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千葉大学 融合理工学府 数学情報科学専攻 数学・情報数理学コース 2017年8月実施 専門 B7

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

H=L2([0,1];C)H=L^2([0,1];\mathbb C) に内積 f,g=01f(x)g(x)dx\langle f,g\rangle=\int_0^1f(x)\overline{g(x)}\,dx を入れ、

(Tf)(x)=0xf(y)dy(Tf)(x)=\int_0^x f(y)\,dy

と定める。(1) TT の連続性を示せ。(2) n1n\ge1 に対して

(Tn+1f)(x)=1n!0x(xy)nf(y)dy(T^{n+1}f)(x)=\frac1{n!}\int_0^x(x-y)^nf(y)\,dy

を示せ。(3) Tn+11/n!\|T^{n+1}\|\le1/n! を示せ。(4) 非零固有値がないことを示せ。(5) 共役作用素 TT^* に対して (Tf+Tf)(x)=01f(y)dy(Tf+T^*f)(x)=\int_0^1f(y)\,dy を示せ。

题目描述

在复 Hilbert 空间 L2([0,1])L^2([0,1]) 上定义积分算子 Tf(x)=0xf(y)dyTf(x)=\int_0^xf(y)dy。(1) 证明连续。(2) 证明给定迭代积分公式。(3) 证明算子范数上界。(4) 证明无非零特征值。(5) 求证它与伴随算子之和为全区间积分得到的常函数。

Kai

(1) Cauchy–Schwarz の不等式から Tf(x)xf2|Tf(x)|\le\sqrt x\|f\|_2。したがって Tf22f22/2\|Tf\|_2^2\le\|f\|_2^2/2 であり、TT は有界、ゆえに連続である。

(2) n=0n=0 の式は定義そのもの。帰納法と Fubini の定理によって

Tn+2f(x)=1n!0x0u(uy)nf(y)dydu=1(n+1)!0x(xy)n+1f(y)dy.T^{n+2}f(x)=\frac1{n!}\int_0^x\int_0^u(u-y)^nf(y)\,dy\,du =\frac1{(n+1)!}\int_0^x(x-y)^{n+1}f(y)\,dy.

ここで fL1([0,1])f\in L^1([0,1]) で核は有界なので積分順序を交換できる。

(3) 0xy10\le x-y\le1f1f2\|f\|_1\le\|f\|_2 より、各 xxTn+1f(x)f2/n!|T^{n+1}f(x)|\le\|f\|_2/n!。両辺の二乗を積分すればよい。

(4) Tf=λfTf=\lambda f, f0f\ne0 とすると

λn+1f2=Tn+1f2f2n!.|\lambda|^{n+1}\|f\|_2=\|T^{n+1}f\|_2\le\frac{\|f\|_2}{n!}.

(n+1)(n+1) 乗根をとって nn\to\infty とすれば λ=0|\lambda|=0

(5) Fubini の定理で

Tf,g=01f(y)y1g(x)dxdy\langle Tf,g\rangle=\int_0^1f(y)\overline{\int_y^1g(x)\,dx}\,dy

だから (Tg)(y)=y1g(x)dx(T^*g)(y)=\int_y^1g(x)\,dx。従って Tf(x)+Tf(x)=01f(y)dyTf(x)+T^*f(x)=\int_0^1f(y)\,dy(ほとんど至る所)。