму.

(3)

При каких α>0\alpha > 0 и β∈R\beta \in \mathbb {R} оператор (Ax)(t)=tβx(tα)(A x)(t) = t^{\beta } x\left(t^{\alpha }\right) линеен и непрерывен в L2([0,1])L_{2}(\left[0,1\right])? Найти его норму.

Задача 6.43
?
(1)

Доказать, что операторы Ax=(x2,0),Bx=(x2,x1),x∈R2A x = \left(x_{2}, 0\right), B x = \left(x_{2}, x_{1}\right), x \in \mathbb {R}^{2}, линейны, непрерывны и не коммутируют;

(2)

Доказать, что операторы Ax=(x2,0),Bx=(0,x1),x∈R2A x = \left(x_{2}, 0\right), B x = \left(0, x_{1}\right), x \in \mathbb {R}^{2}, линейны, непрерывны и не коммутируют.

(3)

Доказать, что операторы (Ax)(t)=tx(t),(Bx)(t)=∫0tx(s)ds,t∈[0,1](A x)(t) = t x(t),(B x)(t) = \int_{0}^{t} x(s) d s, t \in [0,1], линейны, непрерывны в L2([0,1])L_{2}(\left[0,1\right]) и не коммутируют.

Задача 6.44
?
(1)

Пусть X=lp,1≤p≤+∞X = l_{p}, 1 \leq p \leq +\infty. Доказать, что пространство L(X)\mathcal{L}(X) несепарабельно.

(2)

Пусть X=Lp([a,b]),1≤p≤+∞X = L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p \leq +\infty. Доказать, что пространство L(X)\mathcal{L}(X) несепарабельно.

Задача 6.45

Пусть XX — несепарабельное НЛП. Доказать, что пространство L(X)\mathcal{L}(X) несепарабельно.

?
Задача 6.46

Пусть XX — банахово пространство, A∈L(X)A \in \mathcal{L}(X). Являются ли следующие функции нормами на XX:

?
(1)

∥x∥1=∥Ax∥\left\| x\right\|_{1} = \left\| A x\right\|?

(2)

∥x∥2=∥x∥+∥Ax∥\left\| x\right\|_{2} = \left\| x\right\| +\left\| A x\right\|?

Верно ли, что XX, снабжённое нормой ∥⋅∥2\left\| \cdot \right\|_{2}, является банаховым пространством?

Задача 6.47

Пусть XX — НЛП, YY — банахово пространство, линейное множество M⊂XM \subset X плотно в XX, и A∈L(M,Y)A \in \mathcal{L}(M, Y). Доказать, что оператор AA допускает единственное продолжение Aˉ∈L(X,Y)\bar{A} \in \mathcal{L}(X, Y), причём ∥Aˉ∥=∥A∥\left\| \bar{A}\right\| = \left\| A\right\|.

?
Задача 6.48

Пусть HH — гильбертово пространство, A:H→HA: H \rightarrow H — линейный оператор. Доказать, что A∈L(H)A \in \mathcal{L}(H) тогда и только тогда, когда ∃C>0∀x,y∈H:∣(Ax,y)∣≤C∥x∥⋅∥y∥\exists C > 0 \forall x, y \in H:\left|(A x, y)\right| \leq C\left\| x\right\| \cdot \left\| y\right\|.

Более того, ∥A∥=sup⁡∥x∥=1,∥y∥=1∣(Ax,y)∣\left\| A\right\| = \sup_{\left\| x\right\| = 1,\left\| y\right\| = 1}\left|(A x, y)\right|.

?
Задача 6.49
?
(1)

Пусть оператор A:L2(T,μ)→L2(T,μ)A: L_{2}(T, \mu ) \rightarrow L_{2}(T, \mu ) — интегральный оператор с ядром K,(Ax)(t)=∫TK(t,s)x(s)dμ(s),t∈TK,(A x)(t) = \int_{T} K(t, s) x(s) d \mu (s), \quad t \in T, где c1=ess⁡sup⁡t∈T∫T∣K(t,s)∣dμ(s)<∞,c2=ess⁡sup⁡s∈T∫T∣K(t,s)∣dμ(t)<∞c_{1} = \underset {t \in T}{\operatorname {ess} \sup } \int_{T}\left|K(t, s)\right| d \mu (s) < \infty , c_{2} = \underset {s \in T}{\operatorname {ess} \sup } \int_{T}\left|K(t, s)\right| d \mu (t) < \infty. Доказать, что A∈L(L2(T,μ))A \in \mathcal{L}\left(L_{2}(T, \mu )\right) и ∥A∥≤(c1c2)12\left\| A\right\| \leq \left(c_{1} c_{2}\right)^{\frac{1}{2}}.

(2)

Пусть K∈L∞([a,b]2),α<1K \in L_{\infty }\left(\left[a, b\right]^{2}\right), \alpha < 1. Доказать, что оператор A:L2([a,b])→L2([a,b])A: L_{2}(\left[a, b\right]) \rightarrow L_{2}(\left[a, b\right]), где (Ax)(t)=∫abK(t,s)∣t−s∣αx(s)ds,t∈[a,b](A x)(t) = \int_{a}^{b} \frac{K(t, s)}{\left|t-s\right|^{\alpha }} x(s) d s, \quad t \in [a, b], линеен и непрерывен.

(3)

Пусть u∈L1(R)u \in L_{1}(\mathbb {R}). Доказать, что интегральный оператор A:L2(R)→L2(R)A: L_{2}(\mathbb {R}) \rightarrow L_{2}(\mathbb {R}), определённый формулой

(Ax)(t)=∫Ru(t−s)x(s)ds,t∈R (A x)(t) = \int _{\mathbb {R}} u(t-s) x(s) d s, t \in \mathbb {R}

(оператор свёртки с функцией uu) линеен и непрерывен.

Задача 6.50

Система множеств A={Aα:α∈T}\mathcal{A} = \left\{ A_{\alpha }: \alpha \in T\right\} называется связанной, если каждая пара множеств из A\mathcal{A} имеет непустое пересечение. Банахово пространство XX является пространством типа M\mathcal{M}, если каждая связанная система замкнутых шаров в XX имеет непустое пересечение.

Доказать, что

?
(1)

Пространство C\mathbb {C} не является пространством типа M\mathcal{M}, тогда как действительные пространства R,L∞(T,μ)\mathbb {R}, L_{\infty }(T, \mu ) являются пространствами типа M\mathcal{M}.

(2)

Каждое пространство типа M\mathcal{M} является банаховым пространством.

(3)

Пусть XX — действительное НЛП, G⊂XG \subset X — подпространство в X,YX, Y — действительное пространство типа M\mathcal{M}, и A:G→YA: G \rightarrow Y — непрерывный линейный оператор. Тогда существует непрерывное линейное продолжение Aˉ\bar{A} оператора AA на XX, сохраняющее норму, т.е. продолжение, для которого ∥Aˉ∥=∥A∥\left\| \bar{A}\right\| = \left\| A\right\|.

Задача 6.51

Пусть A,BA, B — линейные операторы в гильбертовом пространстве HH такие, что (Ax,y)=(x,By)(A x, y) = (x, B y) для всех x,y∈Hx, y \in H. Доказать, что A,B∈L(H)A, B \in \mathcal{L}(H).

?