泛函分析不仅研究无限维空间本身,更关心空间之间保持线性结构的映射。矩阵、微分、积分、函数取值和 Fourier 系数都可以统一看作线性算子。

在线性算子中,连续性与有界性等价。这个结论使我们能够用一个算子范数同时衡量算子的连续性、放大能力和稳定性。

本文设 X,Y,ZX,Y,ZK\mathbb K 上的赋范空间,其中 K=R\mathbb K=\mathbb RC\mathbb C。除非特别说明,线性算子均与同一个标量域相容。


1. 线性算子

1.1 定义

定义(线性算子)
映射 T:XYT:X\to Y 称为线性算子,如果对任意 x,yXx,y\in Xα,βK\alpha,\beta\in\mathbb K

T(αx+βy)=αTx+βTy.T(\alpha x+\beta y) = \alpha Tx+\beta Ty.

线性性等价于同时满足

T(x+y)=Tx+Ty,T(αx)=αTx.T(x+y)=Tx+Ty, \qquad T(\alpha x)=\alpha Tx.

线性算子总满足

T0=0.T0=0.

1.2 核与值域

定义

kerT={xX:Tx=0}\ker T=\{x\in X:Tx=0\}

称为 TT 的核;

ranT=T(X)={Tx:xX}\operatorname{ran}T=T(X)=\{Tx:x\in X\}

称为 TT 的值域。

kerT\ker TXX 的线性子空间,ranT\operatorname{ran}TYY 的线性子空间。

定理

T 是单射kerT={0},T\text{ 是单射} \Longleftrightarrow \ker T=\{0\}, T 是满射ranT=Y.T\text{ 是满射} \Longleftrightarrow \operatorname{ran}T=Y.

1.3 线性算子的代数运算

S,T:XYS,T:X\to Y 线性,α,βK\alpha,\beta\in\mathbb K,则

(αS+βT)x=αSx+βTx(\alpha S+\beta T)x = \alpha Sx+\beta Tx

仍是线性算子。

T:XYT:X\to YS:YZS:Y\to Z 线性,则复合算子

ST=ST:XZST=S\circ T:X\to Z

也是线性的。

算子复合通常不满足交换律:

STTS.ST\ne TS.

2. 有界线性算子

2.1 有界性

定义(有界线性算子)
线性算子 T:XYT:X\to Y 称为有界的,如果存在常数 C0C\ge0,使对任意 xXx\in X

TxYCxX.\|Tx\|_Y\le C\|x\|_X.

这里的“有界”不是说整个值域 T(X)T(X) 是有界集,而是说 TT 对向量长度的放大倍数有统一上界。

2.2 有界性与连续性

定理
对线性算子 T:XYT:X\to Y,以下条件等价:

  1. TT 有界;
  2. TT00 处连续;
  3. TT 在某一点连续;
  4. TT 在每一点连续;
  5. TT 把有界集映成有界集;
  6. TT 把单位球映成有界集。

因此“连续线性算子”和“有界线性算子”表示同一类算子。

线性性十分关键。一般非线性连续映射未必把有界集映成有界集。

2.3 Lipschitz 连续

TT 有界,则

TxTy=T(xy)Cxy.\|Tx-Ty\| = \|T(x-y)\| \le C\|x-y\|.

所以有界线性算子自动是全局 Lipschitz 连续的,并且自动一致连续。


3. 算子范数

3.1 定义

T:XYT:X\to Y 是有界线性算子。定义

T=supx1Tx.\|T\| = \sup_{\|x\|\le1}\|Tx\|.

这个范数称为算子范数。

常用的等价形式为

T=supx<1Tx=supx=1Tx=supx0Txx,\|T\| = \sup_{\|x\|<1}\|Tx\| = \sup_{\|x\|=1}\|Tx\| = \sup_{x\ne0}\frac{\|Tx\|}{\|x\|},

其中单位球面形式要求 X{0}X\ne\{0\}

3.2 最小控制常数

算子范数是所有满足

TxCx\|Tx\|\le C\|x\|

的常数 CC 中最小的一个。因此对所有 xXx\in X

TxTx.\|Tx\|\le\|T\|\,\|x\|.

3.3 范数公理

S,TB(X,Y)S,T\in\mathcal B(X,Y)αK\alpha\in\mathbb K

T0,T=0T=0,\|T\|\ge0, \qquad \|T\|=0\Longleftrightarrow T=0, αT=αT,\|\alpha T\|=|\alpha|\,\|T\|, S+TS+T.\|S+T\|\le\|S\|+\|T\|.

所以所有有界线性算子在算子范数下构成赋范空间。


4. 算子空间

4.1 B(X,Y)\mathcal B(X,Y)

定义
XXYY 的所有有界线性算子组成的空间记作

B(X,Y)\mathcal B(X,Y)

L(X,Y)\mathcal L(X,Y)

X=YX=Y 时,常简记为

B(X).\mathcal B(X).

4.2 复合算子的范数

TB(X,Y)T\in\mathcal B(X,Y)SB(Y,Z)S\in\mathcal B(Y,Z),则

STB(X,Z)ST\in\mathcal B(X,Z)

并且

STST.\|ST\|\le\|S\|\,\|T\|.

这个不等式称为算子范数的次乘性。

等号未必成立。例如两个非零算子的复合可能为零。

4.3 单位算子

定义单位算子

IX:XX,IXx=x.I_X:X\to X,\qquad I_Xx=x.

X{0}X\ne\{0\} 时,

IX=1.\|I_X\|=1.

4.4 算子空间的完备性

定理
YY 是 Banach 空间,则对任意赋范空间 XX

B(X,Y)\mathcal B(X,Y)

在算子范数下是 Banach 空间。

XX 本身不需要完备。证明的核心是:算子范数 Cauchy 保证对每个 xx,点列 {Tnx}\{T_nx\}YY 中是 Cauchy 点列。

特别地,若 XX 是 Banach 空间,则 B(X)\mathcal B(X) 是带单位元的 Banach 代数:

STST.\|ST\|\le\|S\|\,\|T\|.

5. 有限维算子与矩阵

5.1 线性算子自动连续

定理
XX 是有限维赋范空间,则从 XX 到任意赋范空间 YY 的每个线性算子都是有界的。

因此有限维线性代数中无需额外区分线性算子和连续线性算子。

如果定义域是无限维空间,则可能存在不连续线性算子;它们通常依赖 Hamel 基构造,难以显式写出。

5.2 诱导矩阵范数

矩阵 AKm×nA\in\mathbb K^{m\times n} 定义线性算子

TAx=Ax.T_Ax=Ax.

相对于向量范数 p\|\cdot\|_p,诱导算子范数为

Ap=supx0Axpxp.\|A\|_p = \sup_{x\ne0}\frac{\|Ax\|_p}{\|x\|_p}.

常用公式包括

A1=max1jni=1maij,\|A\|_1 = \max_{1\le j\le n} \sum_{i=1}^m|a_{ij}|,

即最大列和;

A=max1imj=1naij,\|A\|_\infty = \max_{1\le i\le m} \sum_{j=1}^n|a_{ij}|,

即最大行和;

A2=λmax(AA),\|A\|_2 = \sqrt{\lambda_{\max}(A^*A)},

即最大奇异值。

这里的 AA^* 表示共轭转置。


6. 典型算子

6.1 乘法算子

KK 是紧空间,gC(K)g\in C(K)。定义

Mg:C(K)C(K),(Mgf)(x)=g(x)f(x).M_g:C(K)\to C(K), \qquad (M_gf)(x)=g(x)f(x).

MgM_g 有界,并且

Mg=g.\|M_g\|=\|g\|_\infty.

6.2 积分算子

定义

T:C[a,b]C[a,b],(Tf)(x)=axf(t)dt.T:C[a,b]\to C[a,b], \qquad (Tf)(x)=\int_a^xf(t)\,dt.

(Tf)(x)(ba)f,|(Tf)(x)| \le (b-a)\|f\|_\infty,

所以

Tba.\|T\|\le b-a.

f1f\equiv1 可得等号,因此

T=ba.\|T\|=b-a.

6.3 积分核算子

KC([a,b]×[c,d])K\in C([a,b]\times[c,d]),定义

(Tf)(x)=cdK(x,t)f(t)dt.(Tf)(x) = \int_c^dK(x,t)f(t)\,dt.

T:C[c,d]C[a,b]T:C[c,d]\to C[a,b]

有界,并且

Tmaxx[a,b]cdK(x,t)dt.\|T\| \le \max_{x\in[a,b]} \int_c^d|K(x,t)|\,dt.

6.4 微分算子

在空间 C1[a,b]C^1[a,b] 上定义

Df=f.Df=f'.

若定义域使用范数

fC1=f+f,\|f\|_{C^1} = \|f\|_\infty+\|f'\|_\infty,

D:C1[a,b]C[a,b]D:C^1[a,b]\to C[a,b]

有界,因为

DffC1.\|Df\|_\infty \le \|f\|_{C^1}.

但若在 C1[0,1]C^1[0,1] 上只使用 \|\cdot\|_\infty,则 DD 不有界。取

fn(x)=xnf_n(x)=x^n

可得

fn=1,Dfn=n.\|f_n\|_\infty=1, \qquad \|Df_n\|_\infty=n.

同一个代数算子是否有界,取决于定义域和值域上的范数。


7. 连续线性泛函

7.1 定义

定义(线性泛函)
取值于标量域的线性算子

f:XKf:X\to\mathbb K

称为线性泛函。

ff 有界,则称为连续线性泛函。

泛函的范数为

f=supx1f(x)=supx0f(x)x.\|f\| = \sup_{\|x\|\le1}|f(x)| = \sup_{x\ne0}\frac{|f(x)|}{\|x\|}.

因此

f(x)fx.|f(x)|\le\|f\|\,\|x\|.

7.2 对偶空间

定义(对偶空间)
XX 上所有连续线性泛函组成的空间称为 XX 的连续对偶空间,记作

X=B(X,K).X^*=\mathcal B(X,\mathbb K).

由于 K\mathbb K 完备,算子空间完备性定理给出:

定理
对任意赋范空间 XX,其对偶空间 XX^* 都是 Banach 空间。

XX 本身不需要完备。

7.3 代数对偶与连续对偶

所有线性泛函组成的集合称为代数对偶,常记作 X#X^\#。连续对偶 XX^* 只包含其中连续的泛函:

XX#.X^*\subseteq X^\#.

有限维时两者相同;无限维时通常不同。

泛函分析中的“对偶空间”若无特别说明,一般指连续对偶 XX^*


8. 典型线性泛函

8.1 坐标泛函

Kn\mathbb K^n 上定义

ej(x)=xj.e_j^*(x)=x_j.

相对于 p\|\cdot\|_p,其范数为

ej=1.\|e_j^*\|=1.

8.2 点值泛函

固定 t0[a,b]t_0\in[a,b],定义

δt0:C[a,b]K,δt0(f)=f(t0).\delta_{t_0}:C[a,b]\to\mathbb K, \qquad \delta_{t_0}(f)=f(t_0).

δt0(f)f,|\delta_{t_0}(f)| \le \|f\|_\infty,

并且取 f1f\equiv1 可知

δt0=1.\|\delta_{t_0}\|=1.

8.3 积分泛函

gC[a,b]g\in C[a,b],定义

Fg(f)=abf(t)g(t)dt.F_g(f)=\int_a^bf(t)g(t)\,dt.

Fg(f)fabg(t)dt,|F_g(f)| \le \|f\|_\infty \int_a^b|g(t)|\,dt,

所以

Fgabg(t)dt.\|F_g\| \le \int_a^b|g(t)|\,dt.

在实数情形可以用连续函数逼近 sgng\operatorname{sgn}g,得到

Fg=abg(t)dt.\|F_g\| = \int_a^b|g(t)|\,dt.

复数情形使用相位函数的连续逼近得到相同结论。

8.4 p\ell^p 上的泛函

1p<1\le p<\inftyqq 满足

1p+1q=1.\frac1p+\frac1q=1.

y=(yn)qy=(y_n)\in\ell^q,定义

fy(x)=n=1xnyn.f_y(x)=\sum_{n=1}^{\infty}x_ny_n.

由 Hölder 不等式,

fy(x)xpyq.|f_y(x)| \le \|x\|_p\|y\|_q.

更进一步,

(p)q,1p<,(\ell^p)^*\cong\ell^q, \qquad 1\le p<\infty,

其中 p=1p=1q=q=\infty

()(\ell^\infty)^*

严格大于 1\ell^1,不能直接套用有限指数情形。


9. 泛函的核与超平面

9.1 核的闭性

fXf\in X^*,则

kerf=f1({0})\ker f=f^{-1}(\{0\})

是闭子空间。

定理
f:XKf:X\to\mathbb K 是非零线性泛函,则

f 连续kerf 闭.f\text{ 连续} \Longleftrightarrow \ker f\text{ 闭}.

9.2 超平面

定义(超平面)
余维为 11 的线性子空间称为超平面。

每个非零线性泛函的核都是代数超平面。闭超平面恰好是某个非零连续线性泛函的核。

fXf\in X^* 非零,αK\alpha\in\mathbb K,则

{xX:f(x)=α}\{x\in X:f(x)=\alpha\}

是闭仿射超平面。


10. 共轭算子

10.1 定义

TB(X,Y)T\in\mathcal B(X,Y)。定义共轭算子或对偶算子

T:YXT^*:Y^*\to X^*

(Tg)(x)=g(Tx),gY, xX.(T^*g)(x)=g(Tx), \qquad g\in Y^*,\ x\in X.

也可以写成

Tg=gT.T^*g=g\circ T.

这里的 TT^* 是 Banach 空间意义下的共轭算子。它与 Hilbert 空间中由内积定义的伴随算子密切相关,但定义方式不同。

10.2 基本性质

定理

TB(Y,X),T^*\in\mathcal B(Y^*,X^*),

并且

T=T.\|T^*\|=\|T\|.

此外,

(S+T)=S+T,(S+T)^*=S^*+T^*,

在复数域上

(αT)=αT(\alpha T)^*=\alpha T^*

采用当前“泛函对向量线性”的约定时成立;若采用共轭线性对偶约定,标量公式会相应改变。

对可复合算子,

(ST)=TS.(ST)^*=T^*S^*.

算子顺序发生反转。

10.3 核与值域的关系

定义集合 MXM\subseteq X 的零化子

M={fX:f(x)=0, xM}.M^\perp = \{f\in X^*:f(x)=0,\ \forall x\in M\}.

kerT=(ranT).\ker T^* = (\operatorname{ran}T)^\perp.

因此

ranT=YkerT={0}.\overline{\operatorname{ran}T}=Y \Longleftrightarrow \ker T^*=\{0\}.

更深入的值域闭性关系将在对偶性和闭值域理论中继续使用。


11. 可逆算子

11.1 代数可逆

若线性算子 T:XYT:X\to Y 是双射,则存在代数逆算子

T1:YX.T^{-1}:Y\to X.

T1T^{-1} 自动线性。

11.2 有界可逆

定义
TB(X,Y)T\in\mathcal B(X,Y) 是双射,并且

T1B(Y,X),T^{-1}\in\mathcal B(Y,X),

则称 TT 有界可逆或拓扑同构。

此时存在常数 c,C>0c,C>0,使

cxTxCx.c\|x\| \le \|Tx\| \le C\|x\|.

其中可以取

C=T,c=1T1.C=\|T\|, \qquad c=\frac1{\|T^{-1}\|}.

有界双射的逆算子不一定自动有界。若 X,YX,Y 都是 Banach 空间,开映射定理将保证其逆算子有界。


12. 概念辨析

12.1 有界算子与有界值域

有界线性算子满足

TxCx,\|Tx\|\le C\|x\|,

但当 XX 非平凡时,其整个值域通常不是有界集,因为

T(λx)=λTx.T(\lambda x)=\lambda Tx.

12.2 点态收敛与算子范数收敛

算子列 {Tn}B(X,Y)\{T_n\}\subseteq\mathcal B(X,Y) 点态收敛到 TT 是指

TnxTx对每个固定的 xX.T_nx\to Tx \qquad \text{对每个固定的 }x\in X.

算子范数收敛是指

TnT0.\|T_n-T\|\to0.

算子范数收敛推出点态收敛,反向一般不成立。

12.3 泛函与一般函数

泛函的自变量通常是向量、序列或函数,值是标量。它并不是“函数的另一种名称”,而是强调定义在函数空间等抽象空间上的标量值映射。

12.4 共轭算子与 Hilbert 伴随

Banach 空间共轭算子映射

T:YX.T^*:Y^*\to X^*.

Hilbert 空间伴随算子则借助 Riesz 表示把对偶空间与原空间对应起来,最终写成从 YYXX 的算子。


13. 本篇要点

  1. 线性算子连续、有界、在零点连续和把单位球映成有界集彼此等价。
  2. 算子范数是线性算子的最小统一放大常数。
  3. 复合算子满足 STST\|ST\|\le\|S\|\,\|T\|
  4. 当值域 YY 完备时,B(X,Y)\mathcal B(X,Y) 是 Banach 空间。
  5. 无限维空间中,算子是否有界取决于定义域和值域所选的范数。
  6. 对任意赋范空间 XX,连续对偶 XX^* 都是 Banach 空间。
  7. 非零线性泛函连续,当且仅当其核是闭超平面。
  8. 共轭算子满足 T=T\|T^*\|=\|T\|(ST)=TS(ST)^*=T^*S^*
  9. 有界双射的逆未必有界;Banach 空间之间的情形需要开映射定理。

下一篇将整理商空间、直和、零化子与 Hahn–Banach 延拓和分离定理


参考教材

  1. 张恭庆、林源渠,《泛函分析讲义》,北京大学出版社。
  2. 夏道行、吴卓人、严绍宗、舒五昌,《实变函数论与泛函分析》,高等教育出版社。
  3. Erwin Kreyszig, Introductory Functional Analysis with Applications.
  4. John B. Conway, A Course in Functional Analysis, 2nd ed.
  5. Walter Rudin, Functional Analysis, 2nd ed.