一类缺项算子矩阵的Fredholm补

张丹 ,  海国君 ,  乔宏伟

内蒙古大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 56 ›› Issue (06) : 576 -584.

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内蒙古大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 56 ›› Issue (06) : 576 -584. DOI: 10.13484/j.nmgdxxbzk.20250602

一类缺项算子矩阵的Fredholm补

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Fredholm Completions of a Class of Partial Operator Matrices

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摘要

HK是无穷维的Hilbert空间。对于给定的算子ABHBB(K,H)CB(H,K)DB(K),利用空间分解和算子方程的方法得到了存在XB(K)使得MX=ABCX是Fredholm算子且其Fredholm逆本质等于形如算子矩阵***D的充分必要条件。

Abstract

Let H and K be infinite-dimensional Hilbert spaces.For given operators ABHBB(K,H)CB(H,K) and DB(K), the necessary and sufficient conditions are derived for the existence of XB(K) such that MX=ABCX is a Fredholm operator and its Fredholm inverse is essentially equal to the operator matrix ***D by using the methods of space decomposition and operator equations.

关键词

算子矩阵 / Fredholm算子 / 补问题 / 有限秩算子

Key words

operator matrix / Fredholm operator / completion problem / finite-rank operator

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张丹,海国君,乔宏伟. 一类缺项算子矩阵的Fredholm补[J]. 内蒙古大学学报(自然科学版), 2025, 56(06): 576-584 DOI:10.13484/j.nmgdxxbzk.20250602

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算子矩阵是以线性算子为元素的矩阵,它是算子理论中最重要的研究内容之一,在偏微分方程求解、弹性力学、流体力学及量子力学等数学物理问题1-2中均有广泛的应用。若Hilbert空间H可分为两个闭子空间H1H2的正交和,即H=H1H2,则H上的任意有界线性算子T可以表示为
T=T11T12T21T22H1H2H1H2
其中,TijHjHi的有界线性算子,i,j=1,2
缺项算子矩阵是指算子矩阵中某些位置的算子未被定义或未给出具体形式。缺项算子矩阵的补问题则是对已知算子加以条件约束,寻找未知算子,使得该缺项算子矩阵满足某些性质,比如可逆、左(右)可逆和值域闭等。有关缺项算子矩阵补问题的研究见文献[3-12]。李绍宽8-9研究了算子矩阵补问题AB?C-1=***DABC?-1=***D。Hai等10对算子矩阵的Fredholm补问题进行讨论,得出了对于给定算子ABCD,存在X使得ABXC是Fredholm算子且ABXCΦ=e***D的充分必要条件。还有学者研究了矩阵的补问题。Fiedler等13研究了如下分块矩阵的补问题
AB?C-1=***D
即考虑矩阵ABCD满足什么条件时,存在矩阵X使得ABXC是可逆的且具有形如***D的逆。Tian等14对矩阵广义逆的补问题进行了深入研究。
本文在文献[9-10]的启发下,利用空间分解和算子方程的方法,对如下缺项算子矩阵的补问题
ABC?Φ=e***D
进行研究,得到了存在X使得ABCX是Fredholm算子且ABCXΦ=e***D的充分必要条件。

1 预备知识

HK是可分的无穷维Hilbert空间,用B(H,K)表示HK的全体有界线性算子。若H=K,记B(H)=B(H,H)。设TB(H,K),用R(T)N(T)分别表示T的值域空间和零空间。对于线性子空间MH,用M¯M分别表示它的闭包和正交补。用PM¯表示M¯上的正交投影算子,TM表示T限制在M上。

定义115TB(H,K)SB(K,H)。如果

TST=TSTS=S(TS)*=TS(ST)*=ST

S称为T的Moore-Penrose逆,记其为T。换言之,S=T

容易发现,T是Moore-Penrose可逆当且仅当R(T)是闭的。此外,TT=PR(T)TT=I-PN(T)

定义215TB(H,K),若存在SB(K,H)和有限秩算子F1B(H)使得ST=I+F1,则称T是左Fredholm算子;若存在SB(K,H)和有限秩算子F2B(K)使得TS=I+F2,则称T是右Fredholm算子;若T既是左Fredholm算子又是右Fredholm算子,则称T是Fredholm算子。

T是Fredholm算子,则存在SB(K,H)和有限秩算子F1B(H)F2B(K),使得

ST=I+F1TS=I+F2

此时,S称为T的Fredholm逆,记为TΦ

TB(H,K),不难发现T是左Fredholm算子当且仅当R(T)是闭的且dimN(T)<T是右Fredholm算子当且仅当R(T)是闭的且dimR(T)<

定义316 对于SB(H,K)TB(H,K),如果存在有限秩算子FB(H,K)使得S=T+F,则称ST本质相等,记为S=eT

如果TB(H,K)是Fredholm算子,那么T的任意两个Fredholm逆S1S2相差一个有限秩算子,即S1=eS2。Moore-Penrose广义逆TT的一个Fredholm逆,因此,TΦ=eT

2 主要结论

定理1ABHBB(K,H)CB(H,K)DB(K)为给定算子。若R(A)是闭的并且AD不是有限秩算子,则存在XB(K)使得

MX=ABCX

是Fredholm算子且

MXΦ=e***D

当且仅当下列条件成立:

R(D)是闭的;

B4=PR(A)BR(D)R(D)R(A)C4=PN(D)CN(A)N(A)N(D)是Fredholm算子;

B3=PR(A)BR(D)¯R(D)¯R(A)C2=PN(D)CN(A)N(A)N(D)是有限秩算子。

此时

X=eC1A1-1B1+D1ΦGKLR(D)R(D)N(D)N(D)

其中,GB(R(D),N(D))KB(R(D),N(D))LB(R(D),N(D))是任意算子。

证明 必要性。假设存在XB(K)使得MX=ABCX是Fredholm算子且MXΦ=e***D。由于R(A)是闭的,则MXMXΦ由如下算子矩阵表示

MX=A1000B1B2B3B4C1C2C3C4X1X2X3X4N(A)N(A)R(D)¯R(D)R(A)R(A)N(D)N(D)
MXΦ=eY1Y2Z1Z2Y3Y4Z3Z4W1W2D10W3W400R(A)R(A)N(D)N(D)N(A)N(A)R(D)¯R(D)

因此,

MXMXΦ=A1Y1+B1W1+B2W3A1Y2+B1W2+B2W4A1Z1+B1D1A1Z2B3W1+B4W3B3W2+B4W4B3D10C1Y1+C2Y3+X1W1+X2W3C1Y2+C2Y4+X1W2+X2W4C1Z1+C2Z3+X1D1C1Z2+C2Z4C3Y1+C4Y3+X3W1+X4W3C3Y2+C4Y4+X3W2+X4W4C3Z1+C4Z3+X3D1C3Z2+C4Z4
=I+F11F12F13F14F21I+F22F23F24F31F32I+F33F34F41F42F43I+F44
MXΦMX=Y1A1+Z1C1+Z2C3Z1C2+Z2C4Y1B1+Y2B3+Z1X1+Z2X3Y1B2+Y2B4+Z1X2+Z2X4Y3A1+Z3C1+Z4C3Z3C2+Z4C4Y3B1+Y4B3+Z3X1+Z4X3Y3B2+Y4B4+Z3X2+Z4X4W1A1+D1C1D1C2W1B1+W2B3+D1X1W1B2+W2B4+D1X2W3A10W3B1+W4B3W3B2+W4B4
=I+F11'F12'F13'F14'F21'I+F22'F23'F24'F31'F32'I+F33'F34'F41'F42'F43'I+F44'

其中,FijFij'是有限秩算子,i,j=1,2,3,4

式(1)式(2)得到A1Z2=F14W3A1=F41'B3D1=F23D1C2=F32'。因为AD不是有限秩算子,D1:N(D)R(D)¯是单射且有稠值域,A1:N(A)R(A)是可逆的,因此Z2W3B3C2是有限秩算子。又由式(1)式(2)可知

B3W2+B4W4=I+F22
W3B2+W4B4=I+F44'
C3Z2+C4Z4=I+F44
Z3C2+Z4C4=I+F22'

因为B3W3C2Z2是有限秩算子,故B4C4是Fredholm算子。

式(1)式(2)可得

A1Z1+B1D1=F13C1Z1+C2Z3+X1D1=I+F33
W1A1+D1C1=F31'W1B1+W2B3+D1X1=I+F33'

所以

(X1-C1A1-1B1)D1=I+F33-C1A1-1F13-C2Z3
D1(X1-C1A1-1B1)=I+F33'-F31'A1-1B1-W2B3

因为F13F33F31'F33'C2B3是有限秩算子,因此F33-C1A1-1F13-C2Z3F33'-F31'A1-1B1-W2B3是有限秩算子。结合式(3)式(4)得,D1N(D)R(D)¯是Fredholm算子,因此R(D)是闭的。

充分性。由于R(A)R(D)是闭的,则ABCD分别表示为

A=A1000N(A)N(A)R(A)R(A)B=B1B2B3B4R(D)R(D)R(A)R(A)
C=C1C2C3C4N(A)N(A)N(D)N(D)D=D1000N(D)N(D)R(D)R(D)

显然A1N(A)R(A)D1N(D)R(D)是可逆的,因此A1-1D1Φ存在。令

X=C1A1-1B1+D1ΦGKLR(D)R(D)N(D)N(D),Y=A1-1+A1-1B1D1C1A1-1Y2Y3Y4R(A)R(A)N(A)N(A),Z=-A1-1B1D10C4(C3A1-1B1D1-KD1)C4N(D)N(D)N(A)N(A),W=-D1C1A1-1-D1GB4+D1C1A1-1B2B40B4R(A)R(A)R(D)R(D)

其中,GB(R(D),N(D)),KB(R(D),N(D)),LB(R(D),N(D))是任意算子,并且

Y2=-A1-1B1D1C1A1-1B2B4+A1-1B1D1GB4-A1-1B2B4,Y3=-C4C3A1-1B1D1C1A1-1+C4KD1C1A1-1-C4C3A1-1,Y4=C4C3A1-1B1D1C1A1-1B2B4-C4C3A1-1B1D1GB4+C4C3A1-1B2B4      +C4KD1GB4-C4KD1C1A1-1B2B4-C4LB4

直接计算可得I00I-ABCXYZWDI00I-YZWDABCX是有限秩算子。

定理2ABHBB(K,H)CB(H,K)DB(K)为给定算子。若AD是有限秩算子,则存在XB(K)使得

MX=ABCX

是Fredholm算子且

MXΦ=e***D

当且仅当BC是Fredholm算子。此时X=eG,其中GB(H,K)是Fredholm算子。

证明 由于AD是有限秩算子,结合Fredholm算子紧扰动理论,只需证明存在XB(K)使得0BCX是Fredholm算子且0BCXΦ=e***0当且仅当BC是Fredholm算子即可。

必要性。假设存在XB(K)使得0BCX是Fredholm算子且0BCXΦ=e***0。因此,存在有限秩算子FijFij'i,j=1,2)使得

0BCXYZW0=BW0CY+XWCZ=I+F11F12F21I+F22
YZW00BCX=ZCYB+ZX0WB=I+F11'F12'F21'I+F22'

由上式可得

BW=I+F11WB=I+F22'
CZ=I+F22ZC=I+F11'

BC是Fredholm算子。

充分性。假设BC是Fredholm算子,则N(B)R(B)N(C)R(C)是有限维的。取GB(H,K)为任意Fredholm算子,直接计算得

0BCG-CGBCB0=I00I+-PR(B)0PR(C)GB-PR(C),
-CGBCB00BCG=I00I+-PN(C)CGPN(B)0-PN(B)

因此,0BCG是Fredholm算子且0BCGΦ=e-CGBCB0

定理3ABHBB(K,H)CB(H,K)DB(K)为给定算子。若A是有限秩算子,D不是有限秩算子,则存在XB(K)使得

MX=ABCX

是Fredholm算子且

MXΦ=e***D

当且仅当下列条件成立:

B是右Fredholm算子且dimN(B)=

C是左Fredholm算子且dimR(C)=

③ 存在Fredholm算子T:N(B)R(C)使得D=eT000R(C)R(C)N(B)N(B)

此时

X=eT000N(B)N(B)R(C)R(C)

证明 必要性。假设存在XB(K)使得MX=ABCX是Fredholm算子且MXΦ=e***D。由于A是有限秩算子,于是0BCXΦ=e***D。因此,存在有限秩算子FijFij'i,j=1,2)使得

0BCXYZWD=BWBDCY+XWCZ+XD=I+F11F12F21I+F22
YZWD0BCX=ZCYB+ZXDCWB+DX=I+F11'F12'F21'I+F22'

从而BW=I+F11ZC=I+F11',故B是右Fredholm算子,C是左Fredholm算子。因为R(C)是闭的,此时

0BCX=00B20X1X2C2X3X4HN(B)N(B)HR(C)R(C)

是Fredholm算子,其中B2N(B)H是左可逆算子,C2HR(C)是右可逆算子。故存在HK上的可逆算子UV使得

U0BCXV=00B20X10C200

是Fredholm算子,因此X1为Fredholm算子。又由于

U0BCXVΦ=00B20X10C200Φ=e00C20X10B200

0BCXΦ=eV00C20X10B200U=**C2*X10B200HR(C)R(C)HN(B)N(B)

另一方面,0BCXΦ=eYZWD,因为R(C)是闭的,故

YZWD=YZ1Z2W1D1D2W2D3D4HR(C)R(C)HN(B)N(B)

因此

D=eX1000R(C)R(C)N(B)N(B)

T=X1,则条件③成立。

由于D不是有限秩算子,因此X1也不是有限秩算子,dimN(B)=dimR(C)=

充分性。假设条件①、②和③成立,设B2=BN(B)N(B)HC2=PR(C)CHR(C)。由于dimN(B)=dimR(C)=,因此,存在Fredholm算子TB(N(B),R(C))

X=T000N(B)N(B)R(C)R(C)Y=0
Z=0C2R(C)R(C)HW=0B2HN(B)N(B)

容易验证I00I-ABCXYZWDI00I-YZWDABCX是有限秩算子。

定理4ABHBB(K,H)CB(H,K)DB(K)为给定算子。若A不是有限秩算子,D是有限秩算子,则存在XB(K)使得

MX=ABCX

是Fredholm算子且

MXΦ=e***D

当且仅当下列条件成立:

C是右Fredholm算子,B是左Fredholm算子;

ACBA是有限秩算子;

③ 存在算子TB(H)使得AT=eI-BBTA=eI-CC

此时

X=e0-C1TB200N(B)N(B)R(C)R(C)

其中C1=PR(C)CB2=BPN(B)

证明 必要性。假设存在XB(K)使得MX=ABCX是Fredholm算子且MXΦ=e***D。由于D是有限秩算子,故ABCXΦ=eYZW0。因此

ABCXYZW0=AY+BWAZCY+XWCZ=I+F11F12F21I+F22
YZW0ABCX=YA+ZCYB+ZXWAWB=I+F11'F12'F21'I+F22'

其中FijFij'是有限秩算子,i,j=1,2所以CZ=I+F22WB=I+F22',从而C是右Fredholm算子,B是左Fredholm算子。显然CB存在,故Z=eCW=eB。由式(5)式(6)AZ=F12WA=F21',因此ACBA是有限秩算子。再由式(5)式(6)AY+BW=I+F11YA+ZC=I+F11',故

AY=ePR(B)=I-BBYA=ePN(C)=I-CC

T=Y,即得条件③。

充分性。假设条件①、②和③成立,设

B=0B2N(B)N(B)H

由于C是右Fredholm算子,因此R(C)是闭的。故CD表示为

C=C10HR(C)R(C)D=D1D2D3D4R(C)R(C)N(B)N(B)

显然C1是右可逆算子,B2是左可逆算子。令

X=0-C1TB200N(B)N(B)R(C)R(C)Y=THH
Z=C10R(C)R(C)HW=0B2HN(B)N(B)

直接计算可得I00I-ABCXYZWDI00I-YZWDABCX是有限秩算子。

注1 定理1中AD均不是有限秩算子,得到了ABCXΦ=e***D的补X的形式;定理2中AD均是有限秩算子,得到了0BCXΦ=e***0的补X的形式;定理3中A是有限秩算子,D不是有限秩算子,得到了0BCXΦ=e***D的补X的形式;定理4中A不是有限秩算子,D是有限秩算子,得到了ABCXΦ=e***0的补X的形式。

例1BB(K,H)CB(H,K)DB(K)为给定算子,其中B为左Fredholm算子且dimR(B)=C为右Fredholm算子且dimN(C)=D为有限秩算子。设

A=0A2A30N(C)N(C)R(B)R(B)

其中A2N(C)R(B)为有限秩算子,A3N(C)R(B)为可逆算子。

显然dim(N(C)N(A))<dim(R(A)R(B))<,因此ACBA是有限秩算子。记

T=0A3-1S0R(B)R(B)N(C)N(C)

其中SB(R(B),N(C))是任意算子,则AT=eI-BBTA=eI-CC。根据定理4可知,存在XB(K)YB(H)ZB(K,H)WB(H,K)使得MX=ABCX是Fredholm算子且其Fredholm逆与YZWD本质相等。实际上,令

X=0-C1SB100N(B)N(B)R(C)R(C)Y=THH
Z=00C1-10R(C)R(C)N(C)N(C)W=00B1-10R(B)R(B)N(B)N(B)

直接计算可得I00I-ABCXYZWDI00I-YZWDABCX是有限秩算子,故YZWD是其Fredholm逆。

注2 从例1中发现,2×2算子矩阵ABCX的Fredholm逆也可能本质等于三角算子矩阵YZW0

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