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,Z 为 K 上的赋范空间,其中 K=R 或 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:X→Y 称为线性算子,如果对任意 x,y∈X 和 α,β∈K,
T(αx+βy)=αTx+βTy.
线性性等价于同时满足
T(x+y)=Tx+Ty,T(αx)=αTx.
线性算子总满足
T0=0.
1.2 核与值域
定义
kerT={x∈X:Tx=0}
称为 T 的核;
ranT=T(X)={Tx:x∈X}
称为 T 的值域。
kerT 是 X 的线性子空间,ranT 是 Y 的线性子空间。
定理
T 是单射⟺kerT={0},
T 是满射⟺ranT=Y.
1.3 线性算子的代数运算
若 S,T:X→Y 线性,α,β∈K,则
(αS+βT)x=αSx+βTx
仍是线性算子。
若 T:X→Y、S:Y→Z 线性,则复合算子
ST=S∘T:X→Z
也是线性的。
算子复合通常不满足交换律:
ST=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:X→Y 称为有界的,如果存在常数 C≥0,使对任意 x∈X,
∥Tx∥Y≤C∥x∥X.
这里的“有界”不是说整个值域 T(X) 是有界集,而是说 T 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:X→Y,以下条件等价:
- T 有界;
- T 在 0 处连续;
- T 在某一点连续;
- T 在每一点连续;
- T 把有界集映成有界集;
- T 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
若 T 有界,则
∥Tx−Ty∥=∥T(x−y)∥≤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
设 T:X→Y 是有界线性算子。定义
∥T∥=∥x∥≤1sup∥Tx∥.
这个范数称为算子范数。
常用的等价形式为
∥T∥=∥x∥<1sup∥Tx∥=∥x∥=1sup∥Tx∥=x=0sup∥x∥∥Tx∥,
其中单位球面形式要求 X={0}。
3.2 最小控制常数
算子范数是所有满足
∥Tx∥≤C∥x∥
的常数 C 中最小的一个。因此对所有 x∈X,
∥Tx∥≤∥T∥∥x∥.
3.3 范数公理
对 S,T∈B(X,Y) 和 α∈K,
∥T∥≥0,∥T∥=0⟺T=0,
∥αT∥=∣α∣∥T∥,
∥S+T∥≤∥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)
定义
从 X 到 Y 的所有有界线性算子组成的空间记作
B(X,Y)
或 L(X,Y)。
当 X=Y 时,常简记为
B(X).
4.2 复合算子的范数
若 T∈B(X,Y),S∈B(Y,Z),则
ST∈B(X,Z)
并且
∥ST∥≤∥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:X→X,IXx=x.
当 X={0} 时,
∥IX∥=1.
4.4 算子空间的完备性
定理
若 Y 是 Banach 空间,则对任意赋范空间 X,
B(X,Y)
在算子范数下是 Banach 空间。
X 本身不需要完备。证明的核心是:算子范数 Cauchy 保证对每个 x,点列 {Tnx} 在 Y 中是 Cauchy 点列。
特别地,若 X 是 Banach 空间,则 B(X) 是带单位元的 Banach 代数:
∥ST∥≤∥S∥∥T∥.
5. 有限维算子与矩阵
5.1 线性算子自动连续
定理
若 X 是有限维赋范空间,则从 X 到任意赋范空间 Y 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 A∈Km×n 定义线性算子
TAx=Ax.
相对于向量范数 ∥⋅∥p,诱导算子范数为
∥A∥p=x=0sup∥x∥p∥Ax∥p.
常用公式包括
∥A∥1=1≤j≤nmaxi=1∑m∣aij∣,
即最大列和;
∥A∥∞=1≤i≤mmaxj=1∑n∣aij∣,
即最大行和;
∥A∥2=λmax(A∗A),
即最大奇异值。
这里的 A∗ 表示共轭转置。
6. 典型算子
6.1 乘法算子
设 K 是紧空间,g∈C(K)。定义
Mg:C(K)→C(K),(Mgf)(x)=g(x)f(x).
则 Mg 有界,并且
∥Mg∥=∥g∥∞.
6.2 积分算子
定义
T:C[a,b]→C[a,b],(Tf)(x)=∫axf(t)dt.
则
∣(Tf)(x)∣≤(b−a)∥f∥∞,
所以
∥T∥≤b−a.
取 f≡1 可得等号,因此
∥T∥=b−a.
6.3 积分核算子
设 K∈C([a,b]×[c,d]),定义
(Tf)(x)=∫cdK(x,t)f(t)dt.
则
T:C[c,d]→C[a,b]
有界,并且
∥T∥≤x∈[a,b]max∫cd∣K(x,t)∣dt.
6.4 微分算子
在空间 C1[a,b] 上定义
Df=f′.
若定义域使用范数
∥f∥C1=∥f∥∞+∥f′∥∞,
则
D:C1[a,b]→C[a,b]
有界,因为
∥Df∥∞≤∥f∥C1.
但若在 C1[0,1] 上只使用 ∥⋅∥∞,则 D 不有界。取
fn(x)=xn
可得
∥fn∥∞=1,∥Dfn∥∞=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:X→K
称为线性泛函。
若 f 有界,则称为连续线性泛函。
泛函的范数为
∥f∥=∥x∥≤1sup∣f(x)∣=x=0sup∥x∥∣f(x)∣.
因此
∣f(x)∣≤∥f∥∥x∥.
7.2 对偶空间
定义(对偶空间)
X 上所有连续线性泛函组成的空间称为 X 的连续对偶空间,记作
X∗=B(X,K).
由于 K 完备,算子空间完备性定理给出:
定理
对任意赋范空间 X,其对偶空间 X∗ 都是 Banach 空间。
X 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#。连续对偶 X∗ 只包含其中连续的泛函:
X∗⊆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 X∗。
8. 典型线性泛函
8.1 坐标泛函
在 Kn 上定义
ej∗(x)=xj.
相对于 ∥⋅∥p,其范数为
∥ej∗∥=1.
8.2 点值泛函
固定 t0∈[a,b],定义
δt0:C[a,b]→K,δt0(f)=f(t0).
则
∣δt0(f)∣≤∥f∥∞,
并且取 f≡1 可知
∥δt0∥=1.
8.3 积分泛函
设 g∈C[a,b],定义
Fg(f)=∫abf(t)g(t)dt.
则
∣Fg(f)∣≤∥f∥∞∫ab∣g(t)∣dt,
所以
∥Fg∥≤∫ab∣g(t)∣dt.
在实数情形可以用连续函数逼近 sgng,得到
∥Fg∥=∫ab∣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 ℓp 上的泛函
设 1≤p<∞,q 满足
p1+q1=1.
对 y=(yn)∈ℓq,定义
fy(x)=n=1∑∞xnyn.
由 Hölder 不等式,
∣fy(x)∣≤∥x∥p∥y∥q.
更进一步,
(ℓp)∗≅ℓq,1≤p<∞,
其中 p=1 时 q=∞。
但
(ℓ∞)∗
严格大于 ℓ1,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
若 f∈X∗,则
kerf=f−1({0})
是闭子空间。
定理
设 f:X→K 是非零线性泛函,则
f 连续⟺kerf 闭.
9.2 超平面
定义(超平面)
余维为 1 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。
若 f∈X∗ 非零,α∈K,则
{x∈X:f(x)=α}
是闭仿射超平面。
10. 共轭算子
10.1 定义
设 T∈B(X,Y)。定义共轭算子或对偶算子
T∗:Y∗→X∗
为
(T∗g)(x)=g(Tx),g∈Y∗, x∈X.
也可以写成
T∗g=g∘T.
这里的 T∗ 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
T∗∈B(Y∗,X∗),
并且
∥T∗∥=∥T∥.
此外,
(S+T)∗=S∗+T∗,
在复数域上
(αT)∗=αT∗
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)∗=T∗S∗.
算子顺序发生反转。
10.3 核与值域的关系
定义集合 M⊆X 的零化子
M⊥={f∈X∗:f(x)=0, ∀x∈M}.
则
kerT∗=(ranT)⊥.
因此
ranT=Y⟺kerT∗={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:X→Y 是双射,则存在代数逆算子
T−1:Y→X.
T−1 自动线性。
11.2 有界可逆
定义
若 T∈B(X,Y) 是双射,并且
T−1∈B(Y,X),
则称 T 有界可逆或拓扑同构。
此时存在常数 c,C>0,使
c∥x∥≤∥Tx∥≤C∥x∥.
其中可以取
C=∥T∥,c=∥T−1∥1.
有界双射的逆算子不一定自动有界。若 X,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
∥Tx∥≤C∥x∥,
但当 X 非平凡时,其整个值域通常不是有界集,因为
T(λx)=λTx.
12.2 点态收敛与算子范数收敛
算子列 {Tn}⊆B(X,Y) 点态收敛到 T 是指
Tnx→Tx对每个固定的 x∈X.
算子范数收敛是指
∥Tn−T∥→0.
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∗:Y∗→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 Y 到 X 的算子。
13. 本篇要点
- 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。
- 算子范数是线性算子的最小统一放大常数。
- 复合算子满足 ∥ST∥≤∥S∥∥T∥。
- 当值域 Y 完备时,B(X,Y) 是 Banach 空间。
- 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。
- 对任意赋范空间 X,连续对偶 X∗ 都是 Banach 空间。
- 非零线性泛函连续,当且仅当其核是闭超平面。
- 共轭算子满足 ∥T∗∥=∥T∥ 和 (ST)∗=T∗S∗。
- 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
- 张恭庆、林源渠,《泛函分析讲义》,北京大学出版社。
- 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。
- Erwin Kreyszig, Introductory Functional Analysis with Applications.
- John B. Conway, A Course in Functional Analysis, 2nd ed.
- Walter Rudin, Functional Analysis, 2nd ed.