谱 (泛函分析)

在数学中，特别是在泛函分析中，有界算子的谱是矩阵的特征值集合的推广。具体来说，對於有界线性算子T，如果T-λI不可逆，其中I是恒等算子，則複數λ會被认为属于T的谱中。谱和相关性质的研究被称为谱理论，其具有许多应用，最值得注意的是量子力学的数学表述。 有限维向量空间上的算子的谱就是特征值的集合。然而，无限维空间上的算子在谱中可能有其他元素，并且可能没有特征值。例如，考虑希尔伯特空间ℓ2上的右移算子R， ( x 1 , x 2 , … ) ↦ ( 0 , x 1 , x 2 , … ) {\displaystyle (x_{1},x_{2},\dots )\mapsto (0,x_{1},x_{2},\dots )} 。 该算子没有特征值，因为如果Rx=λx，则通过展开表达式可以得到x1=0，x2=0……另一方面，0在谱中，因为算子R-0（即R自身）不可逆：因为第一项非零的任意向量不在它的值域中，所以它不是满射。事实上，複巴拿赫空间上的每个有界线性算子都必有非空谱。 谱的概念可以扩展到稠定无界算子。在这种情况下，複數λ被认为是在算子T:D→X（其中D在X中稠密）的谱中，如果没有有界逆(λI-T)−1:X→D。如果T是闭算子（包括T是有界算子的情形），逆的有界性可由逆的存在性直接得到。 巴拿赫空间X上的有界线性算子B(X)是有单位的巴拿赫代数的一个例子。由于除了任何这样的代数都具有的性质之外，谱的定义没有涉及B(X)的任何性质，所以谱的概念可以在此逐字地使用相同的定义推广。 作用在巴拿赫空间 X {\displaystyle X} 上的 T {\displaystyle T} 是标量域 K {\displaystyle \mathbb {K} } 上的有界线性算子，且 I {\displaystyle I} 是 X {\displaystyle X} 上的恒等算子。 T {\displaystyle T} 的谱是所有使得算子 λ I − T {\displaystyle \lambda I-T} 没有有界线性逆的 λ ∈ K {\displaystyle \lambda \in \mathbb {K} } 的集合。 由于 λ I − T {\displaystyle \lambda I-T} 是一个线性算子，所以如果它的逆存在，则一定是线性的；并且，通过有界逆定理可知，它的逆是有界的。 因此，谱正好由那些使得 λ I − T {\displaystyle \lambda I-T} 不是双射的标量 λ {\displaystyle \lambda } 组成。 给定算子 T {\displaystyle T} 的谱通常记为 σ ( T ) {\displaystyle \sigma (T)} ，而它的补集，也即预解集，记为 ρ ( T ) = K ∖ σ ( T ) {\displaystyle \rho (T)=\mathbb {K} \setminus \sigma (T)} 。 如果 λ {\displaystyle \lambda } 是 T {\displaystyle T} 的特征值，则算子 T − λ I {\displaystyle T-\lambda I} 不是一一映射，因此其逆 ( T − λ I ) − 1 {\displaystyle (T-\lambda I)^{-1}} 没有定义。但否命题是不对的：即使 λ {\displaystyle \lambda } 不是特征值,算子 T − λ I {\displaystyle T-\lambda I} 可能也没有逆。因此，算子的谱总是包含其所有特征值，但却不限于此。 例如考虑希尔伯特空间 ℓ 2 ( Z ) {\displaystyle \ell ^{2}(\mathbb {Z} )} ，它由所有双向无限实数序列 v = ( … , v − 2 , v − 1 , v 0 , v 1 , v 2 , … ) {\displaystyle v=(\ldots ,v_{-2},v_{-1},v_{0},v_{1},v_{2},\ldots )} 构成，这些序列须满足平方和 ∑ i = − ∞ + ∞ v i 2 {\displaystyle \sum _{i=-\infty }^{+\infty }v_{i}^{2}} 有限。双向移位算子 T {\displaystyle T} 简单地将序列的每个元素移动一个位置；即如果 u = T ( v ) {\displaystyle u=T(v)} 则对所有整数 i {\displaystyle i} 有 u i = v i − 1 {\displaystyle u_{i}=v_{i-1}} 。特征值方程 T ( v ) = λ v {\displaystyle T(v)=\lambda v} 在该空间中无解，因为如果有解则意味着所有 v i {\displaystyle v_{i}} 拥有相同的绝对值（如果 λ = 1 {\displaystyle \lambda =1} ）或者是等比数列（如果 λ ≠ 1 {\displaystyle \lambda \neq 1} ）；无论哪种情形，它们的平方和都不可能有限。然而，算子 T − λ I {\displaystyle T-\lambda I} 在 | λ | = 1 {\displaystyle |\lambda |=1} 时不可逆。例如满足 u i = 1 / ( | i | + 1 ) {\displaystyle u_{i}=1/(|i|+1)} 的序列 u {\displaystyle u} 属于 ℓ 2 ( Z ) {\displaystyle \ell ^{2}(\mathbb {Z} )} ；但是不存在 ℓ 2 ( Z ) {\displaystyle \ell ^{2}(\mathbb {Z} )} 中的序列 v {\displaystyle v} 使得 ( T − I ) v = u {\displaystyle (T-I)v=u} （即对所有 i {\displaystyle i} 有 v i − 1 = u i + v i {\displaystyle v_{i-1}=u_{i}+v_{i}} ）。 有界算子T的谱总是复平面的非空闭有界子集。 如果谱是空的，那么预解函数 R ( λ ) = ( λ I − T ) − 1 {\displaystyle R(\lambda )=(\lambda I-T)^{-1}} ， 在复杂平面上处处有定义且有界。但可以证明，预解函数R在其定义域是全纯的。通过向量值情形的刘维尔定理可知这个函数是常数。因为它在无穷远处为零，所以恒为零。产生矛盾。 谱的有界性由关于λ的诺伊曼级数展开得出；频谱σ(T)有界||T||。类似的，可以证出谱是闭集。 谱的界||T||可以稍作改进。T的谱半径r(T)是复平面上最小的包含谱σ(T)以原点为圆心的圆的半径，即 r ( T ) = sup { | λ | : λ ∈ σ ( T ) } {\displaystyle r(T)=\sup\{|\lambda |:\lambda \in \sigma (T)\}} 。 谱半径公式指出，对于巴拿赫代数的任何元素T有 r ( T ) = lim n → ∞ ‖ T n ‖ 1 / n {\displaystyle r(T)=\lim _{n\to \infty }\|T^{n}\|^{1/n}} 。 巴拿赫空间上的有界算子T可逆（即有有界逆），当且仅当T有正下界且值域稠密。 因此，T的谱可以分为以下部分： 如果λI-T没有正下界，则λ∈σ(T)。特别地，这包含λI-T不是单射即λ是特征值的情形。特征值集合被称为T的点谱，记为σp(T)。 另一情形，λI-T是一一映射但没有正下界。这样的λ不是特征值，而是T的近似特征值（特征值本身也是近似特征值）。近似特征值集合（包含点谱）被称为T的近似点谱，记为σap(T)。 如果λI-T值域不稠密，则λ∈σ(T)。这样的λ的集合被称为压缩谱，记为σcp(T)。它的子集，使得λI-T值域不稠密但是单射的λ的集合，被称为T的剩余谱，记为σr(T)。 注意到近似点谱和剩余谱不一定不相交（但点谱和剩余谱不相交）。 以下小节提供了关于上述σ(T)分类的更多细节。 如果一个算子不是单射（因此有某个非零的x满足T(x)=0），那它显然是不可逆的。 因此，如果λ是T的特征值，则必有λ∈σ(T)。T的特征值集合被称为T的点谱，记为σp(T)。 更一般地，T如果没有正下界，则不可逆； 也就是说，不存在c>0满足||Tx||≥c||x||对所有 x ∈ X 。因此，谱包括近似特征值集合，即使得 T -λI  没有正下界的λ； 等价地，它是满足如下条件的λ的集合，存在单位向量x1, x2, ...使得 lim n → ∞ ‖ T x n − λ x n ‖ = 0 {\displaystyle \lim _{n\to \infty }\|Tx_{n}-\lambda x_{n}\|=0} 。 近似特征值集合被称为近似点谱，记为σap(T)。 容易看出特征值属于近似点谱。 例子 考虑l2(Z)上双向移位算子T定义如下 T ( ⋯ , a − 1 , a ^ 0 , a 1 , ⋯ ) = ( ⋯ , a ^ − 1 , a 0 , a 1 , ⋯ ) {\displaystyle T(\cdots ,a_{-1},{\hat {a}}_{0},a_{1},\cdots )=(\cdots ,{\hat {a}}_{-1},a_{0},a_{1},\cdots )} 其中ˆ表示第零个位置。直接计算可知T没有特征值，但满足|λ|=1的每个λ都是近似特征值；令xn表示向量 1 n ( … , 0 , 1 , λ − 1 , λ − 2 , … , λ 1 − n , 0 , … ) {\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {n}}}(\dots ,0,1,\lambda ^{-1},\lambda ^{-2},\dots ,\lambda ^{1-n},0,\dots )} 则对所有n有||xn||=1，但 ‖ T x n − λ x n ‖ = 2 n → 0 {\displaystyle \|Tx_{n}-\lambda x_{n}\|={\sqrt {\frac {2}{n}}}\to 0} 。 由于T是酉算子，所以它的谱位于单位圆上。 因此T的近似点谱是其整个谱。 这对于更一般的一类算子也是正确的。 酉算子是正规的。由谱定理可知，希尔伯特空间H上的有界算子是正规的，当且仅当其等价于（将H等价为L^2空间）乘法算子。 可以证出，有界乘法算子的谱与它的近似点谱相等。 算子可以是单射甚至有正下界，但不可逆。l 2(N)上的单向移位算子就是一例。这个移位算子是一个等距同构，因此下界为1。但是它不可逆，因为它不是满射。满足λI-T是单射但值域不稠密的λ的集合被称为剩余谱，记为σr(T)。 满足λI-T是单射且值域稠密但不是满射的λ的集合，被称为T的连续谱，记为σc(T)。 因此，连续谱由那些不是特征值且不在剩余谱中的近似特征值构成。即 σ c ( T ) = σ a p ( T ) ∖ ( σ r ( T ) ∪ σ p ( T ) ) {\displaystyle \sigma _{c}(T)=\sigma _{ap}(T)\setminus (\sigma _{r}(T)\cup \sigma _{p}(T))} 。 算子的边缘谱是其谱中模等于其谱半径的点的集合。 氢原子提供了这种分解的例子。氢原子的哈密顿算子的特征函数被称为本征态，并被分为两类。 氢原子的束缚态对应于谱的离散部分（它们具有离散的特征值集合，可由里德伯公式计算得到），而电离过程的最终结果由连续部分描述（碰撞/电离的能量不是“量子化的”）。 如果T是一个紧算子，则可以证明谱中任意非零λ是特征值。 换句话说，这种算子的谱，被定义为特征值概念的推广，在这种情形下仅包括通常的特征值和0（可能有）。 如果X是希尔伯特空间且T是正规算子，则有被称为谱定理的显着结果，给出了正规有限维算子的对角化定理的类比（例如埃尔米特矩阵）。 可以推广谱的定义用于巴拿赫空间X上的无界算子，这些算子不再是巴拿赫代数B(X)中的元素。 推广类似于有界情形。 复数λ被称为在预解集中，即线性算子T T : D ⊂ X → X {\displaystyle T:D\subset X\to X} 的谱的补集，如果算子 T − λ I : D → X {\displaystyle T-\lambda I:D\to X} 有有界逆，即如果存在有界算子 S : X → D {\displaystyle S:X\rightarrow D} 使得 S ( T − I λ ) = I D , ( T − I λ ) S = I X {\displaystyle S(T-I\lambda )=I_{D},\,(T-I\lambda )S=I_{X}} 。 如果该性质不满足，则复数λ在谱中。 可以以与有界情形完全相同的方式来对谱进行分类。 无界算子的谱通常是复平面的闭子集，可能为空集。 对于预解集中的λ（即不在谱中），与有界情形相同，λI-T 必须是双射，因为它必须有双边逆。 如前所述，如果逆存在，则其线性直接可得，但一般来说，它可能无界，因此必须单独检验该条件。 然而如果引入了T是闭算子的附加假设，由闭图像定理可知，逆的有界性可由其存在性直接得到。 因此，与有界情情形相同，复数λ位于闭算子T的谱中，当且仅当λI-T不是双射。 注意到闭算子包括所有有界算子。 通过其谱测度，可以定义任何自伴算子的谱分解，有界或其他类型分解为绝对连续、纯点和奇异部分。 令B为包含单位e的复巴拿赫代数。我们定义B的元素x的谱σ(x)（或更明确地σB(x)）为使λe-x在B中不可逆的那些複數λ的集合。这推广了巴拿赫空间X上有界线性算子B(X)的谱的定义，因为B(X)是一个巴拿赫代数。 本性谱（英语：Essential spectrum） 自伴算子 伪谱 预解集（英语：Resolvent set） Theorem 3.3.3 of Kadison & Ringrose, 1983, Fundamentals of the Theory of Operator Algebras, Vol. Dales et al., Introduction to Banach Algebras, Operators, and Harmonic Analysis, ISBN 0-521-53584-0 Hazewinkel, Michiel (编), Spectrum of an operator, 数学百科全书, Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4