Twierdzenie spektralne

Transkrypt

1 Twierdzenie spektralne Algebrę ograniczonych funkcji borelowskich na K R będziemy oznaczać przez B (K). Spektralnym rozkładem jedności w przestrzeni Hilberta H nazywamy odwzorowanie, które każdemu zbiorowi borelowskiemu M R przyporządkowuje projektor ortogonalny E(M) w H, w taki sposób że a) E( ) = 0, E(R) = I, b) E(M N) = E(M)E(N) dla borelowskich M, N R, c) E( M k ) = E(M k ) w mocno, jeśli M k są borelowskie i parami rozłączne. Zwróćmy uwagę, że warunek c) równoważny jest następującemu: d) Jeśli M k, to E(M k ) 0 w mocnym sensie. Zbiór supp E = M E(M)=I nazywamy nośnikiem rozkładu spektralnego. Projektory E(M) będziemy też nazywali projektorami spektralnymi. Niech E będzie spektralnym rozkładem jedności w przestrzeni Hilberta H o ograniczonym nośniku. Wtedy dla każdych x, y H (1) µ x,y (M) =< E(M)x, y > jest spektralną miarą znakowaną o normie x y. Jeśli µ x = µ x,x, to µ x = x 2. Z nierówności Schwarza wynika, że więc supp E = µ x,y (M) y (µ x (M) 1/2, x,y H supp µ x,y = x H 2. Dla każdego zbioru borelowskiego M i każdych x, y H Dla x, y H definiujemy dµ E(M)x,y = χ M dµ x,y. < Ax, y >= λµ x,y. supp µ x. Jak widać, tak określony A B(H) jest hermitowski. Wzór < F (A)x, y >= F (λ) µ x,y (dλ), definiuje liniowy operator ograniczony dla F B (R), który będziemy oznaczać przez F (A) = F (λ) E(dλ). Mówimy, że ciąg F n B (R) jest zbieżny w sposób ograniczony, jeśli F n F punktowo i wszystkie funkcje F n są wspólnie ograniczone. 1

2 2 3. Jeśli ciąg funkcji F n B (R) jest zbieżny w sposób ograniczony, to ciąg operatorów F n (A) jest zbieżny słabo operatorowo. Ten wynik zostanie za chwilę wzmocniony (patrz Wniosek 5). Lemat 4. Niech F, G C(R) będą borelowskie i ograniczone. Wtedy (F G)(A) = F (A)G(A). Dowód. Przyjmijmy najpierw, że F = χ M, gdzie M R jest zbiorem borelowskim. Wtedy < F (A)F (G)x, y > =< E(M)G(A)x, y >=< G(A)x, E(M)y > = G(λ)µ x,e(m)y (dλ) = (χ M G)(λ)µ x,y (dλ) =< (F G)(A)x, y >, bo µ x,e(m)y = χ M µ x,y. Stąd natychmiast wynika, że wzór obowiązuje dla funkcji prostych F, a przez przejście graniczne dla dowolnych F B (K). Wniosek 5. Niech ciąg F n B (R) będzie zbieżny w sposób ograniczony do funkcji F. Wtedy F n (A)x F (A)x, x H. Dowód. Możemy przyjąć, że F = 0. Wtedy F n (A)x 2 =< F n 2 (A)x, x >= F n 2 (λ)µ x (dλ) 0 na mocy twierdzenia Lebesgue a. Tak więc dany spektralny rozkład jedności o ograniczonym nośniku definiuje operator hermitowski, a nawet całą przemienną algebrę operatorów postaci F (A), gdzie F B (R). Twierdzenie spektralne mówi, że jest to ogólna postać operatora hermitowskiego w przestrzeni Hilberta. Twierdzenie 6 (Twierdzenie spektralne). Niech A = A B(H). Istnieje dokładnie jeden spektralny rozkład jedności na H o nośniku ograniczonym, taki że A = λe(dλ). Ponadto supp E = σ(a). Dowód. Przypomnijmy, że dla każdego wielomianu P mamy P (A) = sup P (λ), λ σ(a) co pozwala łatwo określić -homomorfizm algebr C(σ(A)) f f(a) B(H), który jest izometrią na pewną domkniętą podalgebrę B(H). Zauważmy następnie, że dla każdych x, y H funkcjonał liniowy C(σ(A)) f < f(a)x, y > jest ciągły, więc istnieje miara znakowana µ x,y o normie x y, taka że (7) < f(a)x, y >= f(λ)µ x,y (dλ).

3 Dla każdych x, y H jest supp µ x,y σ(a), a z drugiej strony dla każdego λ 0 σ(a) istnieje x H, taki że λ 0 supp µ x. Stąd (8) σ(a) = supp µ x. x H Możemy już zdefiniować projektory spektralne. Dla ustalonego zbioru borelowskiego M R niech E(M) = χ M (A). Widać, że E(M) jest projektorem ortogonalnym. Warunki 1) i 2) są łatwe do sprawdzenia. Pokażemy, że również 4) zachodzi. Niech więc M k i niech F k = χ Mk. Wtedy E(M k )x 2 =< E(M k )x, x >= dµ x 0, M k bo µ x = µ x,x jest miarą. Zauważmy teraz, że < E(M)x, y >= µ x,y (dλ), a więc oznaczenie µ x,y nieprzypadkowo zgadza się z (1). Kojarząc to z (7), otrzymujemy A = λe(dλ). Wreszcie z (8) wynika, że supp E = σ(a). Pozostaje dowieść jedyności spektralnego rozkładu jedności. Niech E 1 będzie rozkładem jedności o ograniczonym nośniku, takim że A = λe 1 (dλ). (Zauważmy, że tylko z powodu ograniczoności nośnika możemy funkcję f(λ) = λ uważać za ograniczoną.) Stosując Lemat 4, przez indukcję otrzymujemy < P (A)x, y >= P (λ) < E 1 (dλ)x, y > dla każdego wielomianu P, a więc i dla każdej funkcji ciągłej. To zaś oznacza, że M < E 1 (M)x, y >=< E(M)x, y > dla każdego borelowskiego M, a więc E 1 = E. Wniosek 9. Istnieje wzajemnie jednoznaczna odpowiedniość pomiędzy spektralnymi rozkladami jedności o ograniczonym nośniku w przestrzeni Hilberta H a ograniczonymi operatorami hermitowskimi na tejże przestrzeni. Wniosek 10. Liczba λ 0 leży w spektrum operatora A, wtedy i tylko wtedy gdy dla każdego ε > 0 projektor spektralny E(λ 0 ε, λ 0 + ε) jest niezerowy. Dowód. Wszystko wynika z faktu, że supp E = σ(a). Niech λ 0 / σ(a) i niech ε > 0 będzie takie, że M ε = (λ 0 ε, λ 0 + ε) jest rozłączne z σ(a) =. Wtedy < E(M ε )x, x >= µ x (dλ) = 0, x H, M ε bo supp µ x σ(a). Wobec tego E(M ε ) = 0. 3

4 4 Przypuśćmy teraz, że E(M ε ) = 0 dla pewnego ε > 0. Wówczas M ε jako zbiór otwarty jest rozłączny z σ(a), więc λ 0 / σ(a). Wniosek 11. Liczba λ 0 leży w spektrum operatora hermitowskiego A, wtedy i tylko wtedy gdy E({λ 0 }) (Kryterium Weyla). Liczba λ 0 leży w spektrum operatora A, wtedy i tylko wtedy gdy istnieje ciąg unormowanych wektorów x n H, taki że (13) lim n λ 0 x n Ax n = 0. Dowód. Jeśli λ 0 nie leży w spektrum A, to dla każdego ciągu (x n ) spełniającego (13) x n = (λ 0 I A) 1 (λ 0 I A)x n C (λ 0 I A)x n 0, co przeczy x n = 1. Niech teraz λ 0 σ(a). Zgodnie z poprzednim wynikiem dla każdego n istnieje wektor x n długości 1, taki że E(M n )x n = x n, gdzie M n = (λ 0 1/n, λ 0 + 1/n). Wtedy λ 0 x n Ax n = (λ 0 λ)e(dλ)x n = (λ 0 λ)e(dλ)x n, M n skąd tak jak chcieliśmy. λ 0 x n Ax n 1 n E(M n) = 1 n, Wniosek 14. Jeśli operator hermitowski A B(H) ma wektor cykliczny x 0 H, to istnieje izometria U : L 2 (σ(a), µ) H, gdzie µ = µ x0, taka że U 1 AUf(λ) = λf(λ), f L 2 (σ(a), µ). Dowód. Definiujemy U na gęstej podprzestrzeni B (σ(a)) wzorem Uf = f(a)x 0. Obraz U jest gęsty. Mamy też < Uf, Ug >=< f(a)x 0, g(a)x 0 >= f(λ)g(λ)dµ(λ) =< f, g >, co pokazuje, że U jest odwzorowaniem unitarnym na H. Ponadto, < U 1 AUf, g >=< AUf, Ug >=< Af(A)x 0, g(a)x 0 >= λf(λ)g(λ)µ(dλ), skąd wynika reszta tezy. Mówimy, że operator symetryczny ma spektrum proste, jeśli jest unitarnie równoważny operatorowi Bf(λ) = λf(λ) na pewnej przestrzeni L 2 (K, µ), gdzie K jest zwartym podzbiorem R, a µ miarą skończoną. Jest oczywiste, że wtedy wektor f(λ) = 1 jest cykliczny. W takim razie ostatni wniosek można też wysłowić tak: 15. Operator hermitowski ma proste spektrum, wtedy i tylko wtedy gdy ma wektor cykliczny.

5 5 Rozważmy jeszcze przykład. Przykład. Niech H = l 2 (Z) i niech x(n 1) + x(n + 1) Ax(n) =, n Z. 2 Zauważmy, że A jest unitarnie równoważny operatorowi A f(t) = cos t f(t), f L 2 ( 1, 1), a więc σ(a) = [ π, π]. A nie ma wektora cyklicznego. Przypuśćmy bowiem nie wprost, że f jest takim wektorem. Oczywiście f(t) 0 p.w. Niech g(t) = f(t) dla x (0, π] i g(t) = f( t) dla x [ π, 0]. Jeśli P n jest takim ciągiem wielomianów, że ϕ n f g, gdzie ϕ n (t) = P n (cos t), to istnieje podciąg ϕ nk zbieżny p.w. do 1, skąd wynika, że f jest funkcją parzystą i nie może być wektorem cyklicznym. Jeśli ustalimy izomorfizm unitarny L 2 ( π, π) f (f 1, f 2 ) L 2 (0, π) L 2 (0, π) wzorem f 1 (t) = f( t), f 2 (t) = f(t), to otrzymamy unitarnie równoważny operator A (f 1, f 2 ) = (cos t f 1 (t), cos t f 2 (t)), A na każdym ze składników L 2 (0, π) ma proste spektrum. (f 1, f 2 ) L 2 (0, π) L 2 (0, π).