线性关系是线性算子概念在多值情况下的进一步泛化,因此,也将多值线性算子和单值线性算子统称为线性关系,它可以用来解决具有非稠定性等线性算子的一些问题。事实上,文献[
1]在研究非稠定微分算子的共轭时就引入了线性关系这一概念。线性关系的发现为诸多实际问题的解决提供了理论支撑,例如,某些最优化、控制论、退化微分方程和退化算子半群问题已应用了线性关系的相关理论
[2-3]。线性关系矩阵是以线性关系作为元素的矩阵,通常也称为关系矩阵。
在近三十年的研究历程中,算子矩阵作为一类特殊的关系矩阵,一直是学界关注的焦点,特别是对于上三角算子矩阵的谱补问题的研究已经逐渐完善。许多学者对谱、点谱、连续谱和剩余谱等问题进行了讨论
[4-8]。文献[
4]在Hilbert空间中研究了
上三角算子矩阵点谱、连续谱和剩余谱的扰动;文献[
5]给出了在Hilbert空间中
上三角算子矩阵的可能连续谱和可能剩余谱;文献[
6]对Hilbert空间中的
上三角算子矩阵的可能点谱、可能连续谱和可能剩余谱进行了描述;文献[
7]将
上三角算子矩阵的点谱与剩余谱分别分为两类,并对其可能谱进行描述;文献[
8]针对
上三角算子矩阵,结合分析法和算子分块技巧刻画了四类可能点谱。
近年来,许多学者开始研究关系矩阵的谱理论,主要是对上三角缺项关系矩阵的谱补问题进行研究
[9-11]。文献[
9]对
上三角关系矩阵进行了探讨,得到了缺项元素分别为单值线性关系和多值线性关系时,
上三角关系矩阵
值域闭和值域不闭的充分必要条件,并进一步刻画了闭值域谱的扰动和可能闭值域谱;文献[
10]刻画了
上三角关系矩阵的谱、点谱、连续谱和剩余谱的扰动问题,以及
上三角关系矩阵
的点谱与其内部元素的点谱之间的联系;文献[
11]利用单值扩张性质对上三角关系矩阵
的谱、点谱和剩余谱等与其对角元的对应谱之间的关系进行刻画。本文结合分析方法与矩阵分块技巧给出了
上三角关系矩阵
的两类点谱与两类剩余谱与其对角元的对应谱的并集之间的包含关系。
下面给出基本概念和主要符号。设和是可分的Hilbert空间,关系是一个映射,它将非空子集中的元素映射为的某个非空子集,其中为的定义域。若关系满足对任意的及不全为零的标量都有,则称为线性关系。记为从到且定义域为全空间的所有线性关系,并记。
设,图定义为。若的图是的闭子空间,则称是闭的。以表示从到的所有闭线性关系构成的集合,记。的逆关系和闭包分别定义为和确定的线性关系。设,为从到的商映射,则是单值的,并且对任意的,有且定义的范数为,若,则称是有界线性关系。记为从到的所有有界线性关系构成的集合,为从到的所有有界闭线性关系构成的集合,为上的所有有界线性关系构成的集合。定义、和分别为的值域、零空间和多值部分,其中。记,。
设,定义的预解集为是单射的,值域闭且稠密}。定义的谱为。线性关系的点谱、剩余谱、连续谱和闭值域谱分别定义为
不是单射},
是单射,,
是单射,,
不是闭的}。
为叙述方便,记。基于的闭性与稠密性,将关系的点谱和剩余谱分别拆为1,2类点谱和1,2类剩余谱,即
,
,
闭},
不闭}。
1 辅助引理
引理1 若是Hilbert空间上的线性关系, 则
(i) 闭当且仅当闭;
(ii) 若是闭的,则是闭的。
引理2 设。若是闭的,则是闭的。
引理3 设,则对任意的,有当且仅当且。
证明 充分性。因为且,所以,因此,对任意的,有,故,则。
必要性。令,因为,所以且。
引理4 若,则对任意的,有且。
引理5 若且可逆,则
(i) 闭当且仅当闭;
(ii) 闭当且仅当闭。
引理6 设,。若是有限秩的,则是闭的当且仅当是闭的。
引理7 设且可逆,则在中稠密当且仅当在中稠密。
证明 充分性。因为可逆,所以对任意的,有。由于在中稠密,故存在使得,则。令,则,即在中稠密。
必要性。因为可逆,所以对任意的,有。由于在中稠密,故存在使得,则。令,则,即在中稠密。
引理8 设为给定关系,则
。
引理9 设为给定关系,则
。
引理10 设为给定关系,则对任意的,都有不闭当且仅当不闭且。
2 主要结果及证明
定理1 设为给定关系,则
。
另外,若,则
。
证明 设。以下分4种情形进行讨论。
情形1: 和均是单射,且。由引理8可知,是单射,则。
情形2: 是单射,,且。由可得,,故。
情形3:闭,,且。此时,,故。
情形4:闭,是单射,且。此时,可分解为如下形式
。
其中,且
。
易知为可逆算子,故存在上的可逆算子
,
使得
。
因为,所以,因此。由引理7可知,,故。
另外,若,则且。此时,是单值的,则可分解为如下形式
。
因为为可逆算子,所以,存在可逆算子,使得
。
因此,,故当时,
。
证毕。
定理2 设为给定关系,则
。
另外,若,则
。
证明 设。以下分3种情形进行讨论。
情形1: 和均是单射且。由引理8可知,是单射,则。
情形2: 且。由引理3可知,,故。
情形3: 且。此时,,故。
另外,若,则且
。
因此,当时,
。
证毕。
定理3 设为给定关系,则
另外,若,则
。
证明 设不属于右边集合。以下分7种情形进行讨论。
情形1: 不是单射。由引理9可知,不是单射,则。
情形2: 且。由引理3可知,,故。
情形3: 且。此时,,故。
情形4: 且不闭。由引理10可知,不闭,故。
情形5: 不闭,是单射,闭且。此时,可分解为如下形式
。
易知为可逆算子,故存在可逆算子,使得
。
因为不闭,所以不闭,故不闭。由引理5可得,不闭,故。
情形6: 可逆,不是单射且。此时,可分解为如下形式
。
易知为可逆算子,则存在上的可逆算子
,
使得
。
此时,存在非零元素,使得
,
即不是单射,故。
情形7: 和均是单射且和均不闭。可分解为如下形式
。
定义
,
要证不闭,只需证不闭。现设闭,因为不闭,所以不闭,即存在,使得且。显然,存在,使得
因此,且,进而存在,使得
。
因为是单值的,所以。这意味着,与不闭矛盾。因此不闭,从而不闭,故。
另外,若,则且
。
因此,当时,
。
证毕。
定理4 设为给定关系,则
另外,若,则
证明 设不属于右边集合。以下分5种情形进行讨论。
情形1: 不是单射。由引理9可知,不是单射,则。
情形2: 且。由引理3可知,,故。
情形3: 且。此时,,故。
情形4: 与均闭且。此时,可分解为如下形式
。
因为闭,所以是满射,故。又因为,所以为有限秩线性关系,由引理6可得,闭,因此闭,故。
情形5: 可逆,不是单射且。由定理3的情形6可得,不是单射,故。
另外,若,则且
。
因此,
证毕。