TÍNH CHẤT PHỔ CỦA TOÁN TỬ TUYẾN TÍNH DƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
--------------------

Lê Phước Toàn

TÍNH CHẤT PHỔ CỦA
TOÁN TỬ TUYẾN TÍNH DƯƠNG
Chuyên ngành : Toán giải tích
Mã số

: 60.46.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS.NGUYỄN BÍCH HUY

Thành phố Hồ Chí Minh – 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
--------------------

Lê Phước Toàn

TÍNH CHẤT PHỔ CỦA
TOÁN TỬ TUYẾN TÍNH DƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 2009


LỜI CẢM ƠN
Trước hết qua luận văn này em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
PGS.TS. Nguyễn Bích Huy, người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp em
tích lũy những kiến thức bổ ích để hoàn thành luận văn.
Trong suốt quá trình học tập, em đã nhận được những kiến thức quý
báu từ các thầy cô trong khoa Toán -Tin trường Đại học Sư Phạm Tp.
HCM và trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, cũng qua luận văn này em
xin được đồng kính gửi đến các thầy cô lòng tri ân thành kính nhất.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô làm việc tại phòng
KHCN-SĐH đã giúp em rất nhiều trong quá trình học tập và khi thực hiện
luận văn này.
*****************
Lê Phước Toàn


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vào nữa đầu thế kỷ XX, lý thuyết các không gian trừu tượng: không gian
metric, không gian tuyến tính định chuẩn, không gian tôpô và tuyến tính tôpô
đã được hình thành. Tiếp đó, lý thuyết toán tử tuyến tính xuất hiện và đã tìm
ngay được những ứng dụng quan trọng trong: Phương trình vi phân thường,
Phương trình đạo hàm riêng, Phương trình tích phân, Vật lý lý thuyết và cả
trong một số lĩnh vực kỹ thuật. Lý thuyết phương trình toán tử trong không
gian có thứ tự ra đời từ nhưng năm 1950 và được hoàn thiện cho tới ngày nay.
Tính chất phổ được nghiên cứu cho nhiều lớp toán tử tuyến tính dương
bằng các phương pháp khác nhau, bởi các nhà toán học từ nhiều nước. Việc

tập hợp các kết quả này lại và trình bày chúng theo một hệ thống hoàn chỉnh
là việc làm cần thiết.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nhằm sử dụng quan hệ thứ tự và tính chất phổ của các toán tử tuyến
tính dương để nghiên cứu sự tồn tại giá trị riêng  tương ứng với vectơ riêng
x0 của bài toán tổng quát sau:
“Cho C là một tập hợp con của một không gian. E,u là một toán tử tuyến
tính dương từ C vào X với những điều kiện nào trên C,X và u để có thể khẳng
định sự tồn tại của một vectơ riêng x0 tương ứng với giá trị riêng  sao cho
u x0 =  x0”.
Luận văn này chủ yếu là trình bày những ứng dụng trên không gian
vectơ tôpô được sắp thứ tự để nghiên cứu về tính chất phổ của các toán tử
tuyến tính dương, compắc, toán tử u0- bị chặn, toán tử tuyến tính không phân
tích được.


Chúng ta giả sử rằng đã biết các vấn đề cơ bản nhất về đại số của các
toán tử trên một không gian Banach; Chương I liệt kê một số chi tiết những gì
cần trong việc trình bày tiếp theo. Chương II được dành cho sự bắt tay vào
nghiên cứu vấn đề phổ của toán tử tuyến tính dương. Chương III dành cho
nghiên cứu về phổ của toán tử u0 – bị chặn. Cuối cùng chương IV dành riêng
cho vấn đề phổ của toán tử tuyến tính không phân tích được.


Chương 1: PHỔ CỦA ÁNH XẠ - KHÔNG GIAN CÓ THỨ TỰ
1.1 Các tính chất cơ bản của giải thức
Giả sử (E, . ) là một không gian Banach phức và ký hiệu L(E) là đại số
Banach những ánh xạ tuyến tính liên tục từ E vào E với chuẩn thông thường
u  u =sup{ u(x) : x  1}.Nếu u  L(E) thì phổ  (u) là phần bù trong C
của tập mở lớn nhất  (u) mà trong đó  (  e-u)-1 tồn tại và là hàm giải tích

địa phương. Ở đây và trong các phần tiếp theo e là ký hiệu cho ánh xạ đồng
nhất của L(E). Cho    (u), chúng ta đặt (  e-u)-1 = R(  );  R(  ) gọi là
giải thức,  (u) gọi là tập giải thức của u.
Giả sử rằng E {0} khi đó  (u) là tập con Compact không rỗng của C
bán kính r(u) của đường tròn nhỏ nhất tâm O trong C chứa  (u) được gọi là
bán kính phổ của u; tập {   C:|  |= r(u)}, được gọi là đường tròn phổ của u.
Hơn nữa, nếu



  (u) và    (u) thì có phương trình giải thức:

R(  )-R(  )= - (  -  )R(  ).R(  ) (1).
Ở đây chúng ta ký hiệu hợp u0v của u,v  L (E) bằng uv.
Theo định lý về ánh xạ ngược của Banach, phổ  (u) có thể định nghĩa là
tập hợp của những   C để  e-u không là song ánh. Từ xem xét này chúng ta
có kết quả như sau:
Định lý: Giả sử u  L (E) với E là một không gian Banach phức và giả
sử rằng {  n:n  N} là một dãy con trong  (u) hội tụ tới   C, thì    (u),
khi và chỉ khi limn R(  n) = +  .
Chứng minh
(=>) Giả sử  n   và    (u) khi đó  e – u không khả nghịch
n 

trong L (E).


Suy ra lim R(n )   .
n 
(  )Để chứng minh điều kiện cần ta giả sử rằng tồn tại một dãy con

{  n} của dãy {  n} sao cho {R(  n):n  N} là bị chặn, do (1) ở trên ta có: với
m > n.
R(  n)- R(  m) = - (  n-  m) R(  n) R(  m)

m,n  N.

R( n )  R( m )  0 do lim n   .
Suy ra lim
n 
n 

Từ đó suy ra {R(  n):n  N } là dãy Cauchy trong L (E) và do đó hội tụ
tới  nào đó ,  L (E) .
Điều đó nghĩa là lim R( n )( n e - u)   ( e - u) = e .
n 
và tương tự ta có (  e-u)  =e , suy ra ( e-u) khả nghịch trong L (E)
Do đó :    (u) điều này mâu thuẩn.
R(n )   .
Vậy lim
n 

Tập hợp con của  (u) nơi mà trong đó(  e-u) không là đơn ánh được gọi
là phổ điểm (u) của u .Một phần tử 0  (u) được gọi là một giá trị riêng
của u, không gian hạch (hạt nhân) của ( 0e - u) gọi là không gian riêng tương
ứng ký hiệu N( 0). Số chiều của N( 0) được gọi là số bội (hình học) của 0 và
các phần tử khác không của N( 0) gọi là vectơ riêng của u tương ứng với giá
trị riêng 0 , mỗi vectơ riêng x này là 1 nghiệm của phương trình ux = 0x.
Phổ điểm của u bao gồm tất cả các cực của giải thức R. Giả sử 0 là một


cực của R và R( ) =  ak(  - 0 )k

(a-n  0) (2).

k  n

là khai triển Laurent của R ở lân cận của 0. Số nguyên n (n  1) là bậc
của cực 0, tổng riêng phần của (2) kéo dài từ k = - n tới k = -1 gọi là phần
chính của khai triển; a-n gọi là hệ số đầu tiên, và a-1 gọi là thặng dư của R tại
 = 0 .


Nhân (2) với (  e-u) = ( 0 e-u)+ (  - 0) e và so sánh các hệ số trong
đồng nhất thức nhận được (theo định lý duy nhất cho các hàm giải tích),
chúng ta có được:
a-n ( 0 e-u)= ( 0 e-u) a-n = 0 và a-n = a-1(u- 0 e)n-1.
hiển nhiên hệ số ak giao hoán với u. Những mối quan hệ này cho ta thấy
rằng 0 thuộc  (u); cụ thể hơn, hệ số a-1 là 1 phép chiếu của E lên trên không
gian hạch của ( 0 e-u)n không gian này chứa N( 0). Ngoài ra cho chúng ta
nhớ lại rằng nếu u Compact thì giải thức R là 1 hàm chỉnh hình trên hình cầu
Riemann bị đâm thủng tại 0 (một cách xác định tổng quát, R()=0) vì vậy nếu
u compact thì  (u) là một tập hợp đếm được với 0 có thể là điểm tụ duy nhất,
và mỗi một số khác không    (u) là một giá trị riêng của u có số bội hữu
hạn.
Cuối cùng, nếu u  L (E) và | |  r (u) giải thức của u được cho bởi
R( ) =







-(n+1)

un

(3).

n 0

(uo=e); (3) là khai triển của R tại  và được gọi là chuỗi C-Newmann.
Theo tiêu chuẩn Cauchy cho sự hội tụ của các chuỗi luỹ thừa ta suy ra:
r (u) = lim sup un

1/n

một cách chính xác hơn r(u) = limn un

1/n

Trong trường hợp r (u) = 0, u được gọi là lũy linh tôpô của đại số
Banach L (E); hiển nhiên u là một lũy linh tôpô nếu và chỉ nếu  (u) ={0}
hoặc tương đương, nếu và chỉ nếu giải thức R (với R()=0) là một hàm số
nguyên của  -1.
Nếu E là một không gian Banach trên

và u  L (E), phổ thực

 R(u)

được xác định như tập hợp con của R nơi mà trong đó (  e-u) không là song
ánh; một cách tương tự, chúng ta có thể xác định giải thức thực của u như là
hàm số   (  e-u)-1 với miền xác định R\  R(u) (có thể xảy ra  R(u) là


trống như ví dụ một phép quay quanh gốc của mặt phẳng Euclidean R2 ).
Chúng ta sẽ xét quá trình phức hóa không gian Banach thực như sau:
Giả sử (E, . ) là một không gian Banach trên R. Sự phức hóa E1 của E
là một không gian định chuẩn đầy đủ trên C. Nếu chúng ta muốn có một
chuẩn trên E1 sao cho phép nhúng của E và trong E1 là một phép đẳng cự ta
định nghĩa:
x + iy

1

= sup

(cos )x + (sin )y

0  2

Mọi u  L (E) có một sự mở rộng phức duy nhất u  L (E1) được xác
định bởi u (x+iy) = u(x) + iu(y) với mọi x,y  E. Trong trường hợp E là một
không gian Banach thực và u  L (E) chúng ta xác định phổ, giải thức, bán
kính phổ của u là những đối tượng tương ứng cho u như đã xác định ở trên.
Thỉnh thoảng để thuận tiện ta đồng nhất u với sự mở rộng phức của nó u .
Dễ dàng nhận thấy rằng với u  L (E), chúng ta có  R(u) =  (u) 

và

với   \  R(u) giải thức thực của u là sự thu hẹp của giải thức của u trên E
(được xem như là một không gian con thực của E1) và bán kính phổ r (u) là số
thực nhỏ nhất   0 sao cho với |  |  ,  

chuỗi (3) hội tụ trong L (E).

1.2 Không gian Banach với thứ tự sinh bởi nón
1.2.1 Nón và thứ tự sinh bởi nón
Định nghĩa 1.2.1.1

1) Tập K trong không gian Banach thực X gọi là nón nếu
i) K là tập đóng
ii) K + K  K,  K  K,    0
iii) K  (-K) = {  }
2) Nếu K là nón thì thứ tự trong X sinh bởi K được định bởi
xy  y–xK


Mỗi x  K\ {  } gọi là dương.
Mệnh đề 1.2.1.2: Giả sử “” là thứ tự sinh bởi nón

Khi đó:
1) x  y  x+ z  y+ z ;  x   y

 z  X,    0

2) (xn  yn (n  N*), lim xn = x, lim yn = y)  x  y
3) Nếu { xn } là dãy tăng, hội tụ về x thì xn  x

( n  N*)

Chứng minh

2) Suy từ tính chất đóng của K
3) Cho m   trong bất đẳng thức xn  xn+m
1.2.2 Nón chuẩn
Định nghĩa 1.2.2.1: nón K gọi là nón chuẩn nếu:
 N>0:  x y x N y .

Mệnh đề 1.2.2.2: Giả sử “” là thứ tự sinh bởi nón chuẩn khi đó

1) Nếu u  v thì đoạn <u,v> := {x  X: u  xv } bị chặn theo chuẩn
2) Nếu xn  yn  zn (n  N*) và lim xn =a, lim zn =a thì lim yn =a
3) Nếu { xn } đơn điệu, có dãy con hội tụ về a thì lim xn =a,
Chứng minh

1)  x  <u,v>    x-u  v-u 


x-u  N u-v

x  u + N u-v

2)   yn - xn  zn - xn 

yn - x n

N

zn - xn

xn = a
3) Coi { xn } tăng và lim
k 
k

Vì xn  x n k (n cố định, k đủ lớn) nên xn  a  n  N*


Cho   0 , chọn k0 để xnk0 -a  /N thì ta có:
 n > n k  a- xn  a- xn k
0



0

a- xn  N a- xn k

0

<


Chương 2: TÍNH CHẤT PHỔ CỦA TOÁN TỬ TUYẾN
TÍNH DƯƠNG
2.1 Toán tử tuyến tính dương

Cho không gian Banach X có thứ tự sinh bởi nón K. Một ánh xạ tuyến

tính A:X  X được gọi là dương nếu
 x >   A( x)   hay A (K)  K

Nếu A là tuyến tính dương thì nó cũng có tính đơn điệu
x  y  A(x)  A(y).
2.2 Định lý Pringsheim’s

Giả sử E là một không gian Banach được sắp thứ tự trên C sao cho nón
dương C là chuẩn yếu. Nếu an  C (n=0;1;….) và nếu





anzn có bán

0

kính hội tụ 1, thì hàm giải tích biểu diễn bởi chuỗi luỹ thừa có kỳ dị tại
z=1. Ngoài ra, nếu điểm kỳ dị là cực điểm thì nó có cấp lớn nhất trên
|z|=1.
Chứng minh


Cho f là hàm (với giá trị trong E) được cho bởi f(z) =  anzn khi
0

|z|<1và giả sử bán kính hội tụ của chuỗi là 1. Cho x’ là dạng tuyến tính thực
liên tục trên E ; r x’ là bán kính hội tụ của chuỗi





< an,x’ > tn trong đó t là số

0

thực, là  1. Hơn nữa ta có inf { r x’ : x’  D} = 1, trong đó D là tập hợp của tất
cả những dạng tuyến tính thực liên tục trên E, không âm trên C. Thật vậy nếu
chúng ta có inf { r x’ : x’ D} =  >1 thì chuỗi





antn sẽ hội tụ trong E với

0

mọi t: - < t <  . Do tính chất “chuẩn” của C kéo theo E0 = D-D, trong đó E0


là không gian thực nền tảng của E. Vì vậy zf(z) sẽ có sự mở rộng chỉnh
hình lên đĩa mở |z|< điều này là mâu thuẫn.
Giả

sử

p,

0
là

cố

định,

cho

x’ D

và

xác

định



bk=  (nk ) pn-k an với k=0,1…
nk





Do cho p< t <1 nên ta có

<an,x’> tn =

0





<an,x’> ((t-p)+p)n =

0

= < a0,x’> + <a1,x’>(t-p)+ <a1,x’>p + < a2,x’>(t-p)2+
2 < a2,x’> (t-p)p+< a2,x’>p2….
=

<

a0,x’>

+

<a1,x’>p+<a2,x’>p2+…+[<

a1,x’>+2<

a2,x’>p

+3< a3,x’>p2+...](t-p)+ [< a2,x’>+3<a3,x’>p+….](t-p)2+ [< a3,x’>+….]
(t-p)3 +….

= <a0+ a1 p + a2p2+….,x’> + <a1+ 2a2 p + 3a3p2+….,x’>(t-p)
+ <a2 + 3a3 p + ….,x’>(t-p)2+ ….
=





<bn,x’>(t-p)n

n 0

tất cả các số hạng trong 3 chuỗi





<an,x’> tn =

0





<bn,x’>(t-p)n là không âm, ta suy ra chuỗi

0





<an,x’>((t-p)+p)n =

0





<bn,x’> (t-p)n có bán kính

0

hội tụ r x’ -p và do đó chuỗi





bn(t-p)n có bán kính hội tụ 1-p. Bằng một sự

0

kết luận tương tự lý thuyết hàm giải tích,điều này dẫn đến rằng z=1 là điểm
kỳ dị của f.
Bây giờ giả sử rằng điểm kỳ dị của f tại z=1 là một cực có cấp k. Nếu
 =expi  là số phức bất kỳ có môđum là 1, và nếu z = t  ,0

lim f (| z |) | z -  |p  0 với mọi p>k ; Do C là một nón chuẩn yếu, điều này suy ra,
t 1


với bất kỳ p>k thì (1-t)p




0



(tn cos n  )an, (1-t)p  (tn sin n  )an
0

hội tụ đến 0 đối với tôpô  (E,E’) khi t1. Vì vậy nếu  là một cực của f
bậc m, ta suy ra m k và định lý được chứng minh.
2.3. Một số tính chất phổ của toán tử tuyến tính dương
Định lý 2.3.1: Giả sử E là một không gian Banach phức có thứ tự khác

{0} với nón dương C sao cho C là chuẩn và E=C-C. Với bất kỳ sự đồng cấu
dương u của E, bán kính phổ r (u) là một phần tử của  (u).
Chứng minh

Do C là chuẩn và E=C-C nên tự đồng cấu dương u của E là liên tục. Nón
H của những tự đồng cấu dương của E là chuẩn trong L (E) với tôpô chuẩn
của L (E).
Nếu r (u)>0 xét hàm z f(z) =R(r(u)/z). Theo công thức (3) chương 1 ta


có f(z)=  (r (u)/z)-(n+1)un==
0





(z/ r (u))(n+1)un; f có điểm kỳ dị tại z=1 và

0

r (u) là 1 cực của giải thức (giả thiết định lý) nên áp dụng định lý 2.2 với
z f(z) ta được điều phải chứng minh.
Nếu r (u) = 0 thì u là một luỹ linh tôpô,  (u)={0} và sự khẳng định là
đúng.
Định lý 2.3.2: Giả sử E là một (B)- không gian phức có thứ tự thoả mãn

giả thiết của định lý 2.3.1 và u là một tự đồng cấu dương của E. Nếu    (u)
thì R(  ) là dương nếu và chỉ nếu  là thực và  > r (u).
Chứng minh


(  ) Rõ ràng rằng  > r (u) là đủ để R(  )=   -(n+1)un  0 (với thứ tự
n 0

chính tắc của L(E)) do công thức (3) của chương 1.


(  ) Giả sử R(  )  0 với

   (u) (cần chứng minh  là số thực

và  > r (u).
Chọn một x0 >0 và xác định một cách đệ quy xn = R(  ) xn-1 (n  ) .
Mỗi một xn thoả mãn quan hệ sau.
 xn=  R(  )xn-1

=



u n ( xn 1 )



n

n 0



+
n0

=

u 0 ( xn 1 )

0

+




n 1

u n ( xn 1 )

n

=

xn-1

u n 1 ( xn )

 n 1

Hay  xn = xn-1

u(xn )

+

(n  )

(*)

Hiển nhiên xn  C với mọi n và hơn nữa xn >0 (nếu xn =0 với một n  N
dẫn đến x0 =0). Hơn nữa bằng phép quy nạp theo n từ (*) cho thấy
 nxn  C và 

n-1

xn  C với mọi n  N

và do:  n xn =  (  n-1 xn)=  u(  n-1 xn)+  n-1 xn-1   n-1 xn-1
Nên  n xn  n-1 xn-1  x0 (n  N)
Do đó  0 và chúng ta có thể giả định rằng |  |= 1 vì nếu R(  ) là
dương tại  0 thì giải thức của |  -1| u là dương tại |  -1|  . Giả sử  =expi  ,
0   <2  và giả sử rằng  > 0. Rõ ràng n    (mod 2  ) cho tất cả các số
nguyên dương n, vì nếu không thì C sẽ không là một nón thực sự. Do đó tồn
tại một số nguyên nhỏ nhất n0 > 0 sao cho tam giác với các đỉnh 1,
expi (n0- 1)  , expi n0  trong mặt phẳng phức có 0 nằm trong phần trong của
nó. Xét không gian con thực duy nhất M của E có số chiều là 2 mà chứa
n 1
n
những điểm xn ,  xn và  xn .Ta suy ra M  C chứa 0 như một điểm trong,
0

0

0

0

0

điều này mâu thuẫn với thực tế rằng C là một nón chính tắc, vì vậy  = 0

và

do đó  > 0.
Tới thời điểm này của phần chứng minh chúng ta mới sử dụng C như là
một nón chính tắc  {0} . Giả sử rằng C là chuẩn và E=C-C, như trên, ta suy
ra nón dương H  L(E) là chuẩn. Nếu đúng là R(  ) 0 với một  ,0<   r (u)


thì theo phương trình giải thức (chương 1, công thức (1)) ta có: Với  > r (u)
thì  >  >0 suy ra R(  )-R(  ) 0 nên R(  )R(  ) 0 và do đó; do tính
chuẩn của H , ta có { R(  ):  >r (u)} là một họ bị chặn trong L(E). Điều này
rõ ràng mâu thuẫn với trên và do đó ta suy ra  > r (u).
Chú ý: chứng minh ở trên cho thấy rằng mỗi khi E là một không gian
Banach có thứ tự với nón dương C  {0} và u là một toán tử dương (tự đồng
cấu liên tục) của E thì R(  )0 kéo theo  >0.
Định lý 2.3.3: Giả sử E là một không gian Banach thực có thứ tự với nón

dương toàn phần C và giả sử rằng u là một tự đồng cấu dương liên tục của
E mà giải thức của u có một cực trên đường tròn phổ |  |= r (u).
Khi đó r (u)   (u) và nếu r (u) là một cực của giải thức thì nó có bậc
lớn nhất trên đường tròn phổ.
Chứng minh

Do C là nón thực sự, đóng, toàn phần trong E, nón đối ngẫu của nó C’ có
những tính chất tương tự đối với  (E’,E) và do đó G =C’-C’ là một không
gian con trù mật của đối ngẫu yếu E’  . Nếu F ký hiệu cho không gian
(E,  (E,G)) thì C là một nón chuẩn trong F.
Ký hiệu bởi E1,F1 là sự phức hóa của E,F tương ứng. Chúng ta xét E1 là

có thứ tự với nón dương C thì thứ tự chính tắc của L(E1) được xác định bởi
nón dương. H = {   L (E1):  (C)  C}. Hơn nữa chúng ta sẽ đồng nhất
u  L (E) với sự mở rộng phức hóa của nó tới E1.
Giả sử ta ký hiệu bởi L  (E1,F1) là không gian của những ánh xạ tuyến
tính liên tục từ E1 vào trong F1 với tôpô của sự hội tụ đơn trên C. Tồn tại một
phép nhúng tự nhiên  của L(E1) vào trong L  (E1,F1) là liên tục; để cho ký
hiệu được đơn giản, chúng ta ký hiệu những ảnh của các phần từ và các tập
hợp con của L(E1) qua  bởi chỉ số 0. Đầu tiên chúng ta chú ý rằng từ tính


chuẩn của C trên F1, ảnh H

0

của nón H là chuẩn trong L  (E1,F1). Bây giờ

cho  ,|  |= r (u) là một cực có bậc k (k1) của giải thức  R(  ) của u và
giả sử a  L(E1) là hệ số đầu tiên của phần chính tại  =  , đầu tiên có
(  -  )k R(  ), do đó cũng có a0 = lim
(  -  )kR0(  ); Giả sử rằng
a = lim
 
 
r (u)   (u); thì   R(  ) và ánh xạ   R0(  ) sẽ
Do các hệ số của khai triển R0(  ) =







-(n+1)

giải tích tại  = r (u).

u0n của R0 tại vô cùng là

n0

những phần tử của nón chuẩn H0. Định lý 2.2 suy ra rằng R0 có một sự mở
rộng, với những giá trị trong sự bổ sung của L  (E1,F1) thành một ánh xạ giải
tích trên |  |>



trong đó: 0 <



< r (u). Trong trường hợp đặc biệt

{R0(  ):|  |>r (u)} là một họ bị chặn trong L  (E1,F1). Hiển nhiên, điều này
suy ra a0=0 và do đó a=0, điều này là mâu thuẫn. Vì vậy r (u)   (u).
Để chứng minh khẳng định cuối cùng chúng ta chú ý rằng bất kỳ cực nào
của   R(  ) trên |  |= r (u) là một cực cùng bậc của R0; Vì vậy khẳng định
này được suy từ định lý Pringsheim’s (2.2) định lý được chứng minh.
Hệ quả 2.3.4 (Krein-Rutman): Giả sử E là một không gian Banach

thực có thứ tự với nón dương toàn phần C và giả sử u là một tự đồng cấu

dương, compact của E. Nếu u có bán kính phổ r (u)>0 thì r (u) là một cực của
giải thức có bậc lớn nhất trên đường tròn phổ, với một vectơ riêng trong C.
Kết qủa tương tự cũng đúng cho liên hợp u’ trong E’.
Chứng minh

Do u là compact nên 0  (u) do đó chỉ những điểm kỳ dị khác 0 của tập
giải là các cực và có ít nhất một điểm kỳ dị trên |  |= r (u) (Thật vậy: giả sử u
không có điểm kỳ dị trên |  |= r (u) khi đó giải thức R(  )

xác định

  , |  |= r (u) suy ra r (u)   (u) hay r (u)  (u)  r (u) không là bán kính

phổ).


Do đó  = r (u) là một cực với bậc k(k1) nào đó của tập giải và chúng
 - r (u))k R(  ) là hệ số đầu tiên của phần chính tương ứng.
(
ta có P=  lim
r (u )

Từ R(  )  0 (với thứ tự chính tắc của L (E)) mỗi khi  > r (u) suy ra P 0,
do nón dương của L (E) là đóng.Từ C là nón dương toàn phần trong E, tồn
tại yC sao cho P(y)>0;Cho yC thoả P(y) 0. Từ đẳng thức
(  - r (u))k (  e-u)R(  )
(r (u)e-u)P=  lim
r (u )
=  lim
(  - r (u))k = 0

r (u )

Ta kết luận được r (u)P(y) = u(P(y))từ đó suy ra P(y) là một vectơ riêng
trong C tương ứng với r (u). Cuối cùng, nếu u’ là liên hợp của u trong đối
ngẫu mạnh E’, chúng ta có  (u)=  (u’) và  R(  )’ là giải thức của u’. Đặc
biệt  R(  )’ có một cực tại  = r (u’) = r (u) và chúng ta có sự khẳng định
cho u’ bởi sự tương tự trong phần chứng minh trước. Đặc biệt P(C)  C, suy
ra P’(C’)  C’ và P’ không triệt tiêu trên C’, do C’ là toàn phần trên E’  và
P’ là liên tục.
Ghi chú : Nếu C là toàn phần trong E, chứng minh trên khẳng định rằng

với bất kỳ tự đồng cấu dương liên tục u trên E mà giải thức của nó có một cực
tại  = r (u), thì tồn tại những vectơ riêng của u trong C và của u’ trong C’
tương ứng với r (u).
Định nghĩa 2.3.5: Giả sử E là một không gian Banach thực có thứ tự với

nón dương C; một ánh xạ tuyến tính u của E vào trong chính nó được gọi là
C-compact nếu u là liên tục trên C đi vào trong C, và nếu u(U  C) là compact
tương đối , U là ký hiệu quả cầu đơn vị của E. Chúng ta xác định bán kính
C-phổ của u là số rc = lim (sup un(x) :x C, x  1)1/n .
(phần chứng minh bên dưới sẽ cho thấy giới hạn luôn tồn tại)


Định lý 2.3.6: Giả sử E là một không gian Banach thực có thứ tự với nón

dương chuẩn C. Nếu u là một ánh xạ C-compact trong E sao cho r

c

>0 thì

r c là một giá trị riêng của u với một vectơ riêng trong C.
Chứng minh

Ký hiệu U là qủa cầu đơn vị của E và bởi H là bao lồi tuyệt đối của
U  C. Thì {  H,  >0} là một cơ sở lân cận của O đối với một tôpô định



chuẩn

trên không gian con E0=C-C của E. Vì vậy nếu q là hàm cỡ của H

thì (E0,q) là một không gian Banach, hơn nữa, trên C chuẩn q phù hợp với
chuẩn nguyên thủy của E. Vì vậy C là một nón đóng chuẩn trong
(E0,q) và rc là bán kính phổ r(  ) của ánh xạ  với  là thu hẹp của u trên
E0.Theo định lý 2.3.1 ta suy ra r(  )  ( ) . Do đó {R  (  n):n } là không
bị chặn trong L(E0,q) cho bất kỳ dãy số thực giảm {  n } nào sao cho
lim  n= r (  ) và do nguyên lý bị chặn đều, tồn tại yC sao cho
n

lim q(R  (  n)y) = +  cho mọi dãy xác định {  n} giảm, hội tụ tới r (  ). Giả
n

sử xn=R  (  n)y/q (R  (  n)y) thì xnC và q(xn ) = xn = 1 với mọi n. Hơn
( ) y   ( R ( n ) y ) 

nữa lim
q(  n xn -  (xn ))= lim
q   n R  n

 = 0.
n
n



q ( R ( n ) y )



 n xn - u(xn ) =0 điều này dẫn đến
Nên lim
q(  n xn -  (xn ))= lim
n
n
lim (r
n

c

e – u)xn =0 trong E. Vì vậy, do dãy {u(xn )} là compact tương đối

trong E, dãy {xn } có điểm tụ x trong E (và do đó trong C, do C là đóng). Hiển
nhiên, điểm tụ thỏa mãn r c x = u(x) và x = 1, điều này chứng minh định lý.
Định nghĩa: một nón lồi C đỉnh 0 trong một không gian lồi địa phương
E gọi là có một cơ sở compact nếu tồn tại một tập con afin (thực) N của
E không chứa 0, sao cho C  N là compact và C={  x:  0;x  N  C}.


Từ định lý tách tồn tại một siêu phẳng thực đóng H tách N  C tới {0];

khi đó C={  x:  0;x  H  C}.
Định lý 2.3.7: Giả sử E là một không gian lồi địa phương trên R và giả

sử C là một nón trong E với cơ sở compact. Nếu u là một tự đồng cấu của
không gian con C-C của E sao cho u(C)  C và sự thu hẹp của u tới C là liên
tục, thì u có một giá trị riêng  0 với một vectơ riêng trong C.
Chứng minh

Giả sử H = {x:f(x)=1} là một siêu phẳng trong E sao cho H  C là một cơ
sở compact của C; Ký hiệu V là bao lồi của {0}  (H  C) trong E và đặt
U=V-V thì {  U:  >0} là một cơ sở lân cận điểm 0 trong E0=C-C của một
tôpô định chuẩn

,

dễ dàng kiểm tra chuẩn z z =inf{f(x)+f(y)

:z=x-y,x,y  C} sinh ra tôpô  trên E0. Hơn nữa, do U là compact và do đó
đầy đủ trong E, và từ



là min hơn tôpô trên E0 cảm sinh từ E, ta suy ra

(E0,  ) là đầy đủ, do đó (E0, . ) là một không gian Banach. Hơn nữa C là

đóng trong không gian này và hiển nhiên chuẩn, do đó u là tự đồng cấu dương
liên tục của (E0, . ) với thứ tự của E0 sinh bởi nón dương là C. Vì vậy, từ
định lý 2.3.1 ở trên, ta suy ra bán kính phổ r(u) là một số trong  (u) (hoàn
toàn có khả năng là r (u)=0, thậm chí nếu u 0). Như trong phần chứng minh

của định lý 2.3.6 chúng ta xây dựng một dãy { xn } trong C sao cho
xn =f(xn)=1 với mọi n và sao cho lim
n

r (u) xn - u(xn ) =0. Do H  C là

compact trong E và u là liên tục trên C theo giả thiết nên mọi điểm tụ
x  H  C (trong tôpô tạo ra bởi E) của dãy { xn } thỏa mãn r (u)x=u(x). Điều
này hoàn thành chứng minh.


Hệ quả 2.3.8 (Krein-Rutman): Giả sử E là một không gian Banach

thực có thứ tự với nón dương C có điểm trong . Nếu u là tự đồng cấu dương
liên tục của E thì tồn tại một giá trị riêng 0 của liên hợp u’ với một vectơ
riêng trong nón đối ngẫu C’. Ngoài ra, nếu C là chuẩn thì bán kính phổ r (u)
của u là một giá trị riêng của u’.
Chứng minh

Thật vậy, giả sử x0 là điểm trong của C, xét siêu phẳng
H={x’:< x0, x’>=1} trong E’thì H  C’ là một  (E’,E) –compact, do đó
C’ là một nón với cơ sở Compact trong E’, và u’(thoả mãn u’(C’)  C’) là
 (E’,E) – liên tục, do đó có thể áp dụng định lý 2.3.7. Ngoài ra nếu C là một

nón chuẩn trong E thì E’=C’-C’ và như ta được thấy tôpô



được xây dựng

trong phần chứng minh của định lý 2.3.7 là tôpô của đối ngẫu mạnh E’. Do đó
số r (u’) là một giá trị riêng của u, là bán kính phổ của u’ trong E’ và vì vậy
bằng r (u).


Chương 3: TÍNH CHẤT PHỔ CỦA TOÁN TỬ u0 – BỊ CHẶN

Cho không gian Banach X có thứ tự sinh bởi nón K.
3.1. Toán tử uo - bị chặn:

Cho A:X  X là ánh xạ tuyến tính dương và phần tử uo  K\ {  }
1) A gọi là uo -

bị chặn dưới (uo -

bị chặn trên) nếu với mỗi

x  K\ {  } tồn tại số  =  (x) > 0, n=n(x)  N*
sao cho An(x)   uo

(An(x)   uo )

2) A gọi là uo - bị chặn hay uo - dương nếu nó uo - bị chặn dưới và trên
Ví dụ 1: Giả sử

Int K   , uo  Int K và A:X  X là ánh xạ tuyến tính

thoả mãn điều kiện A(x)  Int K,  x  K\{  } thì A là uo - dương.
Chứng minh

Xét x  K\{  }
Vì A(x)  Int K nên  r 1>0 : B (A(x), r 1)  K do đó:
r1
u0

A(x) -

uo  K hay A(x)  r 1

uo

u0

Tương tự, do uo  Int K nên  r 2 >0 :
uo -

A( x)
A( x)

r 2   hay A(x) 

A( x)

r

uo

2

Ví dụ 2:

Trong C[0,1] với nón K các hàm không âm, xét ánh xạ
A(x)(t) =

1



K(t,s)x(s)ds

0

t(1-s) nếu 0  t  s  1
Với K(t,s) =
s(1-t) nếu 0  s t  1
Ta có: t (1-t).s(1-s)  K(t,s)  t(1-t)  (t,s)  [0,1] x [0,1]


 t(1-t)

1



s(1-s)x(s)ds  Ax(t)  t(1-t)

0

1



x(s)ds

0

Do đó A là uo - dương với uo (t) = t (1-t).
3.2 Sự tồn tại vectơ riêng dương:
Bổ đề 3.2.1: Cho u0  –K và x  K. Khi đó tồn tại số cực đại tx  0 sao

cho x tx u0 (cực đại theo nghĩa nếu t cũng thoả x tu0 thì t  tx)
Chứng minh

Đặt T={t0: x tu0 } Ta có T   bị chặn trên
Số tx:=supT là số cần tìm
Định lý 3.2.2: giả sử

i) A:X  X là ánh xạ tuyến tính dương, hoàn toàn liên tục (=compact)
ii) tồn tại

phần tử

u  K-K, u  -K và số  >0, p 

* thỏa mãn

AP(u)  u.
Khi đó A có trong K vectơ riêng với giá trị riêng tương ứng  p 
Chứng minh: Giả sử u=v-w,v,w  K,v0

Do định lý điểm bất động Schauder, với mỗi n 
v
n

x  (A(x)+ ) /

A(x) +

v
n

*, ánh xạ


có điểm bất động trong tập K  B (  ,1).

Do đó  xn  K, xn = 1,   n = A(xn) +

v
v
: A(xn) + =  n xn
n
n

(1)

* Ta sẽ chứng minh :  n  p 
Gọi tn là số cực đại thỏa mãn xn  tn u. Ta có
tn >0 (do xn 
xn 

1
u)
nn
1

n

A(xn)  xn 

1



p
n

AP(xn )  xn 

1



p
n

AP (tn u) t n pu


n

 tn 

t n

 np

(do tính cực đại của tn )  điều phải chứng minh

* Tiếp theo ta có:





 {nk}: A(x n k ) hội tụ về một y  K (do A hoàn toàn liên tục)
k

  hội tụ về một 

 nk

0

  (do n  A(x n ) +

  xo := lim x n k , xo  K,

p

v
)
n

x0 =1

Qua giới hạn trong (1) (với n= nk ) ta có A(xo)=  0xo
3.3 Tính chất của vectơ riêng dương của ánh xạ u0-dương
Bổ đề 3.3.1: Cho A là ánh xạ u0-bị chặn trên, và phần tử x  K-K,x  -K

thoả :  >0: A(x)   x
Gọi t0 là số cực đại thoả mãn u0 t0x thì t0>0
Chứng minh: ta có

x=x’-x”, x’,x”  K, x’  
  0, p 

*: AP(x’)   uO

P

P

  uO  A (x’)  A (x)   p x  t0 

p


Bổ đề 3.3.2: Nếu A là u0-dương và có vectơ riêng dương x0 thì A cũng là

x0-dương.
Chứng minh: ta có a '  0, p  * :a’uo  AP(x0) = 0p x 0

nên  a>0: uO  a xO
Tương tự  b>0: uO  b xO
Với x  K\{  } ta có   >0: n  * : An(x)   uO nên An(x)   bxO
Vậy A là xO - bị chặn trên. Tương tự A là u0-bị chặn dưới.


Định lý 3.3.3 (Krein-Rútman): Giả sử

i) K là nón sinh
ii) A là ánh xạ u0-dương, liên tục và có vectơ riêng dương x0, tương ứng
với giá trị riêng  0
Khi đó
1)  0

là giá trị riêng đơn (bội 1 ) của A

2) x0 là vectơ riêng dương duy nhất của A
3) Mọi giá trị riêng khác của A đều có môđun nhỏ hơn  0
Chứng minh 1)

Nhắc lại: Giả sử  0 là giá trị riêng của A
Đặt Xn = ker (A-  0I )n thì ta có X1  X2  …..


Đặt X0 =U Xn thì số chiều của không gian con X0 gọi là bội của  0
n 1

Nếu A compắc thì dimXn <   n, và tồn tại n0 sao cho
X1  ….. X n -1  X n = X n +1 = ….. nên bội của  0 hữu hạn.
0

0

0

Chứng minh dimX1 = 1
Giả sử trái lại  y0  < x0>:Ay0=  0 y0
Coi y0  -K và gọi t0 là số cực đại thoả xO  t0 yO thì t0>0 (bổ đề 3.3.1).
Theo giả thiết phản chứng thì xO - t0 yO  K\{  } nên do tính uO - dương
của A:   >0 n  * : An(xO - t0 yO)   xO
Do đó xO (1-

 -1
) t0 yO , mâu thuẫn với tính cực đại của t0.
 on

Chứng minh X2=X1 (do đó Xn=X1  n)
Giả sử trái lại x   : (A- 0 I)2x =  , (A- 0 I)x  
Vì A(x) -  0x  X1 nên theo bước trên
 t  0: Ax-  0x = tx0

(1)