1 定義と基本性質
定義 1.1. X , Y X,Y X , Y を Banach 空間とし、T : X → Y T:X\to Y T : X → Y を有界線形作用素とする。X X X の閉単位球B X B_X B X に対してT ( B X ) ‾ \overline{T(B_X)} T ( B X ) がY Y Y でコンパクトであるとき、T T T をコンパクト作用素 (compact operator ) という。
命題 1.2. 有界線形作用素T : X → Y T:X\to Y T : X → Y について、次は同値である。
T T T はコンパクトである。
X X X の任意の有界列( x n ) (x_n) ( x n ) に対して、( T x n ) (Tx_n) ( T x n ) はY Y Y で収束する部分列をもつ。
証明. (1) ⇒ \Rightarrow ⇒ (2) を示す。有界列( x n ) (x_n) ( x n ) に対して∥ x n ∥ ≤ C \|x_n\|\le C ∥ x n ∥ ≤ C となるC > 0 C>0 C > 0 をとる。C = 0 C=0 C = 0 なら全てのn n n についてx n = 0 x_n=0 x n = 0 であり、( T x n ) (Tx_n) ( T x n ) は0 0 0 へ収束する。C > 0 C>0 C > 0 ならT x n ∈ C T ( B X ) Tx_n\in C\,T(B_X) T x n ∈ C T ( B X ) であり、その閉包はコンパクトである。距離空間ではコンパクト性と点列コンパクト性が同値なので、収束部分列が存在する。
(2) ⇒ \Rightarrow ⇒ (1) を示す。T ( B X ) T(B_X) T ( B X ) の任意の列( y n ) (y_n) ( y n ) に対してy n = T x n y_n=Tx_n y n = T x n 、x n ∈ B X x_n\in B_X x n ∈ B X と書くことができる。仮定により( y n ) (y_n) ( y n ) は収束部分列をもつ。したがってT ( B X ) T(B_X) T ( B X ) は相対点列コンパクトである。距離空間では相対点列コンパクト性と閉包のコンパクト性が同値なので、T ( B X ) ‾ \overline{T(B_X)} T ( B X ) はコンパクトである。▨
命題 1.3. X , Y X,Y X , Y を Banach 空間とし、T : X → Y T:X\to Y T : X → Y を有限階数作用素、すなわち像Ran T \operatorname{Ran}T Ran T が有限次元である有界線形作用素とする。このときT T T はコンパクトである。
証明. T ( B X ) T(B_X) T ( B X ) は有限次元部分空間Ran T \operatorname{Ran}T Ran T の有界集合である。有限次元部分空間は閉じており、その中の有界閉集合はコンパクトであるから、T ( B X ) ‾ \overline{T(B_X)} T ( B X ) はコンパクトである。▨
命題 1.4. X , Y , Z X,Y,Z X , Y , Z を Banach 空間とする。T : X → Y T:X\to Y T : X → Y がコンパクトであり、A : Y → Z A:Y\to Z A : Y → Z とB : Z → X B:Z\to X B : Z → X が有界であるとする。このときA T AT A T とT B TB T B はコンパクトである。
証明. X X X の有界列( x n ) (x_n) ( x n ) に対して、命題 1.2 により( T x n ) (Tx_n) ( T x n ) は収束部分列をもつ。その部分列へ連続なA A A を適用した列も収束するので、同じ特徴づけによりA T AT A T はコンパクトである。また、Z Z Z の有界列( z n ) (z_n) ( z n ) に対して( B z n ) (Bz_n) ( B z n ) は有界であるから、( T B z n ) (TBz_n) ( T B z n ) は収束部分列をもつ。よってT B TB T B はコンパクトである。▨
命題 1.5. X , Y X,Y X , Y を Banach 空間とする。コンパクト作用素T n : X → Y T_n:X\to Y T n : X → Y が有界線形作用素T : X → Y T:X\to Y T : X → Y へ作用素ノルムで収束するとする。このときT T T はコンパクトである。
証明. 有界列( x k ) (x_k) ( x k ) をとり、∥ x k ∥ ≤ C \|x_k\|\le C ∥ x k ∥ ≤ C とする。T 1 T_1 T 1 のコンパクト性から部分列をとり、その部分列からT 2 T_2 T 2 の像が収束する部分列をとる。この操作を続け、対角部分列( x k j ) (x_{k_j}) ( x k j ) をとると、各n n n について( T n x k j ) j (T_nx_{k_j})_j ( T n x k j ) j は収束する。ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 に対して、2 C ∥ T − T n ∥ < ε / 2 2C\|T-T_n\|<\varepsilon/2 2 C ∥ T − T n ∥ < ε /2 となるn n n を固定する。十分大きいj , l j,l j , l では∥ T n x k j − T n x k l ∥ < ε / 2 \|T_nx_{k_j}-T_nx_{k_l}\|<\varepsilon/2 ∥ T n x k j − T n x k l ∥ < ε /2 なので
∥ T x k j − T x k l ∥ ≤ 2 C ∥ T − T n ∥ + ∥ T n x k j − T n x k l ∥ < ε . \|Tx_{k_j}-Tx_{k_l}\|
\le 2C\|T-T_n\|+\|T_nx_{k_j}-T_nx_{k_l}\|<\varepsilon. ∥ T x k j − T x k l ∥ ≤ 2 C ∥ T − T n ∥ + ∥ T n x k j − T n x k l ∥ < ε . Y Y Y は完備であるから( T x k j ) (Tx_{k_j}) ( T x k j ) は収束する。命題 1.2 によりT T T はコンパクトである。▨
2 二乗可積分核から定まる積分作用素
補題 2.1. ( Ω , Σ , μ ) (\Omega,\Sigma,\mu) ( Ω , Σ , μ ) を σ-有限測度空間とする。関数
( x , y ) ⟼ ∑ j = 1 N a j ( x ) b j ( y ) , a j , b j ∈ L 2 ( μ ) , (x,y)\longmapsto\sum_{j=1}^N a_j(x)b_j(y),
\qquad a_j,b_j\in L^2(\mu), ( x , y ) ⟼ j = 1 ∑ N a j ( x ) b j ( y ) , a j , b j ∈ L 2 ( μ ) , の全体はL 2 ( μ × μ ) L^2(\mu\times\mu) L 2 ( μ × μ ) で稠密である。
証明. Ω m ↑ Ω \Omega_m\uparrow\Omega Ω m ↑ Ω 、μ ( Ω m ) < ∞ \mu(\Omega_m)<\infty μ ( Ω m ) < ∞ となる可測集合列をとる。任意のK ∈ L 2 ( μ × μ ) K\in L^2(\mu\times\mu) K ∈ L 2 ( μ × μ ) に対し、
K m = K 1 Ω m × Ω m 1 { ∣ K ∣ ≤ m } K_m=K\,\mathbf1_{\Omega_m\times\Omega_m}\,\mathbf1_{\{|K|\le m\}} K m = K 1 Ω m × Ω m 1 { ∣ K ∣ ≤ m } とおく。∣ K − K m ∣ 2 → 0 |K-K_m|^2\to0 ∣ K − K m ∣ 2 → 0 がほとんど至る所で成り立ち、∣ K − K m ∣ 2 ≤ 4 ∣ K ∣ 2 |K-K_m|^2\le4|K|^2 ∣ K − K m ∣ 2 ≤ 4∣ K ∣ 2 であるから、§E9.7 定理 3.2 によりK m → K K_m\to K K m → K がL 2 L^2 L 2 で成り立つ。したがって有限測度の長方形上の有界可測関数を近似すれば十分である。
D = Ω m × Ω m D=\Omega_m\times\Omega_m D = Ω m × Ω m を固定する。D D D の可測部分集合E E E で、1 E \mathbf1_E 1 E が有限個の可測長方形の指示関数の線形包のL 2 L^2 L 2 閉包に属するものの全体をD \mathcal D D とする。D ∈ D D\in\mathcal D D ∈ D であり、E ∈ D E\in\mathcal D E ∈ D なら1 D ∖ E = 1 D − 1 E \mathbf1_{D\setminus E}=\mathbf1_D-\mathbf1_E 1 D ∖ E = 1 D − 1 E であるからD ∖ E ∈ D D\setminus E\in\mathcal D D ∖ E ∈ D である。また、互いに素なE n ∈ D E_n\in\mathcal D E n ∈ D に対し、有限和は同じ閉包に属し、
∥ 1 ⋃ n E n − 1 ⋃ n ≤ N E n ∥ 2 2 = ( μ × μ ) ( ⋃ n > N E n ) ⟶ 0 \left\|\mathbf1_{\bigcup_nE_n}-\mathbf1_{\bigcup_{n\le N}E_n}\right\|_2^2
=(\mu\times\mu)\left(\bigcup_{n>N}E_n\right)\longrightarrow0 1 ⋃ n E n − 1 ⋃ n ≤ N E n 2 2 = ( μ × μ ) ( n > N ⋃ E n ) ⟶ 0 である。よってD \mathcal D D はD D D 上の Dynkin 系である。可測長方形は共通部分で閉じたπ \pi π 系であり、D \mathcal D D に含まれる。§E9.1 定理 4.8 により、D \mathcal D D はD D D の積 σ-加法族を全て含む。
有界可測関数は、実部と虚部を値の小区間に分けることにより、可測単関数で一様に近似することができる。D D D の測度は有限なので一様近似はL 2 L^2 L 2 近似でもある。各単関数の指示関数を上の長方形指示関数でL 2 L^2 L 2 近似すれば、K m K_m K m は有限個の1 A ( x ) 1 B ( y ) \mathbf1_A(x)\mathbf1_B(y) 1 A ( x ) 1 B ( y ) の線形結合で近似される。A , B ⊆ Ω m A,B\subseteq\Omega_m A , B ⊆ Ω m は有限測度なので、1 A , 1 B ∈ L 2 ( μ ) \mathbf1_A,\mathbf1_B\in L^2(\mu) 1 A , 1 B ∈ L 2 ( μ ) である。m → ∞ m\to\infty m → ∞ と対角的に近似を選べば主張を得る。▨
定理 2.2. ( Ω , Σ , μ ) (\Omega,\Sigma,\mu) ( Ω , Σ , μ ) を σ-有限測度空間とし、K ∈ L 2 ( μ × μ ) K\in L^2(\mu\times\mu) K ∈ L 2 ( μ × μ ) とする。ほとんど全てのx x x で
( T K f ) ( x ) = ∫ Ω K ( x , y ) f ( y ) d μ ( y ) (T_Kf)(x)=\int_\Omega K(x,y)f(y)\,d\mu(y) ( T K f ) ( x ) = ∫ Ω K ( x , y ) f ( y ) d μ ( y ) と定めると、T K : L 2 ( μ ) → L 2 ( μ ) T_K:L^2(\mu)\to L^2(\mu) T K : L 2 ( μ ) → L 2 ( μ ) はコンパクト作用素であり、∥ T K ∥ ≤ ∥ K ∥ L 2 ( μ × μ ) \|T_K\|\le\|K\|_{L^2(\mu\times\mu)} ∥ T K ∥ ≤ ∥ K ∥ L 2 ( μ × μ ) を満たす。
証明. K K K とf f f の可測代表元を一つずつ選ぶ。§E9.11 定理 2.3 により、ほとんど全てのx x x についてK ( x , ⋅ ) ∈ L 2 ( μ ) K(x,\,\cdot\,)\in L^2(\mu) K ( x , ⋅ ) ∈ L 2 ( μ ) である。そのようなx x x では Cauchy–Schwarz の不等式によりK ( x , ⋅ ) f ∈ L 1 ( μ ) K(x,\,\cdot\,)f\in L^1(\mu) K ( x , ⋅ ) f ∈ L 1 ( μ ) である。
h ( x , y ) = K ( x , y ) f ( y ) h(x,y)=K(x,y)f(y) h ( x , y ) = K ( x , y ) f ( y ) とおくとh h h は積 σ-加法族について可測である。実部と虚部の正部分および負部分に
Tonelli の定理を適用すると、それぞれのy y y に関する積分はx x x の可測関数である。上で得たh ( x , ⋅ ) ∈ L 1 ( μ ) h(x,\,\cdot\,)\in L^1(\mu) h ( x , ⋅ ) ∈ L 1 ( μ ) により、これら四つの積分はほとんど全てのx x x で有限である。したがってx ↦ ∫ Ω h ( x , y ) d μ ( y ) x\mapsto\int_\Omega h(x,y)\,d\mu(y) x ↦ ∫ Ω h ( x , y ) d μ ( y ) は、例外集合上で0 0 0 と定めれば可測関数になる。
K ′ K' K ′ がK K K と積空間上でほとんど至る所一致する別の代表元であるとする。N = { ( x , y ) : K ( x , y ) ≠ K ′ ( x , y ) } N=\{(x,y):K(x,y)\ne K'(x,y)\} N = {( x , y ) : K ( x , y ) = K ′ ( x , y )} とおけば( μ × μ ) ( N ) = 0 (\mu\times\mu)(N)=0 ( μ × μ ) ( N ) = 0 である。Tonelli の定理を1 N \mathbf1_N 1 N に適用すると、切断N x = { y : ( x , y ) ∈ N } N_x=\{y:(x,y)\in N\} N x = { y : ( x , y ) ∈ N } はほとんど全てのx x x についてμ ( N x ) = 0 \mu(N_x)=0 μ ( N x ) = 0 を満たす。したがってK K K とK ′ K' K ′ から得る積分はほとんど全てのx x x で一致する。また、f = f ′ f=f' f = f ′ がほとんど至る所で成り立つなら、K ( x , ⋅ ) ∈ L 2 ( μ ) K(x,\,\cdot\,)\in L^2(\mu) K ( x , ⋅ ) ∈ L 2 ( μ ) である全てのx x x についてK ( x , ⋅ ) f K(x,\,\cdot\,)f K ( x , ⋅ ) f とK ( x , ⋅ ) f ′ K(x,\,\cdot\,)f' K ( x , ⋅ ) f ′ はほとんど至る所一致する。ゆえに、上の積分はK K K とf f f の代表元によらず、可測関数のほとんど至る所の同値類を定める。
さらに Cauchy–Schwarz の不等式から
∣ T K f ( x ) ∣ 2 ≤ ( ∫ Ω ∣ K ( x , y ) ∣ 2 d μ ( y ) ) ∥ f ∥ 2 2 . |T_Kf(x)|^2
\le\left(\int_\Omega|K(x,y)|^2\,d\mu(y)\right)\|f\|_2^2. ∣ T K f ( x ) ∣ 2 ≤ ( ∫ Ω ∣ K ( x , y ) ∣ 2 d μ ( y ) ) ∥ f ∥ 2 2 . 両辺をx x x について積分すると∥ T K f ∥ 2 ≤ ∥ K ∥ 2 ∥ f ∥ 2 \|T_Kf\|_2\le\|K\|_2\|f\|_2 ∥ T K f ∥ 2 ≤ ∥ K ∥ 2 ∥ f ∥ 2 を得る。したがって、この同値類はL 2 ( μ ) L^2(\mu) L 2 ( μ ) に属する。積分の線形性によりT K T_K T K は線形であり、この評価から∥ T K ∥ ≤ ∥ K ∥ 2 \|T_K\|\le\|K\|_2 ∥ T K ∥ ≤ ∥ K ∥ 2 である。
補題 2.1 により、K N ( x , y ) = ∑ j = 1 r N a N , j ( x ) b N , j ( y ) K_N(x,y)=\sum_{j=1}^{r_N}a_{N,j}(x)b_{N,j}(y) K N ( x , y ) = ∑ j = 1 r N a N , j ( x ) b N , j ( y ) かつ∥ K − K N ∥ 2 → 0 \|K-K_N\|_2\to0 ∥ K − K N ∥ 2 → 0 となる列をとる。このとき
T K N f = ∑ j = 1 r N a N , j ∫ Ω b N , j ( y ) f ( y ) d μ ( y ) T_{K_N}f
=\sum_{j=1}^{r_N}a_{N,j}\int_\Omega b_{N,j}(y)f(y)\,d\mu(y) T K N f = j = 1 ∑ r N a N , j ∫ Ω b N , j ( y ) f ( y ) d μ ( y ) であるからT K N T_{K_N} T K N は有限階数であり、命題 1.3 によりコンパクトである。上の評価をK − K N K-K_N K − K N に適用すると∥ T K − T K N ∥ ≤ ∥ K − K N ∥ 2 → 0 \|T_K-T_{K_N}\|\le\|K-K_N\|_2\to0 ∥ T K − T K N ∥ ≤ ∥ K − K N ∥ 2 → 0 となる。命題 1.5 によりT K T_K T K はコンパクトである。▨
3 Riesz–Schauder 型のスペクトル構造
以下ではX X X を複素 Banach 空間、T : X → X T:X\to X T : X → X をコンパクト作用素とする。§E12.10 定義 1.1 の定義に従い、σ ( T ) \sigma(T) σ ( T ) はλ I − T \lambda I-T λ I − T が有界な逆作用素をもたないλ ∈ C \lambda\in\mathbb C λ ∈ C の集合である。
補題 3.1 (Riesz の補題). M M M をノルム空間Z Z Z の真の閉部分空間とし、0 < θ < 1 0<\theta<1 0 < θ < 1 とする。このとき、∥ z ∥ = 1 \|z\|=1 ∥ z ∥ = 1 かつdist ( z , M ) > θ \operatorname{dist}(z,M)>\theta dist ( z , M ) > θ を満たすz ∈ Z z\in Z z ∈ Z が存在する。
証明. u ∈ Z ∖ M u\in Z\setminus M u ∈ Z ∖ M とし、d = dist ( u , M ) > 0 d=\operatorname{dist}(u,M)>0 d = dist ( u , M ) > 0 とおく。d ≤ ∥ u − m 0 ∥ < d / θ d\le\|u-m_0\|<d/\theta d ≤ ∥ u − m 0 ∥ < d / θ を満たすm 0 ∈ M m_0\in M m 0 ∈ M をとり、z = ( u − m 0 ) / ∥ u − m 0 ∥ z=(u-m_0)/\|u-m_0\| z = ( u − m 0 ) /∥ u − m 0 ∥ とする。任意のm ∈ M m\in M m ∈ M に対して
∥ z − m ∥ = ∥ u − ( m 0 + ∥ u − m 0 ∥ m ) ∥ ∥ u − m 0 ∥ ≥ d ∥ u − m 0 ∥ > θ . \|z-m\|=\frac{\|u-(m_0+\|u-m_0\|m)\|}{\|u-m_0\|}
\ge\frac d{\|u-m_0\|}>\theta. ∥ z − m ∥ = ∥ u − m 0 ∥ ∥ u − ( m 0 + ∥ u − m 0 ∥ m ) ∥ ≥ ∥ u − m 0 ∥ d > θ . したがって∥ z ∥ = 1 \|z\|=1 ∥ z ∥ = 1 かつdist ( z , M ) ≥ d / ∥ u − m 0 ∥ > θ \operatorname{dist}(z,M)\ge d/\|u-m_0\|>\theta dist ( z , M ) ≥ d /∥ u − m 0 ∥ > θ である。▨
命題 3.2. λ ≠ 0 \lambda\ne0 λ = 0 とし、ker ( λ I − T ) = { 0 } \ker(\lambda I-T)=\{0\} ker ( λ I − T ) = { 0 } とする。このとき、あるc > 0 c>0 c > 0 が存在して
∥ ( λ I − T ) x ∥ ≥ c ∥ x ∥ ( x ∈ X ) \|(\lambda I-T)x\|\ge c\|x\|\qquad(x\in X) ∥ ( λ I − T ) x ∥ ≥ c ∥ x ∥ ( x ∈ X ) が成り立つ。特にλ I − T \lambda I-T λ I − T の像は閉じている。
証明. 下からの評価が存在しないと仮定すると、∥ x n ∥ = 1 \|x_n\|=1 ∥ x n ∥ = 1 かつ( λ I − T ) x n → 0 (\lambda I-T)x_n\to0 ( λ I − T ) x n → 0 となる列をとることができる。T T T のコンパクト性により、部分列を取り直してT x n → y Tx_n\to y T x n → y としてよい。すると
x n = λ − 1 ( T x n + ( λ I − T ) x n ) ⟶ λ − 1 y = : x . x_n=\lambda^{-1}\bigl(Tx_n+(\lambda I-T)x_n\bigr)\longrightarrow\lambda^{-1}y=:x. x n = λ − 1 ( T x n + ( λ I − T ) x n ) ⟶ λ − 1 y =: x . ∥ x ∥ = 1 \|x\|=1 ∥ x ∥ = 1 であり、連続性から( λ I − T ) x = 0 (\lambda I-T)x=0 ( λ I − T ) x = 0 となる。これは核の仮定に反する。
像が閉じていることを見るため、( ( λ I − T ) w n ) \bigl((\lambda I-T)w_n\bigr) ( ( λ I − T ) w n ) が収束する列( w n ) (w_n) ( w n ) をとる。上で得た下からの評価を差w n − w m w_n-w_m w n − w m に適用すると( w n ) (w_n) ( w n ) は Cauchy 列であり、X X X の完備性からあるw ∈ X w\in X w ∈ X へ収束する。λ I − T \lambda I-T λ I − T の連続性により( λ I − T ) w n → ( λ I − T ) w (\lambda I-T)w_n\to(\lambda I-T)w ( λ I − T ) w n → ( λ I − T ) w となるので、収束先はλ I − T \lambda I-T λ I − T の像に属する。▨
補題 3.3. λ ≠ 0 \lambda\ne0 λ = 0 とする。λ I − T \lambda I-T λ I − T が単射なら全射であり、有界な逆作用素をもつ。
証明. A = λ I − T A=\lambda I-T A = λ I − T とおく。A A A はT T T と可換である。命題 3.2 によりR 1 = A ( X ) R_1=A(X) R 1 = A ( X ) は閉じている。R n = A n ( X ) R_n=A^n(X) R n = A n ( X ) とおく。R n R_n R n はT T T で不変であり、A ∣ R n A|_{R_n} A ∣ R n は単射である。T ∣ R n T|_{R_n} T ∣ R n は、R n R_n R n からX X X への包含写像との合成として命題 1.4 によりコンパクトなので、命題 3.2 を Banach 空間R n R_n R n に適用すると、R n + 1 R_{n+1} R n + 1 はR n R_n R n で閉じている。帰納的に各R n R_n R n はX X X の閉部分空間である。
A A A が全射でないと仮定する。もしR n = R n + 1 R_n=R_{n+1} R n = R n + 1 となるn n n があれば、任意のx ∈ X x\in X x ∈ X に対してA n x = A n + 1 y A^nx=A^{n+1}y A n x = A n + 1 y となるy ∈ X y\in X y ∈ X が存在する。A n A^n A n の単射性からx = A y x=Ay x = A y となり、A A A は全射となるので矛盾する。したがってR n + 1 R_{n+1} R n + 1 は常にR n R_n R n の真部分空間である。
補題 3.1 により、x n ∈ R n x_n\in R_n x n ∈ R n を∥ x n ∥ = 1 \|x_n\|=1 ∥ x n ∥ = 1 かつdist ( x n , R n + 1 ) > 1 / 2 \operatorname{dist}(x_n,R_{n+1})>1/2 dist ( x n , R n + 1 ) > 1/2 となるように選ぶ。n > m n>m n > m ならx n , A x n , A x m ∈ R m + 1 x_n,Ax_n,Ax_m\in R_{m+1} x n , A x n , A x m ∈ R m + 1 であるから
T x m − T x n = λ x m + ( A x n − λ x n − A x m ) Tx_m-Tx_n=\lambda x_m+(Ax_n-\lambda x_n-Ax_m) T x m − T x n = λ x m + ( A x n − λ x n − A x m ) より∥ T x m − T x n ∥ > ∣ λ ∣ / 2 \|Tx_m-Tx_n\|>|\lambda|/2 ∥ T x m − T x n ∥ > ∣ λ ∣/2 である。これは( T x n ) (Tx_n) ( T x n ) が収束部分列をもつというコンパクト性に反する。よってA A A は全射である。命題 3.2 の評価によりA − 1 A^{-1} A − 1 は有界である。▨
補題 3.4. λ ≠ 0 \lambda\ne0 λ = 0 とし、E k = ker ( λ I − T ) k E_k=\ker(\lambda I-T)^k E k = ker ( λ I − T ) k とおく。各E k E_k E k は有限次元であり、あるN N N に対してE N = E N + 1 = ⋯ E_N=E_{N+1}=\cdots E N = E N + 1 = ⋯ となる。したがって一般固有空間
E λ a l g = ⋃ k ≥ 1 ker ( λ I − T ) k E_\lambda^{\mathrm{alg}}=\bigcup_{k\ge1}\ker(\lambda I-T)^k E λ alg = k ≥ 1 ⋃ ker ( λ I − T ) k は有限次元である。
証明. まずE 1 E_1 E 1 が無限次元であると仮定する。補題 3.1 を有限段の線形包へ繰り返し適用すると、E 1 E_1 E 1 に単位ベクトル列( x n ) (x_n) ( x n ) で∥ x n − x m ∥ > 1 / 2 \|x_n-x_m\|>1/2 ∥ x n − x m ∥ > 1/2 を満たすものをとることができる。T x n = λ x n Tx_n=\lambda x_n T x n = λ x n なので( T x n ) (Tx_n) ( T x n ) は収束部分列をもたず、矛盾する。よってE 1 E_1 E 1 は有限次元である。
A = λ I − T A=\lambda I-T A = λ I − T とおく。A : E k → E k − 1 A:E_k\to E_{k-1} A : E k → E k − 1 の核はE 1 E_1 E 1 である。E k − 1 E_{k-1} E k − 1 が有限次元なら、第1同型定理によりE k / E 1 E_k/E_1 E k / E 1 はE k − 1 E_{k-1} E k − 1 の部分空間と同型であるためE k E_k E k も有限次元である。帰納法により全てのE k E_k E k は有限次元である。
一度E n = E n − 1 E_n=E_{n-1} E n = E n − 1 となれば、A n + 1 x = 0 A^{n+1}x=0 A n + 1 x = 0 に対してA x ∈ E n = E n − 1 Ax\in E_n=E_{n-1} A x ∈ E n = E n − 1 となるためA n x = 0 A^nx=0 A n x = 0 であり、E n + 1 = E n E_{n+1}=E_n E n + 1 = E n となる。帰納的に、その後の鎖も全て等しい。したがって鎖が安定しないと仮定すると、E n − 1 E_{n-1} E n − 1 はE n E_n E n の真の閉部分空間である。補題 3.1 によりx n ∈ E n x_n\in E_n x n ∈ E n を∥ x n ∥ = 1 \|x_n\|=1 ∥ x n ∥ = 1 かつdist ( x n , E n − 1 ) > 1 / 2 \operatorname{dist}(x_n,E_{n-1})>1/2 dist ( x n , E n − 1 ) > 1/2 となるように選ぶ。n > m n>m n > m ならx m , A x m , A x n ∈ E n − 1 x_m,Ax_m,Ax_n\in E_{n-1} x m , A x m , A x n ∈ E n − 1 であるから
T x n − T x m = λ x n + ( A x m − λ x m − A x n ) Tx_n-Tx_m=\lambda x_n+(Ax_m-\lambda x_m-Ax_n) T x n − T x m = λ x n + ( A x m − λ x m − A x n ) より∥ T x n − T x m ∥ > ∣ λ ∣ / 2 \|Tx_n-Tx_m\|>|\lambda|/2 ∥ T x n − T x m ∥ > ∣ λ ∣/2 となる。これはT T T のコンパクト性に反する。したがって鎖は安定し、その安定値がE λ a l g E_\lambda^{\mathrm{alg}} E λ alg である。▨
定理 3.5. X X X を複素 Banach 空間、T : X → X T:X\to X T : X → X をコンパクト作用素とする。このとき次が成り立つ。
σ ( T ) ∖ { 0 } \sigma(T)\setminus\{0\} σ ( T ) ∖ { 0 } の各点はT T T の固有値である。
各非零固有値の代数的重複度dim E λ a l g \dim E_\lambda^{\mathrm{alg}} dim E λ alg は有限である。
任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 に対し、∣ λ ∣ ≥ ε |\lambda|\ge\varepsilon ∣ λ ∣ ≥ ε を満たす非零固有値は有限個である。したがって非零スペクトルは高々可算であり、その集積点は0 0 0 に限られる。
証明. λ ≠ 0 \lambda\ne0 λ = 0 が固有値でないならλ I − T \lambda I-T λ I − T は単射である。補題 3.3 により有界な逆作用素をもつので、λ ∉ σ ( T ) \lambda\notin\sigma(T) λ ∈ / σ ( T ) である。対偶により(1) を得る。(2) は補題 3.4 である。
(3) を示す。これに反して、相異なる固有値λ n \lambda_n λ n が∣ λ n ∣ ≥ ε |\lambda_n|\ge\varepsilon ∣ λ n ∣ ≥ ε を満たすと仮定する。対応する固有ベクトルを一つずつ選び、M n M_n M n を最初のn n n 個の固有空間の和とする。相異なる固有値に属する固有ベクトルは線形独立なのでM n − 1 M_{n-1} M n − 1 はM n M_n M n の真部分空間であり、各M n M_n M n は有限次元で閉じている。補題 3.1 により、y n ∈ M n y_n\in M_n y n ∈ M n を∥ y n ∥ = 1 \|y_n\|=1 ∥ y n ∥ = 1 かつdist ( y n , M n − 1 ) > 1 / 2 \operatorname{dist}(y_n,M_{n-1})>1/2 dist ( y n , M n − 1 ) > 1/2 となるように選ぶことができる。このy n y_n y n は、( λ n I − T ) y n ∈ M n − 1 (\lambda_nI-T)y_n\in M_{n-1} ( λ n I − T ) y n ∈ M n − 1 も満たすように、M n = M n − 1 ⊕ E λ n M_n=M_{n-1}\oplus E_{\lambda_n} M n = M n − 1 ⊕ E λ n の新しい成分を保って選ぶことができる。実際、商空間M n / M n − 1 M_n/M_{n-1} M n / M n − 1 上でT T T はλ n I \lambda_n I λ n I として作用する。
n > m n>m n > m ならT y m ∈ M m ⊆ M n − 1 Ty_m\in M_m\subseteq M_{n-1} T y m ∈ M m ⊆ M n − 1 かつ( λ n I − T ) y n ∈ M n − 1 (\lambda_nI-T)y_n\in M_{n-1} ( λ n I − T ) y n ∈ M n − 1 なので
T y n − T y m = λ n y n − ( ( λ n I − T ) y n + T y m ) Ty_n-Ty_m=\lambda_n y_n-\bigl((\lambda_nI-T)y_n+Ty_m\bigr) T y n − T y m = λ n y n − ( ( λ n I − T ) y n + T y m ) から∥ T y n − T y m ∥ > ∣ λ n ∣ / 2 ≥ ε / 2 \|Ty_n-Ty_m\|>|\lambda_n|/2\ge\varepsilon/2 ∥ T y n − T y m ∥ > ∣ λ n ∣/2 ≥ ε /2 を得る。これはコンパクト性に反する。よって各ε \varepsilon ε に対する固有値は有限個である。非零固有値全体は⋃ k ≥ 1 { λ : ∣ λ ∣ ≥ 1 / k } \bigcup_{k\ge1}\{\lambda:|\lambda|\ge1/k\} ⋃ k ≥ 1 { λ : ∣ λ ∣ ≥ 1/ k } に含まれるので高々可算であり、零以外に集積点をもたない。▨
4 実作用素の複素化
定義 4.1. X X X を実 Banach 空間とする。X C = X ⊕ X X_\mathbb C=X\oplus X X C = X ⊕ X に
( a + i b ) ( x , y ) = ( a x − b y , b x + a y ) , ∥ ( x , y ) ∥ C = sup θ ∈ R ∥ cos θ x − sin θ y ∥ (a+ib)(x,y)=(ax-by,bx+ay),\qquad
\|(x,y)\|_\mathbb C=\sup_{\theta\in\mathbb R}\|\cos\theta\,x-\sin\theta\,y\| ( a + ib ) ( x , y ) = ( a x − b y , b x + a y ) , ∥ ( x , y ) ∥ C = θ ∈ R sup ∥ cos θ x − sin θ y ∥ を入れた複素 Banach 空間をX X X の複素化 (complexification ) という。実有界作用素T : X → X T:X\to X T : X → X の複素化をT C ( x , y ) = ( T x , T y ) T_\mathbb C(x,y)=(Tx,Ty) T C ( x , y ) = ( T x , T y ) と定める。
命題 4.2. T T T が実 Banach 空間X X X 上のコンパクト作用素なら、T C T_\mathbb C T C はX C X_\mathbb C X C 上のコンパクト作用素である。したがって実コンパクト作用素のスペクトル構造は、T C T_\mathbb C T C に定理 3.5 を適用することによって定めることができる。
証明. max ( ∥ x ∥ , ∥ y ∥ ) ≤ ∥ ( x , y ) ∥ C ≤ ∥ x ∥ + ∥ y ∥ \max(\|x\|,\|y\|)\le\|(x,y)\|_\mathbb C\le\|x\|+\|y\| max ( ∥ x ∥ , ∥ y ∥ ) ≤ ∥ ( x , y ) ∥ C ≤ ∥ x ∥ + ∥ y ∥ であるから、定義したノルムは直積ノルムと同値であり、X C X_\mathbb C X C は完備である。複素スカラー倍に対する斉次性は、a + i b = r e i φ a+ib=re^{i\varphi} a + ib = r e i φ と書き、上限の変数θ \theta θ をθ + φ \theta+\varphi θ + φ へ移すことによって確認することができる。
有界列( ( x n , y n ) ) ((x_n,y_n)) (( x n , y n )) に対し、( x n ) (x_n) ( x n ) と( y n ) (y_n) ( y n ) はともに有界である。T T T のコンパクト性から、まず( T x n ) (Tx_n) ( T x n ) が収束する部分列をとり、その部分列から( T y n ) (Ty_n) ( T y n ) も収束する部分列をとる。この共通部分列でT C ( x n , y n ) T_\mathbb C(x_n,y_n) T C ( x n , y n ) は収束する。よってT C T_\mathbb C T C はコンパクトである。▨
5 具体例
例 5.1 (対角作用素と積分作用素). ℓ 2 \ell^2 ℓ 2 上の対角作用素T x = ( λ n x n ) Tx=(\lambda_nx_n) T x = ( λ n x n ) を考える。T N x = ( λ 1 x 1 , … , λ N x N , 0 , … ) T_Nx=(\lambda_1x_1,\ldots,\lambda_Nx_N,0,\ldots) T N x = ( λ 1 x 1 , … , λ N x N , 0 , … ) とおくとT N T_N T N は有限階数であり、
∥ T − T N ∥ = sup n > N ∣ λ n ∣ . \|T-T_N\|=\sup_{n>N}|\lambda_n|. ∥ T − T N ∥ = n > N sup ∣ λ n ∣. したがってλ n → 0 \lambda_n\to0 λ n → 0 ならT T T はコンパクトである。逆にλ n ↛ 0 \lambda_n\not\to0 λ n → 0 と仮定すると、あるε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 と狭義単調増加列( n k ) (n_k) ( n k ) が存在して∣ λ n k ∣ ≥ ε |\lambda_{n_k}|\ge\varepsilon ∣ λ n k ∣ ≥ ε を満たす。標準基底の部分列( e n k ) (e_{n_k}) ( e n k ) は有界であるが、j ≠ k j\ne k j = k なら
∥ T e n j − T e n k ∥ 2 = ( ∣ λ n j ∣ 2 + ∣ λ n k ∣ 2 ) 1 / 2 ≥ 2 ε . \|Te_{n_j}-Te_{n_k}\|_2
=\bigl(|\lambda_{n_j}|^2+|\lambda_{n_k}|^2\bigr)^{1/2}
\ge\sqrt2\,\varepsilon. ∥ T e n j − T e n k ∥ 2 = ( ∣ λ n j ∣ 2 + ∣ λ n k ∣ 2 ) 1/2 ≥ 2 ε . したがって( T e n k ) (Te_{n_k}) ( T e n k ) は収束部分列をもたず、T T T のコンパクト性に反する。ゆえに、T T T がコンパクトならλ n → 0 \lambda_n\to0 λ n → 0 である。
L 2 ( [ 0 , 1 ] ) L^2([0,1]) L 2 ([ 0 , 1 ]) では、K ( x , y ) = x y K(x,y)=xy K ( x , y ) = x y に対する積分作用素は
T K f ( x ) = x ∫ 0 1 y f ( y ) d y T_Kf(x)=x\int_0^1yf(y)\,dy T K f ( x ) = x ∫ 0 1 y f ( y ) d y であり、像がspan { x } \operatorname{span}\{x\} span { x } に含まれる階数1の作用素である。
Cauchy–Schwarz の不等式から∥ T K ∥ ≤ ∥ K ∥ 2 = 1 / 3 \|T_K\|\le\|K\|_2=1/3 ∥ T K ∥ ≤ ∥ K ∥ 2 = 1/3 であり、f ( y ) = 3 y f(y)=\sqrt3y f ( y ) = 3 y で等号を得る。非零固有値は1 / 3 1/3 1/3 で、固有空間はspan { x } \operatorname{span}\{x\} span { x } である。
6 演習
問題 6.1 (終域の完備性を用いる箇所). 命題 1.5 の証明で、終域Y Y Y の完備性を用いた箇所を示せ。
問題 6.2 (二つの測度空間の間の積分作用素). 定理 2.2 の評価を、二つの異なる σ-有限測度空間上のL 2 L^2 L 2 間の作用素へ拡張せよ。
問題 6.3 (値域の鎖が止まる場合). 補題 3.3 の証明で、R n = R n + 1 R_n=R_{n+1} R n = R n + 1 からA A A の全射性が従う箇所を補完せよ。
問題 6.4 (一般固有空間の鎖と包含関係). 補題 3.4 の証明で、鎖が安定しないと仮定したときに構成した( x n ) (x_n) ( x n ) について、∥ T x n − T x m ∥ > ∣ λ ∣ / 2 \|Tx_n-Tx_m\|>|\lambda|/2 ∥ T x n − T x m ∥ > ∣ λ ∣/2 を導く各包含関係を明示せよ。
問題 6.5 (対角作用素のスペクトルとの照合). ℓ 2 \ell^2 ℓ 2 上のT x = ( x 1 , x 2 / 2 , x 3 / 3 , … ) Tx=(x_1,x_2/2,x_3/3,\ldots) T x = ( x 1 , x 2 /2 , x 3 /3 , … ) について、非零固有値、代数的重複度、および唯一の集積点を求め、定理 3.5 と照合せよ。
7 一般の有界作用素との相違
定理 3.5 は複素 Banach 空間上のコンパクト作用素を扱う。一般の有界作用素では、零でないスペクトル点が固有値であるとは限らない。