Toán tử chiếu và toán tử unita

Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo
trong trường Sư Phạm Hà Nội 2, đặc biệt các thầy cô giáo trong khoa
Toán đã dạy dỗ tôi qua 4 năm Đại học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy
giáo hướng dẫn, tiến sĩ Bùi Kiên Cường đã tạo điều kiện tốt nhất và chỉ
bảo tận tình để tôi có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn
Hà Nội, tháng 05 năm 2013
Sinh viên

Phan Thị Thủy

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận này là kết quả của bản thân trong quá trình học tập
nghiên cứu ở bậc đại học, bên cạnh đó tôi cũng nhận được sự quan tâm,
giúp đỡ tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong khoa Toán đặc biệt thầy
giáo hướng dẫn, tiến sĩ Bùi Kiên Cường.
Vì vậy tôi xin khẳng định kết quả của đề tài:“Toán tử chiếu và

toán tử unita” không có sự trùng lặp với các đề tài khác, nếu sai tôi xin
hoàn thành chịu trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 05 năm2013
Sinh viên

Phan Thị Thủy

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

MỤC LỤC
Lời nói đầu ............................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KIẾN THỨC CHUẨN BỊ ............................. 2
1.1. Không gian Hilbert. ......................................................................... 2
1.1.1.Không gian định chuẩn. ........................................................... 2
1.1.2. Tích vô hướng. ....................................................................... 3
1.1.3. Không gian Hilbert. ................................................................ 5
1.2. Toán tử tuyến tính bị chặn trong không gian Hilbert........................ 8
1.2.1. Các định nghĩa. ....................................................................... 8
1.2.2. Ví dụ..................................................................................... 10
CHƯƠNG 2. TOÁN TỬ CHIẾU....................................................... 12
2.1. Định nghĩa toán tử chiếu................................................................ 12
2.2. Tính chất và các phép toán của toán tử chiếu. ................................ 14
2.2.1. Định lí 2.2.1. ......................................................................... 14

2.2.2. Định lí 2.2.2. ......................................................................... 15
2.2.3. Định lí 2.2.3. ......................................................................... 15
2.2.4. Phép toán trên các toán tử chiếu. .......................................... 17
2.2.5. Dãy đơn điệu của toán tử chiếu. ............................................ 20
2.2.6. Khẩu độ của hai đa tạp tuyến tính. ........................................ 22
CHƯƠNG 3. TOÁN TỬ UNITA. ...................................................... 26
3.1. Định nghĩa toán tử unita. ............................................................... 26
3.2. Tính chất của unita. ....................................................................... 27
Kết luận................................................................................................ 32
Tài liệu tham khảo ................................................................................ 33

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Lí thuyết hàm và Giải tích hàm được ra đời và phát triển vào
những năm đầu thế kỉ 20, nó có nhiều tầm quan trọng và ứng dụng trong
các nghành của toán học, vì thế giải tích hàm là một môn quan trọng,
việc học và nắm vững môn này là cần thiết đối với sinh viên khoa Toán.
Nội dung của giải tích hàm rất phong phú, đa giạng kiến thức
trong lớp với lượng thời gian eo hẹp cùng với sự mới mẻ và cái khó của
môn này đã làm cho việc tiếp thu những kiến thức của giải tích hàm trở
nên không dễ dàng với sinh viên khoa Toán. Do đó để nắm vững các

kiến thức cơ bản của Giải tích hàm đồng thới với quyết tâm bước đầu đi
vào nghiên cứu khoa học, để tự tin trong việc dạy và học sau khi ra
trường, chúng tôi đã chọn đề tài: “Toán tử chiếu và toán tử unita
trong không gian Hilbert” để làm khóa luận tốt nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu
Bước đầu làm quen với việc nghiên cứu khoa học và tìm hiểu sâu
hơn về Giải tích hàm đặc biệt là lí thuyết toán tử.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu về toán tử chiếu, các tính chất của toán tử chiếu, toán
tử unita và các tính chất của chúng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lí luận, phân tích, tổng hợp đánh giá
5. Cấu trúc khóa luận
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Nội dung chính gồm ba chương:
Chương 1: Một số kiến thức chuẩn bị.
Chương 2: Toán tử chiếu.
Chương 3: Toán tử unita.

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CHUẨN BỊ
1.1. Không gian Hilbert
1.1.1. Không gian định chuẩn

Định nghĩa 1.1.1.
Ta gọi không gian định chuẩn là không gian tuyến tính X trên
trường P  P 

hoặc P 

 với một ánh xạ từ

X vào tập số thưc

, kí

hiệu là . và đọc là chuẩn, thỏa mãn các tiên đề sau:

1)  x  X  , x  0, x  0  x   .
2)  x  X  ,   P  ,  x   x .

3)  x, y  X  , x  y  x  y .
Số x gọi là chuẩn của vectơ x . Ta cũng kí hiệu không gian định
chuẩn là X . Các tiên đề 1),2),3) gọi là hệ tiên đề chuẩn.
Ví dụ 1.1.1.
Đối với số thực bất kì x 

ta đặt:

x  x.
Nhờ các tính chất về giá trị tuyệt đối của số thực, công thức này cho
ta một chuẩn trên

. Không gian định chuẩn tương ứng kí hiệu là

1

Ví dụ 1.1.2.
Cho không gian vectơ thực
k

k

, trong đó:





 x   x1 , x2 ,..., xn  xi  , i  1,2,...k .

Đối với vectơ bất kì x   x1 , x2 ,..., xn  

k

ta đặt:

k

x 

x
j 1

Phan Thị Thủy

j



k

.

(1.1.2)

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Từ công thức x  d ( x, ) và hệ tiên đề metric suy ra công thức
(1.1.2) cho một chuẩn trên
hiệu là

k

k

. Không gian định chuẩn tương ứng kí

.

1.1.2. Tích vô hướng
1. Định nghĩa tích vô hướng
Định nghĩa 1.1.2.
Cho không gian tuyến tinh X trên trường P  P  hoặc P 

.

Ta gọi tích vô hướng trên không gian X mọi ánh xạ từ tích Descates

X  X vào trường P , kí hiệu là .,. thỏa mãn tiên đề:
1)  x, y  X  ,  y, x    x, y .

2)  x, y, z  X  ,  x  y, z    x, z    y, z  .
3)  x, y  X  ,   P  ,  x, y     x, y  .

4)  x  X  ,  x, x   0, x   với  là phần tử không,  x, x   0 nếu

x  .
Các phần tử x, y, z ,... gọi là nhân tử của tích vô hướng, số  x, y 
gọi là tích vô hướng của hai nhân tử x và y . Các tiên đề 1),2),3),4) gọi là
hệ tiên đề tích vô hướng.
2. Các tính chất đơn giản

1)  x  X  ,  , x    0 x, x   0. x, x   0.

2)  x, y  X  ,    P  ,  x, y     x, y  .
Thật vậy,  x, y    y, x     y, x     x, y  .

3)  x, y, z  X  ,  x, y  z    x, y    x, z  .

Thật vậy,  x, y  z    y  z, x    y, x    z , x    x, y    x, z  .
Ví dụ 1.1.2: Không gian

Phan Thị Thủy

k

là không gian vectơ k chiều.

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

Với x   x j 

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

k
j 1

k



, y   y j 

k
j 1

k



, ta đặt:

k

 x, y    x j y j .

(1.1.2)

j 1

Thì

k

cùng với hệ thức (1.1.2) thỏa mãn hệ tiên đề tích vô hướng.

Thật vậy:
1) x   x j 

k
j 1

k



, y   y j 

k
j 1

k



, ta có :

k

 x, y    x j y j .
j 1
k

  x, y    x j y j .
j 1
k

  x, y    x j y j .
j 1
k

  x, y    y j x j   y , x  .
j 1

(Tiên đề 1 được thỏa mãn)
2) x   x j 

k
j 1



k

, y   y j 

k
j 1



k

, z   z j 

k
j 1



k

ta có:

k

 x  y, z     x j  y j z j .
j 1

k

   x j z j  y j z j .
j 1

k

k

j 1

j 1

   x j z j     y j z j .

  x  y , z    x, z    y , z  .
(Tiên đề 2 được chứng minh)
3) x   x j 

Phan Thị Thủy

k
j 1



k

, y   y j 

k
j 1



k

,  

, ta có:

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

k

k

  x, y     x j y j    x j y j .
j 1

j 1

   x, y  .
(tiên đề 3 được thỏa mãn)
4) x   x j 

k
j 1

k

k



 x, x     x j 

2

, ta có:

 0.

j 1

  x, x   0 nếu x   .
k

2

 x, x     x j   0.
j 1

 x j  0,

 j  1, 2,..., k  .

 x  .

(tiên đề 4 được thỏa mãn)
Vậy

k

cùng với hệ thức (1.1.2) thỏa mãn hệ tiên đề tích vô

hướng.
1.1.3. Không gian Hilbert
1.1.3.1. Định nghĩa không gian Hilbert
Định nghĩa 1.1.3.1.
Ta gọi một tập H   gồm những phần tử x, y , z ,... nào đấy là
không gian Hilbert, nếu tập H thỏa mãn các điều kiện:
1) H là không gian tuyến tính trên trường P.
2) H được trang bị một tích vô hướng.
3) H là một không gian Banach với chuẩn x 

 x, x  , x  H .

Ta gọi mội không gian tuyến tính con đóng của không gian Hilbert

H là không gian Hilbert con của không gian H .

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Ví dụ 1.1.3.1.
k

Kí hiệu
k

y   yn  

là không gian vectơ thực k chiều. Với x   xn  

k

,

.

Chuẩn sinh ra bởi tích vô hướng (1.1.2)
k

x 

 x, x    xn2 , x   xn  

k

.

(1.1.3.1)

n 1

Khi đó không gian vectơ thực

k

cùng với tích vô hướng (1.1.2)

là một không gian Hilbert.
Ví dụ 1.1.3.2.
Kí hiệu l2 là không gian vectơ các dãy sô phức x   xn  sao cho


chuỗi số

x

n

2

hội tụ. x   xn   l2 , y   yn   l2 , ta đặt:

n 1



 x, y    xn yn .
n 1

Dễ dàng thấy hệ thức trên thỏa mãn hệ tiên đề tích vô hướng.
Chuẩn sinh ra bởi tích vô hướng trên là:


x 

x

n

2

, x   xn   l2 .

n1

Khi đó không gian vectơ l2 cùng với tích vô hướng là một không
gian Hilbert.
1.1.3.2. Tính trực giao
Định nghĩa 1.1.3.2.
Cho không gian Hilbert H . Hai phần tử x, y  H gọi là trực giao,
kí hiệu x  y nếu  x, y   0.

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Định nghĩa 1.1.3.3.
Cho không gian Hilbert H và tập con A  H , A   . Phần tử
x  H gọi là trực giao với tập A nếu x  y   y  A  và kí hiệu x  A.

Định nghĩa 1.1.3.4.
Cho A không gian con của X . Ta gọi tập  x  X x  A là phần bù
trực giao của A và kí hiệu A   x  X x  A .
Định nghĩa 1.1.3.5.
Cho không gian Hilbert H và không gian con E  H . Tập con

F  H gồm các phần tử của không gian H trực giao với tập E gọi là
phần bù trực giao của tập E trên không gian H và kí hiệu:

FH

E.

Khi đó không gian H biểu diễn được dưới dạng tổng trực tiếp:

H  F  E   x  x1  x2 : x1  F , x2  E.

Định lí 1.1.3.2. (Định lí Pathagore)
2

2

2

Nếu x, y  H và x  y , thì x  y  x  y .
Chứng minh:
2

2

2

Ta có x  y   x  y, x  y   x   x, y    y, x   y .
2

2

 x  y .

Định lí được chứng minh.
Định lí 1.1.3.3.(Định lí về hình chiếu lên không gian con)
Cho không gian Hilbert H và H 0 là không gian con của H . Khi
đó phần tử bất kì x  H biểu diễn một cách duy nhất dưới dạng:
x  y  z, y  H 0 , z  H 0.

Phần tử y trong biểu diễn trên gọi là hình chiếu của phần tử x lên
không gian con H 0 .

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

1.2.Toán tử tuyến tính bị chặn trong không gian Hilbert
1.2.1. Các định nghĩa
a) Định nghĩa toán tử tuyến tính
Cho hai không gian tuyến tính X ,Y trên trường P  P  hoặc
P

 , ánh xạ

A từ không gian tuyến tính X vào không gian tuyến tính

Y . Ánh xạ A được gọi là toán tử tuyến tính nếu:

1) x, x '  X : A  x  x '   Ax  Ax ' .

2) x  X ,   P : A  x    Ax.

Khi toán tử A thỏa mãn điều kiện (1) thì A gọi là toán tử cộng tính.
Khi toán tử A thỏa mãn điều kiện (2) thì A gọi là toán tử thuần nhất.
Khi Y  P , toán tử tuyến tính A gọi là phiếm hàm tuyến tính.
1.2.2. Toán tử tuyến tính liên tục

a) Toán tử bị chặn
Cho không gian định chuẩn X và Y . Toán tử tuyến tính A từ
không gian X vào không gian con Y gọi là bị chặn nếu tồn tại hằng số
c  0 sao cho:

Ax  c x , x  X .

(1.2.2)

b) Chuẩn của toán tử
Cho A là toán tử tuyến tính từ không gian định chuẩn X vào không
gian định chuẩn Y . Hằng số c  0 nhỏ nhất thỏa mãn hệ thức (1.2.2) gọi
là chuẩn của toán tử A . Kí hiệu A .
c) Toán tử liên hợp
Cho A là toán tử tuyến tính bị chặn ánh xạ trong không gian
Hilbert X vào không gian Hilbert Y . Toán tử B ánh xạ không gian Y vào
không gian X gọi là toán tử liên hợp với toán tử A , nếu:

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

 Ax, y    x, By  , x  X , y  Y .
Toán tử liên hợp B thường kí hiệu là A* .
Các tính chất sau được suy ra dễ dàng từ định nghĩa:

A  B   A
 A    A .
*

*

*

* *

A 

*

 B*.

*

 A.

I *  I.

 AB 

*

 B* A* .

Với A, B là các toán tử bất kì và vô hướng  tùy ý.

c) Toán tử tự liên hợp
Toán tử tuyến tính bị chặn A ánh xạ không gian Hilbert H vào
chính nó gọi là tự liên hợp, nếu:

 Ax, y    x, Ay  , x, y  H .
Toán tử tự liên hợp còn gọi là toán tử đối xứng.
d) Toán tử trực giao
Một toán tử bị chặn T gọi là toán tử trực giao nếu nó giao hoán với
toán tử liên hợp của nó. Tức là T *T  TT *.
Chú ý rằng T trực giao khi và chỉ khi T * trực giao.
Mọi toán tử liên hợp đều trực giao nhưng trực giao chưa chắc đã
đối xứng.
e) Toán tử nghịch đảo
A là một toán tử xác định trong một không gian vectơ con của E .

Một toán tử B xác định trên
ABx  x, x 

Phan Thị Thủy

 A gọi

là nghịch đảo của A nếu:

 A , BAx  x, x  D  A .

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Một toán tử mà có toán tử nghịch đảo thì được gọi là khả tích.
Nghịch đảo của A kí hiệu là A1 .
Nếu một toán tử có nghịch đảo thì nghịch đảo đó là duy nhất.
f) Toán tử lũy đẳng
Một toán tử T được gọi là lũy đẳng nếu T  T 2 .
d) Ví dụ
Ví dụ 1.
Toán tử đồng nhất I biến mọi phần tử thành chính nó tức là Ix  x
với mọi x  E là toán tử bị chặn.
Ví dụ 2.
Cho

 x1, x2 ,..., xn 

k

A:



k

  x1, x2 ,0,...,0  .

Thì A là toán tử tuyến tính liên tục.
Thật vậy:
+) A tồn tại

k

Ax  x12  x22 

2
n

x

 x  .

j 1

Suy ra  A :

Rk  Rk

+) A là tuyến tính
Tính cộng tính
x   x1 , x2 ,..., xk   R k , y   y1 , y2 ,..., yk   R k .

Ta có:

 Ax, y    x1  y1, x2  y2 ,0...,0  .
  x1  x2 ,0,...,0    y1  y2 ,0,...,0  .

 Ax  Ay.

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Tính tuyến tính
x   x1 , x2 ,..., xk   R k ,   R ta có:

A  x    x1 , x2 ,0,...,0  .

   x1 , x2 ,0,...,0  .

  Ax.
+) A liên tục
Từ Ax  x suy ra A bị chặn nên A liên tục.
Vậy A là toán tử tuyến tính liên tục.
Ví dụ 3.
Cho toán tử Ax   0, x1 ,0, x 2 ,0,... , x   xn   l2 ta đi tìm toán tử
liên hợp của toán tử A.
Toán tử A là toán tử tuyến tính liên tục nên tồn tại toán tử liên hợp
A* .

Giả sử A* là toán tử liên hợp của A , nghĩa là:





x, y  l2 thì  Ax, y   x, A* y x   xn   l2 , y   yn   l2 .

Ta có:  Ax, y   0 y1  x1 y2  ...  0 y2 n1  xn y2 n  ...
 x1 y2  x2 y4  ...  xn y2 n .

Mà  Ax, y    x, A* y  .
Suy ra A* y   y2 , y4 ,..., y2 n ,... .
Vậy toán tử liên hợp của A là A* y   y2 , y4 ,..., y2 n ,... .
Ví dụ 4.
Với mọi toán tử tuyến tính liên tục A trong không gian Hilbert H ,
toán tử A* A dương vì:
x  X :  A* Ax, x    Ax, Ax   Ax  0.

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

CHƯƠNG 2: TOÁN TỬ CHIẾU
2.1. Định nghĩa toán tử chiếu
Cho G là không gian con của không gian Hilbert H . Tập con
F  H là phần bù trực giao của tập G trên không gian H ,tức là

FH

G.

Hay
H  G  F.

Theo định lí 1.1.1.3 mỗi vectơ x  H được biểu diễn duy nhất bởi
công thức

x uv
Trong đó u  G, v  F . Khi đó u được gọi là hình chiếu của x lên G.
Bằng cách ứng vectơ x  H với hình chiếu u của nó lên G . Ta lập
được ánh xạ P : H  H có miền giá trị R  P   G .
Định nghĩa 2.1.1.
Ánh xạ P xác định như trên được gọi là toán tử chiếucủa không
gian H lên không gian con đóng G  H . Ta cũng kí hiệu P là PG để nói
rõ phép chiếu lên không gian con G.
Do đó nếu u và v có mối quan hệ như trên thì:
u  Px  PG u.

Toán tử chiếu rõ ràng là tuyến tính và bị chặn.
Nhận xét:
Rõ ràng nếu u  H thì Pu  u . Hơn nữa ta có:

v  x  u  x  Pu   I  P  x.
Vậy I  P là toán tử chiếu lên không gian con đóng G   F .

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán

Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Ví dụ 2.1.1.
2

là không gian Hilbert.

H 0 là không gian con một chiều sinh bởi vec tơ e1  1,0  .

x  R 2 thì y   x, e1  e1 là hình chiếu của x  R 2 lên không gian con
H0.

Thật vậy, từ giả thiết ta có:

 x  y, e1    x   x, e1  e1, e1  .
 x  y, e1    x, e1    x, e1  e1 , e1   0.
x   x, e1  e1  H 0 .

Suy ra

Ta có biểu diễn:
x  x   x, e1  e1   x, e1  e1  x   x, e1  e1  y.

Với y   x, e1  e1  H 0 , x   x, e1  e1  H 0 .
Cho tương ứng vectơ x  R 2 với hình chiếu y của nó lên H 0 ta lập
được ánh xạ:
P:

R2  R2
x  Px   x, e1  e1.

Khi đó, ánh xạ P là toán tử chiếu không gian R 2 lên không gian
con đóng H 0 .
Ví dụ 2.1.2.
Cho dãy  en  là hệ trực chuẩn trong không gian Hilbert vô hạn
chiều H , H n là không gian con sinh bởi các vec tơ e1 , e2 ,..., en  n  1,2... .
Khi đó:
Pn : H  H
n

x  Pn x    x, e j  e j

 n  1,2...

j 1

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Là dãy toán tử chiếu của x  H lên không gian con đóng H n .
Thật vậy,  Pn  là dãy toán tử chiếu của x  H lên không gian con
n

đóng H n  n  1,2... . Đặt yn    x, e j  e j .
j 1

Ta có:


n





j 1



 yn , ei      x, e j  e j , ei    x, ei  , i  1,2,...
Suy ra:

 x  yn , ei    x, ei    yn , ei   0, i  1, 2,...
Suy ra: x  yn  H n .
Từ đó ta có biểu diễn:
x  yn   x  yn  với yn  H n , x  yn  H n .

Vậy yn là hình chiếu của x lên H n . Do đó, với mỗi n  1, 2,... thì
toán tử
Pn : H  H
n

x  Pn x    x, e j  e j  n  1,2,...
j 1

Là toán tử chiếu của X lên không gian con H n hay  Pn  là dãy toán
tử chiếu.
2.2. Tính chất và phép toán của toán tử chiếu
Định lí 2.2.1.
Toán tử chiếu P của không gian Hilbert H lên không gian con G
có P  1.
Chứng minh
2

Ta có: x  u  v. Suy ra x   u  v, u  v  .

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

2

2

 u   u , v    v, u   v .
2

2

 u  v .

Lại có: Px  u  x , suy ra P  1.
Nhưng nếu x  G thì x  u, suy ra P  1.
Định lí 2.2.2.

P là toán tử chiếu của không gian Hilbert H lên không gian con
G  H thì P là toán tử lũy đẳng và tự liên hợp. Tức là:
1 P 2  P.
2  P*  P.

Chứng minh
Ta có: P 2 x  P  Px   Pu  u  Px, suy ra P 2  P.
Để chứng minh P là toán tử tự liên hợp, chúng tôi chọn hai vectơ
tùy ý x1, x2  H và phân tích

x1  u1  v1 ,
x2  u 2  v2 ,

trong đó u1  Px1 và u2  Px2 .
Ta có:  Px1 , x2    u1 , x2    u1 , u2  v2    u1 , u2  .

 x1 , Px2    x1 , u2    u1  v1 , u2    u1 , u2  .
Suy ra  Px1 , x2    x1 , Px2  với x1 , x2  H .
Suy ra P*  P.
Ta có điều phải chứng minh.
Định lí 2.2.3.
Nếu P là toán tử bất kì trong H sao cho với mọi x1 , x2  H .

 P x , x    Px , x .
2

1

Phan Thị Thủy

2

1

2

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

 Px1, x2    x1, Px2  .
Thì tồn tại không gian con G  H mà P là toán tử chiếu trong G.
Chứng minh
Suy ra || Px ||2  || Px ||  || x ||, suy ra || Px ||  || x || .
Ta có: || Px ||2   Px, Px    P 2 x, x    Px, x  .
Do đó toán tử P là bị chặn và P  1.
Kí hiệu: G  u  H : Pu  u .
Rõ ràng G là đa tạp tuyến tính. Chúng ta phải chứng minh G đóng
để G  H .

Cho un  G  n  1,2... và un  u .
Vì un  Pun nên Pu  un  Pu  Pun  P  u  un  .
Và vì P  1 nên Pu  un  u  un .
Cho n  , suy ra || Pu  u ||  0 hay Pu  u. Do đó u  G , suy ra

G đóng.
Chúng ta phải chứng minh P  PG với PG là toán tử chiếu trong G .
Cho mỗi x  H , ta có Px  G , bởi vì P  Px   Px.
Do đó chỉ cần chứng minhrằng  Px  PG x, u '  0.
Hay  Px, u '    PG x, u '  , u '  G. Điều này suy ra từ các đẳng thức:

 Px, u '   x, Pu '   x, u ' .
 PG x, u '   x, PGu '   x, u ' .
Khi đó ta có điều phải chứng minh.
Để kết thúc phần này chúng ta chú ý rằng với G là không gian con
và E là toán tử đơn vị, do đó E  P là toán tử chiếu trên H G.
2.2.4. Phép toán trên các toán tử chiếu.

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Định nghĩa 2.1.2.
Cho G1 , G2 là hai không gian con trong không gian Hilbert H. Đặt
G  G1  G2 và gọi PG , PG1 , PG2 là toán tử chiếu lần lượt lên G , G1 , G2 . Ta

nói PG1 và PG2 giao hoán với nhau nếu PG1 PG2  PG2 PG1 .
Định lí 2.2.4.
Tích của hai toán tử chiếu PG1 , PG2 là một toán tử chiếu nếu và chỉ
nếu PG1 , PG2 giao hoán.
Trong trường hợp này:
PG1 PG2  PG .

Chứng minh
Điều kiện cần: Từ PG1 PG2 là toán tử chiếu nên:



PG1 PG2  PG1 PG2

*



 PG*2 PG*1  PG2 PG1 .

Lấy h  H tùy ý và cho:

g  PG1 PG2 h  PG2 PG1 h.
Đầu tiên cho g  G1 , g  G2 . Do đó, g  G1  G2 . Nếu h  G1  G2
thì PG1 PG2 h  h . Do đó một nửa định lí được chứng minh.
Điều kiện đủ: Bây giờ giả định PG1 , PG2 giao hoán. Đặt:

PG1 PG2  PG2 PG1  PG .
Ta được:



P 2  PG1 PG2



2

 PG1 PG2 PG1 PG2  PG1 PG1 PG2 PG2  P.

Và:

 P x , x    P P x , x    P x , P x .
  x , P P x    x , P P x    x , P x .
G 1

2

G1 G2 1

1

Phan Thị Thủy

2

G2 G1 1

G2 1

1

G1 2

G1 G2

2

1

G 2

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Suy ra PG  PG1 PG2 là toán tử chiếu.Định lí được chứng minh.
Hệ quả 2.2.4.

PG1 , PG2 là hai toán tử chiếu lên hai không gian con G1 , G2 . Khi đó
G1 , G2 trực giao với nhau nếu và chỉ nếu PG1 PG2  0.

Chứng minh
Điều kiên cần: Cho x  H , vì u  Px  G1 và G1  G2 .
Suy ra P1 x có hình chiếu bằng 0 lên G1.
Suy ra PG1 PG2 x  0 , hay PG1 PG2  0.

Điều kiên đủ: Lầy u  G1 , v  G2  u  PG1 u , v  PG2 v.
Ta có  u , v    PG1 u , PG2 v    PG1 PG2 u , v    0, v   0.
Suy ra G1  G2 . Khi đó định lí được chứng minh.
Định lí 2.2.5.Tổng hữu hạn của các toán tử chiếu:
PG1  PG2  .....  PGn  Q

 n   .

là một toán tử chiếu nếu và chỉ nếu PGi PGk  0  i  k  hay nếu và chỉ nếu
các không gian G j  j  1, 2..., n  đôi một trực giao.
Trong trường hợp này Q  PG và ở đó G  G1  G2  ...  Gn .
Chứng minh
Điều kiện đủ: Do PG j  j  1,2..., n  đôi một trực giao. Khi đó các
không gian G j  j  1, 2..., n  là cặp trực giao. Do đó Q 2  Q . Khi đó Q là
toán tử chiếu. Ta đi chứng minh điều kiện cần.
Điều kiện cần: Cho Q là toán tử chiếu do đó:
n



 

 



|| f ||2   Qf , f    PG j f , f  PG j , f  PGk , f .
j 1

Cho cặp i và k phân biệt bất kì. Từ mối quan hệ trên ta có:

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

|| PG j f ||2  || PGk f ||2  || f ||2 .

Trong bất đẳng thức này cho:
u  PGk x.

Do đó: || PG j PGk h ||2  || PGk h ||2  || PGk h ||2 , suy ra PG j PGk h  0.
Từ h  H nên ta có PG j PGk  0.
Hay PG j , PGk là trực giao.Khi đó ta có điều phải chứng minh.
Định lí 2.2.6.
Cho hai toán tử chiếu PG1 , PG2 phân biệt. Khi đó
PG1  PG2

(2.2.6)

là toán tử chiếu nếu và chỉ nếu G2  G1 . Trong trường hợp này
PG1  PG2 là toán tử chiếu trên G1

G2 .

Chứng minh

Điều kiện cần: Ta có Q  E  PG1  PG2 là toán tử chiếu. Khi đó Q
được biểu diễn bởi hai toán tử chiếu và từ định lí 2.2.4 ta có:

E  P P
G1

G2

 0  PG2  PG1 PG2 .

(2.2.7)

Nếu u  G2 thì u  PG2 u  PG1 PG2 u  PG1u .
Do đó u  G1 .Từmỗi phần tử u  G2  G1 . Suy ra G2  G1.
Từ điều kiện này chỉ ra rằng công thức (2.2.7) là điều kiện cần và
đủ để có được (2.2.6) là toán tử chiếu.
Ta có toán tử Q chiếu trên [H
chiếu trên H

[H

G1 ]  G2 . Do đó toán tử PG1  PG2

G1   G2 . Nó là không gian con bao gồm tất cả

các vectơ của G1 trực giao với G2 hay nó là không gian con G2

G1 .

2.2.5. Dãy đơn điệu toán tử chiếu

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Bổ đề 2.2.5.
Cho hai toán tử chiếu PG1 , PG2 phân biệt khi đó ta có:

G2  G1  || PG2 f ||  || PG1 f || với  f  H .
Trước hết ta có nhận xét:



 







|| PG2 f ||  || PG1 f || PG2 f , f  PG1 f , f .



 PG2  PG1 f , f  0, f  H .

 PG2  PG1 .
Do đó chúng tôi muốn chứng minh rằng G2  G1  PG2  PG1 .
Điều kiện cần: Đầu tiên cho G2  G1 và theo:

PG2  PG2 PG1 .
Do đó, với f  H ta có:

PG2 f  PG2 PG1 f
Và:
|| PG2 f ||  || PG1 f || .

(2.2.5)

Điều kiện đủ: Ngược lại (2.2.5) đúng với f  H . Xét:





f  E  PG1 h.

Trong đó h là phần tử tùy ý bất kì. Từ || PG2 f ||  || PG1 f || và





PG1 E  PG1 h  0.

Ta có:





PG2 E  PG1 h  0.

Từ bất đẳng thức cho mỗi h  H ta có:

PG2  PG1 PG2 .
Do đó G2  G1 . Ta có điều phải chứng minh.

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Định lí 2.2.7.
Nếu PGk  k  1, 2,... là dãy vô hạn toán tử chiếu và nếu PG j  PGk 1

 k  1, 2,... . Do đó với k  , PG

k

hội tụ mạnh tới toán tử chiếu P.

Chứng minh
Từ m  n hiệu số PGn  PGm là toán tử chiếu. Do đó với mỗi x  H ta
có:

|| PGn x  PGm x ||2  || PGn  PGm ||2 .


 P

Gn

 

 PGm x, x || PGn x ||2  || PGm x ||2 .

(2.2.7)

Vì x cố định, || PGk x ||2 tăng với k nhưng bị chặn trên bởi || x ||2 . Vì vậy nó





có giới hạn hữu hạn. Từ vế phải của (2.2.5) tiến tới 0 và dãy PGn x


n 1

là

dãy cơ bản theo nghĩa hội tụ mạnh.
Bằng tính đầy đủ của không gian hàm toán tử tuyến tính liên tục
nên tồn tại giới hạn mạnh:
x*  lim PGn x.
n 

Chúng ta định nghĩa toán tử P như sau:

x*  Px.
Rõ ràng P là tuyến tính. Vì:

P

Gk

 

 



x, PGk x  PGk x, u  xPGk , u .

Qua giới hạn ta được:

 Px, Pu    Px, u    x, Pu  .
Suy ra, P  P*  P 2 . Do đó P là toán tử chiếu.Định lí được chứng minh.
2.2.6. Khẩu độ của hai đa tạp tuyến tính

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Kiên Cường

Khẩu độ của hai đa tạp tuyến tính trong không gian Hilbert H được định
nghĩa là chuẩn của hiệu các toán tử chiếu từ H lên bao đóng của hai đa
tapk tuyến tính đó. Kí hiệu   M1 , M 2  .
Định nghĩa 2.1.3.
Khẩu độ của hai đa tạp tuyến tính M 1 và M 2 được kí hiệu bởi

  M 1, M 2  . Với:
  M 1 , M 2   || P1  P2 || || P2  P1 || .

Trong đó P1 , P2 là toán tử chiếu lên các đa tạp tuyến tính đóng
M1 , M 2 .

Tính chất 2.2.6.
Trong không gian Hilbert, khẩu độ của hai đa tạp tuyến tính
không quá 1.
Chứng minh
Thật vậy, từ định nghĩa khẩu độ của hai đa tạp tuyến tính ta có:





  M 1 , M 2    M1 , M 2   ( H

M 1, H

M 2 ).

Tiếp tục đồng nhất có:

P2  P1  P2  E  P1    E  P2  P1.
Từ x  H có:  P2  P1  x  P2  E  P1  x   E  P2  P1 x.
Từ P2  E  P1  x và  E  P2  Px
1 là trực giao nên:

 P2  P1  x
2

2

2

2

 P2  E  P1  x   E  P2  P1 x .
2

2

  E  P1  x  P1 x  x .

Suy ra P2  P1  1 . Hay   M 1 , M 2   1.

(2.2.6)

Định lí được chứng minh.

Phan Thị Thủy

K35G- SP Toán