مشغل صغير الحجم

في التحليل الوظيفي ، وهو فرع من فروع الرياضيات ، يُعرف المؤثر المدمج بأنه مؤثر خطي يتصرف، في عدة جوانب مهمة، كالمؤثر ذي الأبعاد المحدودة مثل المصفوفة . في الفضاءات ذات الأبعاد اللانهائية، لا تكون المجموعات المحدودة عادةً مدمجة ، ولا يشترط أن تحتوي المتتاليات المحدودة على متتاليات جزئية متقاربة . تعمل المؤثرات المدمجة على استعادة هذا السلوك ذي الأبعاد المحدودة جزئيًا عن طريق تحويل المجموعات المحدودة إلى مجموعات تكون إغلاقاتها مدمجة، أو بشكل مكافئ، في الفضاءات المعيارية، عن طريق تحويل المتتاليات المحدودة إلى متتاليات ذات متتاليات جزئية متقاربة.

ظهرت المؤثرات المدمجة لأول مرة في نظرية المعادلات التكاملية ، حيث تتمتع العديد من المؤثرات التكاملية بخصائص الدمج. وتلعب هذه المؤثرات دورًا محوريًا في بديل فريدهولم ، وفي النظرية الطيفية للمؤثرات الخطية، وفي تطبيقاتها على المعادلات التفاضلية وفضاءات سوبوليف . فعلى سبيل المثال، غالبًا ما يعني الدمج أن الطيف غير الصفري للمؤثر يتكون من قيم ذاتية معزولة ذات تعدد محدود، مع إمكانية التراكم فقط عند الصفر.

الدافع: المعادلات التكاملية

تمت دراسة المؤثرات المدمجة لأول مرة في سياق المعادلات التكاملية . ومن الأمثلة النموذجية على ذلك مؤثر من الشكل التالي:

(كو)(x)=أبك(x،y)و(y)دy،{\displaystyle (Kf)(x)=\int _{a}^{b}k(x,y)f(y)\,dy,}

حيث الدالةك{\displaystyle k}يُطلق عليه اسم النواة التكاملية . في ظل افتراضات انتظام مناسبة علىك{\displaystyle k}، المشغلك{\displaystyle K}تُرسل هذه الدالة مجموعات الدوال المحدودة إلى مجموعات الدوال المحدودة بانتظام والمتصلة بانتظام . وبحسب نظرية أرزيلا-أسكولي ، فإن هذه المجموعات لها إغلاق مضغوط في فضاءات مثلج([أ،ب]){\displaystyle C([a,b])}وبالتالي، فإن العديد من المؤثرات التكاملية تكون متراصة. [ 1 ] [ 2 ]

تُعدّ هذه الخاصية المدمجة مفيدة لأنها تجعل بعض المعادلات الخطية ذات الأبعاد اللانهائية تُشبه أنظمة المعادلات الخطية ذات الأبعاد المحدودة. على سبيل المثال، معادلة فريدهولم

u-λكu=و{\displaystyle u-\lambda Ku=f}

يمكن دراستها غالبًا باستخدام التقريب ذي الأبعاد المحدودة وبديل فريدهولم . وبهذه الطريقة، توفر المؤثرات المدمجة جسرًا بين المعادلات التكاملية الملموسة والنظرية الطيفية المجردة للمؤثرات على فضاءات الدوال. [ 3 ]

تظهر الفكرة نفسها في أجزاء أخرى من التحليل. تسمح عمليات التضمين المدمجة لفضاءات الدوال، مثل بعض عمليات تضمين فضاءات سوبوليف في فضاءات Lp ، بمعالجة مسائل التفاضل والقيمة الحدية بطرق مشابهة لتلك المستخدمة مع المؤثرات التكاملية المدمجة.

التعريفات

المساحات المعيارية

يتركX{\displaystyle X}وY{\displaystyle Y}لتكن فضاءات متجهة معيارية ، ولتكنتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}ليكن مؤثرًا خطيًا. المؤثرتي{\displaystyle T}يُطلق عليها اسم مضغوطة إذا كانت تُسقط مجموعات جزئية محدودة منX{\displaystyle X}إلى مجموعات فرعية مضغوطة نسبياً منY{\displaystyle Y}أي، إذا كان لكل مجموعة محدودةبX{\displaystyle B\subseteq X}إغلاقتي(ب){\displaystyle T(B)}فيY{\displaystyle Y}مضغوط. [ 2 ] [ 3 ]

وبعبارة أخرى،تي{\displaystyle T}تكون المجموعة متراصة إذا كانت صورة كرة الوحدة المغلقة لـX{\displaystyle X}يتميز بصغر حجمه نسبياًY{\displaystyle Y}من الناحية المترية، هذا يعني أن كل متتالية(xن){\displaystyle (x_{n})}محدود فيX{\displaystyle X}له تسلسل فرعي(xنك){\displaystyle (x_{n_{k}})}بحيث(تيxنك){\displaystyle (Tx_{n_{k}})}يتقارب فيY{\displaystyle Y}[ 2 ] [ 3 ]

كل مؤثر خطي مضغوط بين الفضاءات المعيارية يكون محدودًا ، وبالتالي فهو متصل.

تُذكر العديد من النتائج القياسية المتعلقة بالمؤثرات المدمجة في فضاءات باناخ . إذاY{\displaystyle Y}باناش، وهي مجموعة فرعية منY{\displaystyle Y}تكون المجموعة مضغوطة نسبيًا إذا وفقط إذا كانت محدودة تمامًا . وبالتالي، بالنسبة للمؤثرات في فضاءات باناخ، يمكن التعبير عن الضغط أيضًا بالقول إن صورة كل مجموعة جزئية محدودة منX{\displaystyle X}محصورة بالكامل فيY{\displaystyle Y}[ 2 ] [ 3 ]

قضية TVS

يتركX،Y{\displaystyle X,Y}أن تكون فضاءات متجهة طوبولوجية وتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}عامل خطي.

العبارات التالية متكافئة، وقد يختار مؤلفون مختلفون أيًا منها كتعريف رئيسي لـ "تي{\displaystyle T}(عامل مضغوط): [ 4 ]

  • يوجد حييو{\displaystyle U}من أصل فيX{\displaystyle X}وتي(يو){\displaystyle T(U)}هي مجموعة فرعية مضغوطة نسبياً منY{\displaystyle Y}؛
  • يوجد حييو{\displaystyle U}من أصل فيX{\displaystyle X}ومجموعة فرعية مضغوطةVY{\displaystyle V\subseteq Y}بحيثتي(يو)V{\displaystyle T(U)\subseteq V}؛
  • توجد مجموعة مفتوحة غير فارغةيو{\displaystyle U}فيX{\displaystyle X}و تي(يو){\displaystyle T(U)}هي مجموعة فرعية مضغوطة نسبياً منY{\displaystyle Y}.

الخصائص الأساسية

في هذا القسم،X،Y،Z{\displaystyle X,Y,Z}تشير إلى الفضاءات المعيارية أو فضاءات باناخ، كما هو محدد، وب(X،Y){\displaystyle B(X,Y)}يشير إلى فضاء المؤثرات الخطية المحدودة منX{\displaystyle X}لY{\displaystyle Y}. المشغلون المدمجون منX{\displaystyle X}لY{\displaystyle Y}يُشار إليها بـك(X،Y){\displaystyle K(X,Y)}.

العلاقة مع المؤثرات ذات الأبعاد المحدودة

كل مؤثر ذي رتبة منتهية يكون مضغوطًا. في الواقع، إذا كان مدىتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}إذا كانت المجموعة ذات أبعاد منتهية، فإن صورة مجموعة جزئية محدودة منX{\displaystyle X}هي مجموعة جزئية محدودة من فضاء معياري ذي أبعاد منتهية، وبالتالي فهي ذات إغلاق مضغوط. [ 2 ] [ 1 ]

لذا، فإن التراص أمرٌ تلقائي في الجبر الخطي ذي الأبعاد المحدودة. وعلى العكس، فإن عامل الوحدة على فضاء باناخ ذي أبعاد لا نهائية ليس متراصًا: فالكرة المغلقة ذات الوحدة في فضاء باناخ ذي أبعاد لا نهائية ليست متراصة. وبالتالي، فإن فضاء باناخX{\displaystyle X}يكون المؤثر المحايد محدود الأبعاد إذا وفقط إذا كان مؤثره المحايدبطاقة تعريفX{\displaystyle \operatorname {Id} _{X}}صغير الحجم.

وبشكل أعم، إذا كان فضاء باناخX{\displaystyle X}يقبل عاملًا مضغوطًا قابلًا للعكستي:XX{\displaystyle T:X\to X}، ثمX{\displaystyle X}هو ذو أبعاد محدودة.

الاستمرارية والحدودية

كل مؤثر خطي مضغوط بين الفضاءات المعيارية يكون محدودًا، وبالتالي فهو متصل.

الخصائص الجبرية

لوX{\displaystyle X}وY{\displaystyle Y}إذن، هي فضاءات باناخ.ك(X،Y){\displaystyle K(X,Y)}هو فضاء خطي مغلق منب(X،Y){\displaystyle B(X,Y)}في معيار المؤثر. [ 5 ] وبصورة مكافئة، إذا كانت متتالية من المؤثرات المدمجةتين:XY{\displaystyle T_{n}:X\to Y}يتقارب في معيار المؤثر إلى مؤثرتي{\displaystyle T}، ثمتي{\displaystyle T}صغير الحجم.

تكون المؤثرات المدمجة مستقرة عند تركيبها مع المؤثرات المحدودة. إذاتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}صغير الحجم وأ:دبليوX{\displaystyle A:W\to X}،ب:YZ{\displaystyle B:Y\to Z}إذا كانت مؤثرات خطية محدودة،

بتيأ:دبليوZ{\displaystyle BTA:W\to Z}

صغير الحجم. على وجه الخصوص،ك(X)=ك(X،X){\displaystyle K(X)=K(X,X)}هو مثالي ثنائي الجانب في جبر باناخب(X)=ب(X،X){\displaystyle B(X)=B(X,X)}[ 5 ]

في فضاء هيلبرتX{\displaystyle X}الخاتمب(X){\displaystyle B(X)}من المؤثرات المحدودة modulo المثالي ثنائي الجانبك(X){\displaystyle K(X)}هي جبر كالكن . يُستخدم هذا الناتج لتعريف أحد الأشكال الشائعة للطيف الأساسي : لمؤثر محدودتي{\displaystyle T}في فضاء هيلبرت، يكون الطيف الأساسي هو طيف المجموعة المشاركةتي+ك(ح){\displaystyle T+K(H)}في جبر كالكين، لذا فإن الاضطرابات المدمجة لا تغيره. [ 6 ]

التقريب بواسطة مؤثرات ذات رتبة محدودة

بما أن كل مؤثر ذي رتبة منتهية يكون متراصًا، فإن كل حد معياري للمؤثرات ذات الرتب المنتهية يكون متراصًا. وفي فضاءات هيلبرت، ينطبق العكس أيضًا: فكل مؤثر متراص بين فضاءات هيلبرت هو الحد المعياري للمؤثرات ذات الرتب المنتهية. [ 2 ]

بالنسبة لفضاءات باناخ العامة، لا يشترط أن يكون العكس صحيحًا. ترتبط مسألة إمكانية تقريب المؤثرات المدمجة دائمًا بمؤثرات ذات رتبة منتهية بخاصية التقريب ، التي لا تتحقق في بعض فضاءات باناخ. وقد ظلّت مسألة صحة هذه الخاصية ( خاصية التقريب ) بشكل عام في فضاءات باناخ سؤالًا لم يُحل لسنوات عديدة؛ وفي عام 1973، قدّم بير إنفلو مثالًا مضادًا، مستندًا إلى أعمال ألكسندر غروتينديك وستيفان باناخ . [ 7 ]

المرافقون والمدى

يكون المؤثر الخطي المحدود بين فضاءات باناخ متراصًا إذا وفقط إذا كان المؤثر المرافق له متراصًا؛ وتُعرف هذه النتيجة باسم نظرية شاودر . [ 8 ]

لوتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}إذا كانت مضغوطة، فإن نطاق الإغلاق لـتي{\displaystyle T}قابل للفصل. إذا كان نطاقتي{\displaystyle T}إذا كانت المجموعة مغلقة، فإن مداها يكون محدود الأبعاد.

العلاقة بفئات المشغلين الأخرى

كل مؤثر متراص بين فضاءات باناخ يكون منفردًا تمامًا ، لكن العكس غير صحيح: فهناك مؤثرات منفردة تمامًا ليست متراصة. [ 9 ]

نظرية فريدهولم

ترتبط المؤثرات المدمجة ارتباطًا وثيقًا بمؤثرات فريدهولم وبديل فريدهولم . هذا الارتباط هو أحد أسباب تشابه سلوك المؤثرات المدمجة، من نواحٍ عديدة، مع سلوك الخرائط الخطية ذات الأبعاد المحدودة.

يتركX{\displaystyle X}كن مساحة باناش ودعك:XX{\displaystyle K:X\to X}كن صغير الحجم. ثم

أنا-ك{\displaystyle IK}

هو مؤثر فريدهولم ذو فهرس صفر. وبشكل مكافئ، فإن نواةأنا-ك{\displaystyle IK}إذا كانت ذات أبعاد محدودة، فإن نطاقأنا-ك{\displaystyle IK}مغلق،

خافتكير(أنا-ك)=خافت(X/أنا(أنا-ك)).{\displaystyle \dim \ker(IK)=\dim {\bigl (}X/\operatorname {Im} (IK){\bigr )}.}

وبشكل أعم، لكل كمية قياسيةλ0{\displaystyle \lambda \neq 0}، المشغل

λأنا-ك{\displaystyle \lambda IK}

فريدهولم ذو فهرس صفر. [ 3 ] [ 10 ]

بديل فريدهولم

ومن النتائج القياسية بديل فريدهولم. بالنسبة للمشغل المدمجك:XX{\displaystyle K:X\to X}المعادلة

u-كu=و{\displaystyle u-Ku=f}

لديه حل فريدuX{\displaystyle u\in X}لكلوX{\displaystyle f\in X}إذا وفقط إذا كانت المعادلة المتجانسة

u-كu=0{\displaystyle u-Ku=0}

لا يوجد سوى حل صفري. إذا كان للمعادلة المتجانسة حل غير صفري، فإن فضاء حلولها يكون محدود الأبعاد، ولا يمكن حل المعادلة غير المتجانسة إلا في تلك الحالات.و{\displaystyle f}استيفاء عدد محدود من شروط التوافق.

من حيث المؤثر المرافقك*:X*X*{\displaystyle K^{*}:X^{*}\to X^{*}}ويمكن كتابة شروط التوافق هذه على النحو التالي:

φ(و)=0لكل φكير(أنا-ك*).{\displaystyle \varphi (f)=0\quad {\text{لكل }}\varphi \in \ker(IK^{*}).}

وبالتالي فإن العائق أمام الحلu-كu=و{\displaystyle u-Ku=f}هو ذو أبعاد محدودة. وهذا مماثل للحالة ذات الأبعاد المحدودة التي يكون فيها نظام المعادلات الخطية قابلاً للحل تحديدًا عندما يكون الجانب الأيمن متعامدًا مع الفضاء الصفري للمُنَقَّل.

بالنسبة للمعادلة المعتمدة على المعلمات

u-λكu=و،{\displaystyle u-\lambda Ku=f,}

معλ0{\displaystyle \lambda \neq 0}وينطبق البديل نفسه على المشغلأنا-λك{\displaystyle I-\lambda K}يحدث فشل قابلية الانعكاس تحديدًا عندما1/λ{\displaystyle 1/\lambda }هي قيمة ذاتية غير صفرية لـك{\displaystyle K}بما أن الطيف غير الصفري للمؤثر المضغوط يتكون فقط من القيم الذاتية المعزولة ذات التعددية المحدودة، فإن هذه المعلمات الاستثنائية تشكل مجموعة منفصلة، ​​مع إمكانية التراكم فقط عند اللانهاية.

النظرية الطيفية

إن النظرية الطيفية للمؤثرات المدمجة أقرب إلى الجبر الخطي ذي الأبعاد المحدودة من النظرية الطيفية للمؤثرات المحدودة العامة.

يتركX{\displaystyle X}ليكن فضاء باناخ معقدًا لا نهائي الأبعاد ، وليكنتي:XX{\displaystyle T:X\to X}كن مشغلاً صغير الحجم. ثم0{\displaystyle 0}ينتمي إلى الطيفσ(تي){\displaystyle \sigma (T)}. بعيدا0{\displaystyle 0}، كل قيمة طيفية لـتي{\displaystyle T}هي قيمة ذاتية ذات تعددية محدودة. بتعبير أدق، إذاλ0{\displaystyle \lambda \neq 0}وλσ(تي){\displaystyle \lambda \in \sigma (T)}، ثم

كير(تي-λأنا){\displaystyle \ker(T-\lambda I)}

إذا كانت ذات أبعاد محدودة، فإن نطاقتي-λأنا{\displaystyle T-\lambda I}مغلق،λ{\displaystyle \lambda }هي نقطة معزولة في الطيف. [ 3 ] [ 11 ]

وبالتالي، يكون الطيف غير الصفري إما محدودًا أو لانهائيًا قابلًا للعد. إذا كان لانهائيًا، فإن نقطة التراكم الوحيدة الممكنة له هي0{\displaystyle 0}وبالمثل، لكلر>0{\displaystyle r>0}المجموعة

{λσ(تي):|λ|>ر}{\displaystyle \{\lambda \in \sigma (T):|\lambda |>r\}}

هي محدودة. وبالتالي، لا يمكن أن يكون للمؤثرات المدمجة نطاق متصل من القيم الطيفية غير الصفرية.

يمكن أيضًا التعبير عن الطبيعة المحدودة الأبعاد للطيف غير الصفري بمصطلحات نظرية فريدهولم.λ0{\displaystyle \lambda \neq 0}، المشغل

تي-λأنا{\displaystyle T-\lambda I}

لها نواة ونواة مشتركة ذات أبعاد محدودة، وهذه الأبعاد متساوية:

خافتكير(تي-λأنا)=خافت(X/أنا(تي-λأنا)).{\displaystyle \dim \ker(T-\lambda I)=\dim {\bigl (}X/\operatorname {Im} (T-\lambda I){\bigr )}.}

بخاصة،تي-λأنا{\displaystyle T-\lambda I}لا يمكن عكسها تحديداً لأنλ{\displaystyle \lambda }هي قيمة ذاتية، وليس بسبب وجود بقايا أو طيف متصل بعيدًا عن الصفر.

للمرافق نفس القيم الطيفية غير الصفرية. إذاλ0{\displaystyle \lambda \neq 0}يقع ضمن نطاقتي{\displaystyle T}، ثمλ{\displaystyle \lambda }وهي أيضًا قيمة ذاتية للمؤثر المرافقتي*:X*X*{\displaystyle T^{*}:X^{*}\to X^{*}}وبشكل أدق،

خافتكير(تي-λأنا)=خافتكير(تي*-λأنا){\displaystyle \dim \ker(T-\lambda I)=\dim \ker(T^{*}-\lambda I)}

عند أخذ التعددية الجبرية في الاعتبار. [ 3 ]

تُعرف هذه النتائج غالبًا بنظرية ريز-شاودر للمؤثرات المدمجة. وهي تعمم الحقيقة الأساسية القائلة بأن الخريطة الخطية ذات الأبعاد المحدودة لها طيف يتكون فقط من القيم الذاتية، مع السماح في الوقت نفسه بظاهرة الأبعاد اللانهائية المتمثلة في إمكانية تراكم القيم الذاتية عند0{\displaystyle 0}.

مفهومٌ مرتبطٌ بتراص المؤثر هو المؤثر ذو المُحلِّل المُتراص . المؤثر غير المحدودأ{\displaystyle A}يُقال إن المؤثر التفاضلي ، على سبيل المثال ، له مُحلِّل مُدمج إذا(أ-λأنا)-1{\displaystyle (A-\lambda I)^{-1}}موجود لبعضλ{\displaystyle \lambda }وهو مؤثر مضغوط. هذا الشرط يعني أن طيفأ{\displaystyle A}لها قيم ذاتية منفصلة ذات تعددية محدودة، بدون نقطة تراكم محدودة. تنشأ الحلول المدمجة عادةً للمؤثرات الإهليلجية على المجالات المحدودة، حيث توفر تضمينات سوبوليف المدمجة التراص المطلوب.

المشغلون المدمجون في مساحات هيلبرت

ترتبط المؤثرات المدمجة على فضاءات هيلبرت ارتباطًا وثيقًا بالجبر الخطي ذي الأبعاد المحدودة. فبالإضافة إلى الخصائص الطيفية العامة للمؤثرات المدمجة في فضاءات باناخ، تسمح هذه المؤثرات بتحليلات متعامدة، وتوسعات القيم المفردة، وفي حالة المؤثرات الذاتية المرافقة، بنظرية طيفية تُشابه النظرية الطيفية للمصفوفات الهرميتية ذات الأبعاد المحدودة.

مؤثرات ذاتية الترافق مدمجة

لوح{\displaystyle H}هو فضاء هيلبرت وتي:حح{\displaystyle T:H\to H}إذا كانت المجموعة مضغوطة وذاتية الترافق ، فإن كل عنصر غير صفري في طيفهاتي{\displaystyle T}هي قيمة ذاتية ذات تعدد محدود. القيم الذاتية غير الصفرية حقيقية، وليس لها نقطة تراكم ممكنة إلا0{\displaystyle 0}، والفضاءات الذاتية المقابلة للقيم الذاتية المتميزة متعامدة فيما بينها.

وبعبارة أخرى،ح{\displaystyle H}يتحلل إلى مجموع مباشر متعامد للفضاءات الذاتية لـتي{\displaystyle T}، بالإضافة إلى نواةتي{\displaystyle T}بعد اختيار أساس متعامد في كل فضاء ذاتي وفي النواة، يتم تمثيل المؤثر قطريًا: [ 12 ]

تيx=نλنx،هـنهـن،{\displaystyle Tx=\sum _{n}\lambda _{n}\langle x,e_{n}\rangle e_{n},}

أين(هـن){\displaystyle (e_{n})}هي عائلة متعامدة من المتجهات الذاتية،λن{\displaystyle \lambda _{n}}وهي القيم الذاتية غير الصفرية المقابلة، وλن0{\displaystyle \lambda _{n}\to 0}إذا كان هناك عدد لا نهائي من القيم الذاتية غير الصفرية. وبالتالي، فإن المؤثرات الذاتية المرافقة المدمجة تتصرف بشكل مشابه للمصفوفات الذاتية المرافقة ذات الأبعاد المحدودة، باستثناء أن القيم الذاتية قد تشكل متتالية تقترب من الصفر. [ 12 ] [ 3 ]

وينطبق الوصف نفسه، مع القيم الذاتية المركبة، على المؤثرات الطبيعية المدمجة على فضاء هيلبرت المركب.

توسيع القيم المفردة

لا يشترط أن يكون المؤثر المدمج العام على فضاء هيلبرت ذاتي الترافق أو طبيعيًا. ومع ذلك، فإنه يمتلك تحليلًا للقيم المفردة.تي:ح1ح2{\displaystyle T:H_{1}\to H_{2}}إذا كانت المجموعة متراصة، فإن القيم الذاتية الموجبة لـ|تي|=(تي*تي)1/2{\displaystyle |T|=(T^{*}T)^{1/2}}تُسمى هذه القيم بالقيم المفردة لـتي{\displaystyle T}تشكل هذه العناصر متتالية منتهية أو متتالية تقترب من الصفر. [ 13 ]

هناك عائلات متعامدة(هـن){\displaystyle (e_{n})}فيح1{\displaystyle H_{1}}و(ون){\displaystyle (f_{n})}فيح2{\displaystyle H_{2}}، والقيم المفردة غير السالبةsن{\displaystyle s_{n}}معsن0{\displaystyle s_{n}\to 0}بحيث

تيx=نsنx،هـنون.{\displaystyle Tx=\sum _{n}s_{n}\langle x,e_{n}\rangle f_{n}.}

تتقارب السلسلة في المعيار لكلxح1{\displaystyle x\in H_{1}}، وتتقارب المجاميع الجزئية ذات الرتبة المحدودة المقابلة إلىتي{\displaystyle T}في معيار المؤثر. إذا كان عدد القيم المفردة غير الصفرية محدودًا فقط، فإنتي{\displaystyle T}له رتبة محدودة. وعلى العكس من ذلك، فإن كل مؤثر متراص بين فضاءات هيلبرت هو حد معيار المؤثر للمؤثرات ذات الرتبة المحدودة.

يُعدّ هذا التوسع ذو القيم المفردة في كثير من الأحيان الوصف الأكثر فائدة لمؤثر فضاء هيلبرت المضغوط غير المترافق ذاتيًا. وهو يعمم تحليل القيم المفردة للمصفوفات ذات الأبعاد المحدودة.

مؤثرات هيلبرت-شميدت ومؤثرات فئة التتبع

من أهم الفئات الفرعية لمؤثرات فضاء هيلبرت المدمجة مؤثرات هيلبرت-شميدت ومؤثرات فئة الأثر .تي{\displaystyle T}لها قيم مفردة(sن){\displaystyle (s_{n})}، ثمتي{\displaystyle T}هل هي معادلة هيلبرت-شميدت عندما

نsن2<،{\displaystyle \sum _{n}s_{n}^{2}<\infty ,}

وتتبع الفئة عندما

نsن<.{\displaystyle \sum _{n}s_{n}<\infty .}

كل مؤثر من فئة الأثر هو مؤثر هيلبرت-شميدت، وكل مؤثر هيلبرت-شميدت هو مؤثر مضغوط. [ 14 ] والعكس غير صحيح عمومًا. على سبيل المثال، مؤثر ذو قيم مفردةsن=1/ن{\displaystyle s_{n}=1/n}هو مضغوط ومن فئة هيلبرت-شميدت ولكنه ليس من فئة الأثر، بينما هو عامل ذو قيم مفردةsن=1/ن{\displaystyle s_{n}=1/{\sqrt {n}}}هو مضغوط ولكنه ليس هيلبرت-شميدت.

المشغلون المستمرون تمامًا

يتركX،Y{\displaystyle X,Y}فضاءات باناخ. مؤثر خطي محدودتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}يُطلق عليها اسم متصلة تمامًا إذا، لكل متتالية متقاربة ضعيفًا(xن){\displaystyle (x_{n})}منX{\displaystyle X}، التسلسل(تيxن){\displaystyle (Tx_{n})}متقاربة معيارياً فيY{\displaystyle Y}[ 15 ]

تكون المؤثرات المدمجة بين فضاءات باناخ متصلة تمامًا دائمًا، لكن العكس غير صحيح، لأنه يوجد مؤثر متصل تمامًا ولكنه غير مدمج. ومع ذلك، يكون العكس صحيحًا إذاX{\displaystyle X}إذا كان فضاء باناخ انعكاسيًا ، فإن كل مؤثر متصل تمامًاتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}مضغوط. [ 15 ]

ومن المثير للحيرة إلى حد ما، أن المؤثرات المدمجة يشار إليها أحيانًا باسم "متصلة تمامًا" في الأدبيات القديمة، على الرغم من أن هذا الأخير هو شرط أضعف في المصطلحات الحديثة.

أمثلة ونماذج مضادة

تُعدّ المؤثرات ذات الرتبة المحدودة أبسط الأمثلة على المؤثرات المدمجة. إذاتي:XY{\displaystyle T:X\to Y}إذا كان نطاقها محدود الأبعاد، فإن الصورة تحتتي{\displaystyle T}لأي مجموعة جزئية محدودة منX{\displaystyle X}هي مجموعة جزئية محدودة من فضاء معياري ذي أبعاد منتهية، وبالتالي تتمتع بإغلاق متراص. ومن ثم، فإن المؤثرات ذات الرتبة المحدودة متراصة. في الفضاءات ذات الأبعاد المنتهية، يفسر هذا الأمر جميع المؤثرات الخطية المحدودة، ولكن في الفضاءات ذات الأبعاد اللانهائية، يُعد التراص قيدًا حقيقيًا.

تُعطى إحدى فئات الأمثلة بواسطة عوامل القطر أو الضرب على فضاءات المتتاليات. على سبيل المثال، علىص{\displaystyle \ell ^{p}}، مع1ص{\displaystyle 1\leq p\leq \infty }، عامل من الشكل

(تيx)ن=تنxن{\displaystyle (Tx)_{n}=t_{n}x_{n}}

تكون متراصة عندما تكون المتتالية العددية(تن){\displaystyle (t_{n})}يؤول إلى الصفر. يمكن تقريب هذا المؤثر في معيار المؤثر بواسطة مؤثرات قطرية ذات رتبة محدودة يتم الحصول عليها عن طريق اقتطاع المتتالية(تن){\displaystyle (t_{n})}. على العكس من ذلك، إذا(تن){\displaystyle (t_{n})}لا يميل إلى الصفر، ولا يمكن أن تحتوي صور متجهات الإحداثيات المناسبة على متتالية فرعية متقاربة، لذا فإن عامل الضرب المقابل ليس مضغوطًا.

توفر عوامل التكامل أيضًا عوامل مختصرة في العديد من الحالات المهمة. إذا

(كو)(x)=أبك(x،y)و(y)دy{\displaystyle (Kf)(x)=\int _{a}^{b}k(x,y)f(y)\,dy}

يحتوي على نواة منتظمة بما فيه الكفايةك{\displaystyle k}، ثمك{\displaystyle K}غالباً ما تُحوّل هذه الطريقة العائلات المحدودة من الدوال إلى عائلات محدودة بشكل منتظم ومتساوية الاستمرارية. وبحسب نظرية أرزيلا-أسكولي ، فإن هذه العائلات لها إغلاق مضغوط في فضاءات مثلج([أ،ب]){\displaystyle C([a,b])}على سبيل المثال، المعامل

(تيو)(x)=0xو(ت)ز(ت)دت،{\displaystyle (Tf)(x)=\int _{0}^{x}f(t)g(t)\,dt,}

أينزج([0،1]){\displaystyle g\in C([0,1])}، يُعرّف عاملًا مضغوطًا علىج([0،1]){\displaystyle C([0,1])}في فضاءات هيلبرت، تكون مؤثرات هيلبرت-شميدت التكاملية متراصة؛ على وجه الخصوص، إذاكل2(Ω×Ω){\displaystyle k\in L^{2}(\Omega \times \Omega )}ثم المؤثر التكاملي

(تيو)(x)=Ωك(x،y)و(y)دy{\displaystyle (Tf)(x)=\int _{\Omega }k(x,y)f(y)\,dy}

صغير الحجمل2(Ω){\displaystyle L^{2}(\Omega )}.

يُعدّ عامل الوحدة على فضاء باناخ لانهائي الأبعاد مثالًا أساسيًا غير مُرضٍ. فهو محدود، ولكنه ليس متراصًا، لأن كرة الوحدة المغلقة في فضاء باناخ لانهائي الأبعاد ليست متراصة. وبصورة مكافئة، يكون عامل الوحدة متراصًا فقط إذا كان لكل متتالية محدودة متتالية جزئية متقاربة، وهو ما لا يتحقق في فضاءات باناخ لانهائية الأبعاد. وتُبيّن الحجة نفسها أن أي مضاعف قياسي غير صفري لعامل الوحدة ليس متراصًا على فضاء باناخ لانهائي الأبعاد.

كما أن عوامل الإزاحة أحادية الجانب على فضاءات التسلسل ليست متراصة. على سبيل المثال، على2{\displaystyle \ell ^{2}}، يقوم التحويل الأمامي بإرسال متجه الأساس القياسيهـن{\displaystyle e_{n}}لهـن+1{\displaystyle e_{n+1}}التسلسل(هـن+1){\displaystyle (e_{n+1})}لا يوجد لها متتالية فرعية متقاربة معيارياً، لذا فإن صورة المتتالية المحدودة(هـن){\displaystyle (e_{n})}ليست مضغوطة نسبياً. والسبب نفسه هو أن الإزاحة للخلف غير مضغوطة.

كل مؤثر خطي محدود من فضاء معياري إلى فضاء نووي كامل يكون مضغوطًا، لأن المجموعات المحدودة في الفضاءات النووية الكاملة تكون شبه مضغوطة. [ 16 ] [ 17 ] مثال تحليلي معقد هو مؤثر كوشي التكاملي . بالنسبة لقرص الوحدةد{\displaystyle \mathbb {D} }، يُعرِّف

(تيو)(z)=12πأنادو(ζ)ζ-zدζ،zد.{\displaystyle (Tf)(z)={\frac {1}{2\pi i}}\int _{\partial \mathbb {D} }{\frac {f(\zeta )}{\zeta -z}}\,d\zeta ,\qquad z\in \mathbb {D} .}

بصفتي مشغلًا منل2(د){\displaystyle L^{2}(\partial \mathbb {D} )}في مساحة فريشيهيا(د){\displaystyle {\mathcal {O}}(\mathbb {D} )}من الدوال الهولومورفية علىد{\displaystyle \mathbb {D} }مع طوبولوجيا التقارب المنتظم على المجموعات الجزئية المدمجة، يكون هذا المؤثر مدمجًا. صورة مجموعة محدودة فيل2(د){\displaystyle L^{2}(\partial \mathbb {D} )}محدودة بشكل منتظم محليًا فيد{\displaystyle \mathbb {D} }وبالتالي، فهي متراصة نسبيًا وفقًا لنظرية مونتيل . [ 18 ] وتأتي هذه التراص من حصر الدوال التحليلية على المجموعات الجزئية المتراصة داخل المجال. وقد تبقى التذبذبات الحدودية كبيرة فيل2(د){\displaystyle L^{2}(\partial \mathbb {D} )}لكنها تصبح غير مرئية في الطوبولوجيا المدمجة المفتوحة لـيا(د){\displaystyle {\mathcal {O}}(\mathbb {D} )}.

تضمينات مضغوطة

غالباً ما تظهر المؤثرات المدمجة كخرائط تضمين بين فضاءات الدوال. إذاX{\displaystyle X}وY{\displaystyle Y}هي مساحات معيارية معXY{\displaystyle X\subseteq Y}، الإدراج

أنا:XY،أناu=u،{\displaystyle I:X\to Y,\qquad Iu=u,}

يُطلق على الدالة اسم تضمين عندما تكون متصلة. ويُطلق على التضمين اسم مضغوط إذا كانت دالة التضمين هذه عاملًا مضغوطًا؛ أي إذا كانت كل متتالية محدودة فيX{\displaystyle X}لها متتالية جزئية تتقارب في معيارY{\displaystyle Y}. غالبًا ما يُشار إلى التضمينات المضغوطة بالرمز [ 19 ] [ 20 ]

XجY.{\displaystyle X{\overset {c}{\hookrightarrow }}Y.}

تُعدّ خاصية التراص في التمثيل أقوى من خاصية الاستمرارية. ويُعطي التمثيل المستمر تقديرًا على النحو التالي:

uYجuX،{\displaystyle \|u\|_{Y}\leq C\|u\|_{X},}

بينما يؤكد التضمين المضغوط أيضًا على خاصية ما قبل الضغط: مجموعات محدودة في الفضاء الأقوىX{\displaystyle X}تصبح مضغوطة نسبياً عند النظر إليها في المساحة الأضعفY{\displaystyle Y}.

تُقدّم نظرية أرزيلا -أسكولي مثالاً على ذلك. تضمين عائلة من الدوال المحدودة بانتظام والمتساوية الاستمرارية فيج([أ،ب]){\displaystyle C([a,b])}تتميز بإغلاق متراص. وهذا أحد أسباب كون العديد من المؤثرات التكاملية متراصة: فهي تُحوّل مجموعات الدوال المحدودة إلى عائلات متساوية الاستمرارية. [ 1 ] [ 21 ]

تُنتج نظرية ريليش-كوندراشوف تضمينات مضغوطة أخرى . إذاΩRن{\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{n}}إذا كانت Ω نطاقًا محدودًا ذا انتظام مناسب، فإن بعض تضمينات فضاء سوبوليف تكون متراصة. على سبيل المثال، إذا1ص<ن{\displaystyle 1\leq p<n}و

1q<ص*=نصن-ص،{\displaystyle 1\leq q<p^{*}={\frac {np}{n-p}},}

ثم الإدراج الطبيعي

دبليو1،ص(Ω)لq(Ω){\displaystyle W^{1,p}(\Omega )\hookrightarrow L^{q}(\Omega )}

متراصة. وبالتالي، فإن كل متتالية محدودة فيدبليو1،ص(Ω){\displaystyle W^{1,p}(\Omega )}له متتالية فرعية تتقارب فيلq(Ω){\displaystyle L^{q}(\Omega )}[ 20 ] [ 19 ]

ومن الأمثلة غير الصحيحة تضمين فضاءات ليبيغ . إذا(X،μ){\displaystyle (X,\mu )}إذا كانت فضاء قياس منتهية ، فبحسب متباينة هولدرلq(X،μ)لص(X،μ){\displaystyle L^{q}(X,\mu )\subset L^{p}(X,\mu )}حينما1ص<q{\displaystyle 1\leq p<q\leq \infty }[ 22 ] ومع ذلك ، فإن هذا التضمين ليس مضغوطًا بشكل عام. على سبيل المثال، في[0،1]{\displaystyle [0,1]}باستخدام مقياس ليبيغ، تشكل دوال رادماخر متتالية محدودة في كللq{\displaystyle L^{q}}لكن لا يوجد تسلسل فرعي يتقارب فيلص{\displaystyle L^{p}}[ 22 ] وبالتالي فإن تماسك التضمينات مثل تلك الموجودة في نظرية ريليش-كوندراشوف يعتمد على الانتظام الإضافي، وليس فقط على تضمين فضاء معياري أقوى في فضاء أضعف.

تُعدّ التضمينات المدمجة أساسية في دراسة المعادلات التفاضلية الجزئية وحساب التفاضل والتكامل . فهي تسمح باستبدال المتتاليات الضعيفة أو المحدودة من الحلول التقريبية، بعد الانتقال إلى المتتاليات الجزئية، بمتتاليات متقاربة بقوة في معيار أضعف. يُستخدم هذا الدمج في براهين الوجود، وفي دراسة مسائل القيم الحدية الإهليلجية، وفي إثبات أن العديد من المؤثرات التفاضلية لها سلوك طيفي منفصل مماثل لسلوك المؤثرات المدمجة. [ 23 ]

توفر فضاءات الدوال الهولومورفية فئة أخرى من التضمينات المدمجة. ليكنΩجن{\displaystyle \Omega \subset \mathbb {C} ^{n}}ليكن مجالًا، وليكنيا(Ω){\displaystyle {\mathcal {O}}(\Omega )}لنرمز إلى فضاء الدوال الهولومورفية علىΩ{\displaystyle \Omega }، مع طوبولوجيا التقارب المنتظم على المجموعات الجزئية المدمجة. العديد من فضاءات باناخ للدوال التحليلية تندمج بشكل مضغوط فييا(Ω){\displaystyle {\mathcal {O}}(\Omega )}على سبيل المثال، على قرص الوحدة، التضمين

حص(د)يا(د){\displaystyle H^{p}(\mathbb {D} )\hookrightarrow {\mathcal {O}}(\mathbb {D} )}

من مساحة هارديحص(د){\displaystyle H^{p}(\mathbb {D} )}الفضاء المدمج في الدوال الهولومورفية يكون مضغوطًا لـ1ص{\displaystyle 1\leq p\leq \infty }مجموعة محدودة فيحص(د){\displaystyle H^{p}(\mathbb {D} )}محدودة بشكل منتظم محليًا فيد{\displaystyle \mathbb {D} }وبالتالي فهي مضغوطة نسبياً في الطوبولوجيا المدمجة المفتوحة وفقاً لنظرية مونتيل . [ 18 ] [ 24 ]

ينطبق المبدأ نفسه على فضاءات بيرغمان . إذاأص(Ω){\displaystyle A^{p}(\Omega )}هو فضاء بيرغمان للدوال الهولومورفية على مجالΩ{\displaystyle \Omega }ثم تُعطي التقديرات على المجموعات الفرعية المدمجة، لكل مجموعة مدمجةكΩ{\displaystyle K\subset \Omega }،

رشفةzك|و(z)|جكوأص(Ω).{\displaystyle \sup _{z\in K}|f(z)|\leq C_{K}\|f\|_{A^{p}(\Omega )}.}

وبالتالي المجموعات المحدودة فيأص(Ω){\displaystyle A^{p}(\Omega )}هي عائلات طبيعية، والاندماج الطبيعي

أص(Ω)يا(Ω){\displaystyle A^{p}(\Omega )\hookrightarrow {\mathcal {O}}(\Omega )}

هي مضغوطة. تنطبق عبارات الضغط المماثلة على القيود المفروضة على المجالات الفرعية الأصغر.ΩΩ{\displaystyle \Omega '\Subset \Omega }، حيث تصبح المجموعات المحدودة في فضاءات هاردي أو بيرغمان متراصة نسبيًا في فضاءات الدوال الهولومورفية علىΩ{\displaystyle \Omega '}[ 24 ]

في العديد من المتغيرات المركبة ، تظهر تمثيلات تضمينية متراصة مماثلة لفضاءات هاردي وبرغمان على نطاقات محدودة، ولفضاءات هاردي على نطاقات أنبوبية . على سبيل المثال، تتكون فضاءات هاردي على نطاقات أنبوبية فوق المخاريط من دوال هولومورفية تحقق التوزيع المنتظملص{\displaystyle L^{p}}حدود من النوع - على الشرائح الحقيقية المترجمة. تشير التقديرات الداخلية مرة أخرى إلى التقييد المحلي على المجموعات الفرعية المدمجة من الأنبوب، لذا فإن المجموعات المحدودة تشكل عائلات طبيعية وتكون مدمجة في الطوبولوجيا المدمجة المفتوحة. [ 24 ] [ 25 ]

ملحوظات

  1. 1 2 3 كريزيج 1978 .
  2. 1 2 3 4 5 6 كونواي 1985 ، القسم 2.4.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 رودين 1991 ، ص 103-115.
  4. Schaefer & Wolff 1999 ، ص 98.
  5. 1 2 كونواي 1985 ، VI.3.
  6. كونواي 1985 ، ص 355.
  7. إنفلو 1973
  8. رودين 1991 ، النظرية 4.19.
  9. NL Carothers, A Short Course on Banach Space Theory , (2005) London Mathematical Society Student Texts 64 , Cambridge University Press.
  10. كونواي 1985 ، الحادي عشر.3.
  11. كونواي 1985 ، الحادي عشر.2.
  12. 1 2 كونواي 1985 ، ص 47.
  13. كونواي 1990 ، ص 273. خطأ في sfn: لا يوجد هدف: CITEREFConway1990 ( مساعدة )
  14. كونواي 1985 ، ص 274.
  15. 1 2 كونواي 1985 ، §VI.3
  16. شيفر وولف 1999 .
  17. تريف 2006 .
  18. 1 2 دورين 1970 .
  19. 1 2 ماكلين 2000 .
  20. 1 2 ريناردي وروغرز 2004 ، ص 356.
  21. كونواي 1985 ، ص 179.
  22. 1 2 فولاند 1999 . خطأ sfn: لا يوجد هدف: CITEREFFolland1999 ( مساعدة )
  23. ريناردي وروغرز 2004 .
  24. 1 2 3 رودين 1980 .
  25. شتاين ووايس 1971 .

مراجع

  • كونواي، جون ب. (1985). دورة في التحليل الوظيفي . سبرينغر-فيرلاغ. القسم 2.4. ISBN 978-3-540-96042-3.
  • دورين، بيتر ل. (1970)، نظرية فضاءات H^p ، الرياضيات البحتة والتطبيقية، المجلد  38، نيويورك: أكاديميك برس، ISBN 978-0-12-225150-4.
  • إنفلو، ب. (1973). "مثال مضاد لمسألة التقريب في فضاءات باناخ" . مجلة أكتا ماتيماتيكا . 130 (1): 309-317 . doi : 10.1007/BF02392270 . ISSN 0001-5962 . MR 0402468 .  
  • كريزيج، إروين (1978). مقدمة في التحليل الوظيفي مع تطبيقات . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-50731-4.
  • كوتاتيلادزه، س.س. (1996). أساسيات التحليل الوظيفي . نصوص في العلوم الرياضية. المجلد.  12 (  الطبعة الثانية). نيويورك: سبرينغر-فيرلاغ. ص.  292. ردمك 978-0-7923-3898-7.
  • لاكس، بيتر (2002). التحليل الوظيفي . نيويورك: وايلي-إنترساينس. ISBN 978-0-471-55604-6. OCLC 47767143 . 
  • ماكلين، ويليام (2000)، الأنظمة الإهليلجية القوية ومعادلات التكامل الحدودي ، كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج، ISBN 978-0-521-66375-5.
  • ناريسي، لورانس؛ بيكنشتاين، إدوارد (2011). فضاءات المتجهات الطوبولوجية . الرياضيات البحتة والتطبيقية (  الطبعة الثانية). بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-1584888666. OCLC 144216834 . 
  • ريناردي، م.؛ روجرز، ر. س. (2004). مقدمة في المعادلات التفاضلية الجزئية . نصوص في الرياضيات التطبيقية. المجلد  13 (  الطبعة الثانية). نيويورك: سبرينغر-فيرلاغ . ص  356. ISBN 978-0-387-00444-0.(القسم 7.5)
  • رودين، والتر (1991). التحليل الوظيفي . السلسلة الدولية في الرياضيات البحتة والتطبيقية. المجلد  8 (  الطبعة الثانية). نيويورك، نيويورك: ماكجرو هيل للعلوم/الهندسة/الرياضيات . ISBN 978-0-07-054236-5. OCLC 21163277 . 
  • رودين، والتر (1980)، نظرية الدوال في كرة الوحدة لـ C^n ، نيويورك: سبرينغر-فيرلاغ.
  • شيفر، هيلموت هـ .؛ وولف، مانفريد ب. (1999). فضاءات المتجهات الطوبولوجية . سلسلة GTM . المجلد  8 (  الطبعة الثانية). نيويورك، نيويورك: سبرينغر نيويورك. رقم ISBN 978-1-4612-7155-0. OCLC 840278135 . 
  • شتاين، إلياس م.؛ فايس، غيدو (1971)، مقدمة في تحليل فورييه على الفضاءات الإقليدية ، برينستون: مطبعة جامعة برينستون، ISBN 978-0-691-08078-9.
  • تريف، فرانسوا (2006) [1967]. فضاءات المتجهات الطوبولوجية والتوزيعات والنوى . مينيولا، نيويورك: منشورات دوفر. رقم ISBN 978-0-486-45352-1. OCLC 853623322 .