Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве

На основi узагальнення вiдомої леми Е. Шмiдта на випадок лiнiйних обмежених нормально розв’язних операторiв у банахових просторах запропоновано конструкцiю узагальнено-оберненого оператора до лiнiйного обмеженого нормально розв’язного, ядро та образ якого доповнювальнi в цих просторах. Ця конструкцi...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Український математичний журнал
Date:2013
Main Authors: Бойчук, А.А., Журавлев, В.Ф., Покутный, А.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут математики НАН України 2013
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/164977
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве / А.А. Бойчук, В.Ф. Журавлев, А.А. Покутный // Український математичний журнал. — 2013. — Т. 65, № 2. — С. 163-174. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860114825927983104
author Бойчук, А.А.
Журавлев, В.Ф.
Покутный, А.А.
author_facet Бойчук, А.А.
Журавлев, В.Ф.
Покутный, А.А.
citation_txt Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве / А.А. Бойчук, В.Ф. Журавлев, А.А. Покутный // Український математичний журнал. — 2013. — Т. 65, № 2. — С. 163-174. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Український математичний журнал
description На основi узагальнення вiдомої леми Е. Шмiдта на випадок лiнiйних обмежених нормально розв’язних операторiв у банахових просторах запропоновано конструкцiю узагальнено-оберненого оператора до лiнiйного обмеженого нормально розв’язного, ядро та образ якого доповнювальнi в цих просторах. Ця конструкцiя дозволяє отримати критерiй розв’язностi та формулу для зображення загального розв’язку лiнiйних нормально розв’язних операторних рiвнянь. On the basis of generalization of the well-known Schmidt lemma to the case of linear bounded normally solvable operators in Banach spaces, we propose a procedure for the construction of a generalized inverse operator of a linear bounded normally solvable operator whose kernel and image can be complemented in the indicated spaces. The proposed construction enables one to obtain a solvability criterion for linear normally solvable operator equations and a formula for finding their general solutions.
first_indexed 2025-12-07T17:36:12Z
format Article
fulltext УДК 517.983 А. А. Бойчук, В. Ф. Журавлев, А. А. Покутный (Ин-т математики НАН Украины, Киев) НОРМАЛЬНО РАЗРЕШИМЫЕ ОПЕРАТОРНЫЕ УРАВНЕНИЯ В БАНАХОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ On the basis of a generalization of the well-known Schmidt lemma to the case of linear, bounded, normally solvable operators in Banach spaces, we propose a procedure for the construction of a generalized inverse for a linear, bounded, normally solvable operator whose kernel and image are complementable in the indicated spaces. This construction allows one to obtain a solvability criterion for linear normally solvable operator equations and a formula for finding their general solutions. На основi узагальнення вiдомої леми Е. Шмiдта на випадок лiнiйних обмежених нормально розв’язних операторiв у банахових просторах запропоновано конструкцiю узагальнено-оберненого оператора до лiнiйного обмеженого нормально розв’язного, ядро та образ якого доповнювальнi в цих просторах. Ця конструкцiя дозволяє отримати критерiй розв’язностi та формулу для зображення загального розв’язку лiнiйних нормально розв’язних операторних рiвнянь. Многочисленные задачи теории функционально-дифференциальных уравнений и краевых за- дач для них [1, 2] могут быть записаны в виде линейного операторного уравнения Lz = f с ограниченным оператором. Такая запись позволяет сосредоточиться на общих закономер- ностях, присущих каждому классу задач. В случае, когда оператор L всюду и однозначно разрешим, т. е. когда существует ограниченный обратный оператор L−1, такие уравнения хо- рошо изучены. Если же оператор L не является всюду разрешимым, возникают задачи об обобщенном обращении операторов в функциональных пространствах [1]. Известно [3, 4], что при построении обобщенно-обратных операторов к нормально разрешимым классическая кон- струкция Э. Шмидта применима лишь для фредгольмовых операторов. Поэтому актуальной является задача о возможности построения ограниченных обобщенно-обратных операторов к различным классам линейных ограниченных нефредгольмовых операторов в банаховых про- странствах. Так, в [5] с использованием теоремы Ф. В. Аткинсона [3], которая описывает класс нетеровых операторов и обобщает известную теорему С. М. Никольского [6], получе- на конструкция обобщенно-обратного оператора к нетеровому. Однако она не охватывает все множество обобщенно-обратимых операторов [7]. В работе выделен класс ограниченных опе- раторов, действующих в бесконечномерных банаховых пространствах, для которых удается построить конструкцию ограниченного обобщенно-обратного оператора, аналогичную извест- ной конструкции Э. Шмидта. Постановка задачи. Рассмотрим уравнение Lz = f (1) в предположении, что L — линейный ограниченный оператор, действующий из банахова про- странства B1 в банахово пространство B2, L : B1→ B2. Пусть ядро N(L) и образ R(L) оператора L дополняемы [8, 9] в банаховых пространствах B1 и B2 соответственно. Это значит [7, с. 139], что оператор L обобщенно обратим. С каждой c© А. А. БОЙЧУК, В. Ф. ЖУРАВЛЕВ, А. А. ПОКУТНЫЙ, 2013 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 163 164 А. А. БОЙЧУК, В. Ф. ЖУРАВЛЕВ, А. А. ПОКУТНЫЙ парой взаимно дополняемых пространств связаны ограниченные проекторы [8] PN(L) и PR(L), которые индуцируют разбиение B1 и B2 в прямые топологические суммы B1 = N(L)⊕X , B2 = Y ⊕R(L), (2) PN(L) : B1→ N(L), PR(L) : B2→ R(L). Дополнительные проекторы на подпространства X и Y соответственно будем обозначать PX = IB1−PN(L) и PY = IB2−PR(L). Известно [8, c. 73], что если подпространство X1 дополняемо подпространством X2 в бана- ховом пространстве B, то оно имеет бесконечно много различных дополнений X̃2. С каждой парой взаимно дополняемых подпространств связан ограниченный проектор PX1 . Норма про- ектора может служить оценкой „качества” дополнения: чем больше ‖PX1‖, тем „хуже” допол- нение. Описание ограниченных проекторов P̃X1 в общем виде, порождающих это множество дополнений, дается в лемме А. Собчика [8, c. 80]. В дальнейшем класс линейных ограниченных обобщенно-обратимых операторов, действу- ющих из банахова пространства B1 в банахово пространство B2, будем обозначать GI(B1,B2). Очевидно, что оператор из GI(B1,B2) является нормально разрешимым. Ставится задача о нахождении условий существования и построении ограниченного обоб- щенно-обратного оператора L− к оператору L ∈ GI(B1,B2), установлении критерия разреши- мости и представлении решений уравнения (1). Вспомогательный результат. Поставленная задача будет рассматриваться в предположе- нии, что выполнено одно из следующих условий: 1. Подпространство N(L) линейно изоморфно дополняемому в Y подпространству Y1, N(L) ∼= Y1 ⊂ Y. Это значит, что существуют линейный ограниченный обратимый оператор J1 : N(L)→ Y1 такой, что J1N(L) = Y1, J−1 1 Y1 = N(L), и ограниченный проектор PY1 : B2→ B2, разбивающий подпространство Y в прямую сумму замкнутых подпространств Y = Y1⊕Y2, (3) где Y1 = PY1B2, Y2 = PY2B2, PY2 = (PY −PY1) — ограниченный проектор. В этом случае справедливы следующие разложения для тождественных операторов: IB1 = PN(L)+PX , IB2 = PY1 +PY2 +PR(L) (4) пространств B1 и B2 соответственно. 2. Подпространство Y линейно изоморфно дополняемому в N(L) подпространству N1(L), Y ∼= N1(L) ⊂ N(L). В этом случае существуют линейный ограниченный обратимый оператор J2 : N1(L)→ Y такой, что J2N1(L)=Y, J−1 2 Y =N1(L), и ограниченный проектор PN1(L) : B1→B1, разбивающий подпространство N(L) в прямую сумму замкнутых подпространств N(L) = N1(L)⊕N2(L), ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 НОРМАЛЬНО РАЗРЕШИМЫЕ ОПЕРАТОРНЫЕ УРАВНЕНИЯ В БАНАХОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ 165 где N1(L) =PN1(L)B1, N2(L) =PN2(L)B1, PN2(L) =PN(L)−PN1(L) — ограниченный проектор. В этом случае имеем два разложения IB1 = PN1(L)+PN2(L)+PX , IB2 = PY +PR(L). 3. Подпространство N(L) линейно изоморфно подпространству Y, N(L)∼= Y. В этом случае существует линейный ограниченный обратимый оператор J3 : N(L) → Y такой, что J3N(L) = Y, J−1 3 Y = N(L). Продолжим нулем операторы J1 и J3 на подпространстве X , а J2 на подпространстве X ⊕ ⊕N2(L) и обозначим расширения операторов Ji, i = 1,2,3, на пространство B1 через PY1 : B1→ → Y1 ⊆ Y. Аналогично продолжим нулем оператор J−1 1 на подпространстве Y2⊕R(L), а опера- торы J−1 2 , J−1 3 на подпространстве R(L) и обозначим через PN1(L) : B2→ N1(L)⊆ N(L) расши- рения операторов J−1 i , i = 1,2,3, на пространство B2. В случае 3 Y1 ≡Y, N1(L)≡N(L) и поэтому PY1 ≡PY , PN1(L) ≡PN(L). Лемма 1. Пусть L принадлежит GI(B1,B2) и выполнено одно из условий 1 или 2. Тогда оператор L = L+PY1 имеет ограниченный односторонне обратный L−1 l,r = { (L+PY1) −1 l − левый, если N(L)∼= Y1 ⊂ Y, (L+PY ) −1 r − правый, если N(L)⊃ N1(L)∼= Y. Общий вид односторонне обратных операторов L−1 l0,r0 задается формулой L−1 l0,r0 = { L−1 l (IB2−P̃Y2) − левый, если N(L)∼= Y1 ⊂ Y, (IB1−P̃N2(L))L −1 r − правый, если N(L)⊃ N1(L)∼= Y, где P̃N2(L) : B1→ N2(L) и P̃Y2 : B2→ Y2− произвольные ограниченные проекторы. Доказательство. Пусть, например, N(L) изоморфно подпространству Y1 ⊂Y. Покажем, что оператор L+PY1 имеет ограниченный левый обратный. Для этого необходимо и достаточно показать, что [7, c. 61]: i) N(L) = N(L+PY1) = {0}; ii) R(L+PY1) дополняемо в B2. Покажем это. i) Пусть существует элемент z0 ∈ B1, z0 6= 0, такой, что (L+PY1)z0 = Lz0 +PY1z0 = 0. (5) Из (5) следует, что Lz0 ∈ R(L), PY1z0 ∈ Y1. Подпространства R(L) и Y взаимно дополняют друг друга, Y1⊂Y, следовательно, R(L) ⋂ Y1 = = {0}. Таким образом, они имеют только один общий элемент — нулевой, Lz0 = 0 и PY1z0 = 0, т. е. z0 ∈N(L) и z0 ∈N(PY1)⊂ X одновременно. Подпространства N(L) и X взаимно дополняют ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 166 А. А. БОЙЧУК, В. Ф. ЖУРАВЛЕВ, А. А. ПОКУТНЫЙ друг друга. Следовательно, N(L) ⋂ X = {0}. Отсюда следует, что z0 = 0. Полученное противо- речие доказывает, что N(L+PY1) = {0}. ii) Дополняемость R(L+PY1) следует из ограниченности проектора PY2 и соотношения (3). Таким образом, оператор L+PY1 имеет левый обратный. Известно [7], что левые обратные операторы в общем виде записываются следующим об- разом: L−1 l0 = L−1 l PR(L), где PR(L) — некоторый проектор со свойством R(PR(L)) = R(L). Как следует из (4), таким свойством обладает проектор IB2 − P̃Y2 , т. е. R(IB2 − P̃Y2) = R(L), где P̃Y2 : B2 → Y2 — ограниченный проектор, построенный в общем виде. Отсюда следует, что общее представление левых обратных операторов таково: L−1 l0 = L−1 l (IB2−PỸ2 ). В случае, когда Y изоморфно подпространству N1(L)⊂N(L), имеем Y1≡Y и PY1 ≡PY . Для существования ограниченного правого обратного оператора к оператору L+PY необходимо и достаточно показать, что [7, c. 62]: i) R(L) = R(L+PY ) = B2; ii) N(L+PY ) дополняемо в B1. Для этого случая доказательство аналогично проведенному выше. Замечание 1. Если оператор L∈GI(B1,B2) нетеров (ind L= dimker L−dimker L∗ 6= 0<∞), то лемма 1 переходит в лемму 2.4 из [5, c. 47; 2]. Замечание 2. В отличие от конечномерного случая, когда ядро и коядро оператора L ко- нечномерны, для ограниченности односторонне обратного оператора L−1 l0,r0 в бесконечномерном случае требования дополняемости нуль-пространства N(L) и образа R(L) оказывается недоста- точно, так как ядро и образ оператора L могут оказаться недополняемыми. Поэтому дополняе- мость подпространств Y1, N1(L) в Y и N(L), соответственно, является существенным условием и выполняется в банаховых пространствах далеко не всегда (в отличие от гильбертовых, име- ющих ортогональное дополнение к любому подпространству). В качестве иллюстрации приведем следующий пример. Пример 1. Рассмотрим оператор Pnz = (z1,z2, . . . ,zn,0,0, . . .), где z = (z1,z2, . . . ,zn, zn+1, . . .), действующий на конечномерное подпространство бесконечномерного банахового простран- ства, Pn : lp→ lq, где p < q, p,q∈ [1;+∞], p 6= 2. Линейность и ограниченность такого оператора очевидна. Ядро N(Pn) оператора Pn состоит из всех векторов пространства lp, у которых первые n координат равны нулю. Очевидно, что бесконечномерное подпространство N(Pn) дополняемо в пространстве lp. Его дополнением служит изоморфное Rn подпространство, состоящее из элементов, у которых все координаты, начиная с (n+1)-й, равны нулю. Известно [8], что бес- конечномерное подпространство X пространства lp дополняемо тогда и только тогда, когда оно изоморфно lp. Отсюда, в частности, следует, что lp не дополняемо в lq. Множество значений оператора Pn, очевидно, изоморфно Rn, и, следовательно, дополняемо в lq. Его дополнением является подпространство, изоморфное lq. На основании изложенного выше можно сделать вывод о том, что оператор Pn индуцирует следующие разбиения подпространств lp и lq : lp = N(Pn)⊕X , ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 НОРМАЛЬНО РАЗРЕШИМЫЕ ОПЕРАТОРНЫЕ УРАВНЕНИЯ В БАНАХОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ 167 lq = Y ⊕R(Pn), где подпространство N(Pn) изоморфно lp, а подпространство Y изоморфно lq. Таким образом, подпространство N(Pn) изоморфно недополняемому в Y подпространству Y1. Лемма 2. Пусть L принадлежит GI(B1,B2) и выполнено условие 3. Тогда оператор L = L+PY имеет ограниченный обратный L−1 = (L+PY ) −1 . Доказательство. Поскольку N(L) изоморфно Y, по лемме 1 существуют ограниченный левый и правый обратный операторы к оператору L. Отсюда следует, что существует ограни- ченный обратный оператор L−1 . Замечание 3. Если оператор L ∈ GI(B,B) действует из банахова пространства B в себя и N(L) изоморфно Y, то он называется приводимо-обратимым и доказанная лемма переходит в теорему 1.6 из [11, с. 28]. Замечание 4. Если оператор L∈GI(B1,B2) фредгольмов (indL = 0), то лемма 2 переходит в известную лемму Е. Шмидта [4, с. 340]. Основной результат. Теорема 1. Пусть L принадлежит GI(B1,B2) и выполнено одно из условий 1 или 2. Тогда оператор L− = { (L+PY1) −1 l −PN(L) − левый, если N(L)∼= Y1 ⊂ Y, (L+PY ) −1 r −PN1(L) − правый, если N(L)⊃ N1(L)∼= Y, (6) является ограниченным обобщенно-обратным к оператору L. Общий вид обобщенно-обратных операторов L−0 к оператору L дается формулой L−0 = (IB1−P̃N(L))L −(IB2−P̃Y ), где P̃N(L) : B1→ N(L) и P̃Y : B2→ Y — произвольные бесконечномерные ограниченные проек- торы. Доказательство. Для доказательства теоремы необходимо и достаточно проверить, что L− удовлетворяет равенству [7, c. 140] L = LL−L. (7) Пусть, для определенности, N(L) изоморфно подпространству Y1 ⊂ Y. Тогда существует левый обратный оператор L−1 l0 . Предварительно покажем, что LL−1 l0 = IB2−PY . (8) Действительно, поскольку PY PY1 = PY1 и PY (Lz) = 0, так как Lz ∈ R(L), подействовав справа оператором L+PY1 на обе части равенства (8), получим тождество, доказывающее это соотношение: L = L(IB1−PN2(L)) = LL−1 l0 L≡ (IB2−PY )(L+PY1) = L+PY1− ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 168 А. А. БОЙЧУК, В. Ф. ЖУРАВЛЕВ, А. А. ПОКУТНЫЙ −PY L−PY PY1 = L+PY1−PY1 = L. Далее покажем, что LL− = IB2−PY . (9) Так как LPN1(L) = 0, используя равенство (8) и представление (6), получаем LL− = L(L−1 l0 −PN1(L)) = LL−1 l0 −LPN1(L) = IB2−PY . С учетом (9) проверим выполнение соотношения (7). Имеем LL−L = (IB1−PY )L = L−PY L = L, так как PY L = 0. Ограниченность оператора L− следует из ограниченности оператора L−1 l0,r0 и оператора PN1(L). Из теоремы 5.2 [7, c. 140] следует, что обобщенно-обратные операторы L−0 в общем виде записываются так: L−0 = P1L−P2, где произвольные ограниченные проекторы P1 и P2 удо- влетворяют свойствам (IB1−P1)B1 = N(L), P2B2 = R(L). В качестве таких проекторов можно взять проекторы IB1−P̃N(L) и IB2−P̃Y , где P̃N(L) : B1→ N(L) и P̃Y : B2→Y — произвольные ограниченные бесконечномерные проекторы, построенные в общем виде. В случае, когда Y изоморфно подпространству N1(L)⊂ N(L), теорема доказывается анало- гично. Замечание 5. Если оператор L ∈ GI(B1,B2) имеет конечномерные ядро и коядро, т. е. является нетеровым, то конструкция (6) переходит в конструкцию (2.14) из [5, c. 53; 2]. В связи с множественностью дополнений, о которой шла речь в начале работы, обобщенно- обратный оператор L− определяется неоднозначно. С каждой парой ограниченных проекторов PN(L) и PY связан свой обобщенно-обратный оператор. Замечание 6. Если PN(L) : B1→ N(L) и PY : B2→ Y — ограниченные проекторы и L− — некоторый связанный с ними обобщенно-обратный оператор к оператору L, такой, что LL− = = IB2 −PY , L−L = IB1 −PN(L), то любой другой обобщенно-обратный к L оператор L̃− (свя- занный с проекторами P̃N(L) : B1→ N(L) и P̃Y : B2→ Y ) имеет вид L̃− = (IB1 +PN(L)−P̃N(L))L −(IB2 +PY −P̃Y ), где R(P̃N(L)) = R(PN(L)) = N(L), R(P̃Y ) = R(PY ) = R(L), IB1 , IB2 — тождественные операторы в пространствах B1,B2 соответственно [12, c. 827]. Для случая, когда N(L) изоморфно Y, имеет место следующее утверждение. Теорема 2. Пусть L принадлежит GI(B1,B2) и выполнено условие 3. Тогда оператор L− = (L+PY ) −1−PN(L) = L−1−PN(L) (10) является ограниченным обобщенно-обратным к оператору L. Общий вид обобщенно-обратных операторов L−0 к оператору L дается формулой L−0 = (IB1−P̃N(L))L −(IB2−P̃Y ), где P̃N(L) : B1→ N(L) и P̃Y : B2→ Y — произвольные ограниченные бесконечномерные проек- торы. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 НОРМАЛЬНО РАЗРЕШИМЫЕ ОПЕРАТОРНЫЕ УРАВНЕНИЯ В БАНАХОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ 169 Доказательство этой теоремы аналогично доказательству теоремы 1. Замечание 7. Если оператор L ∈ GI(B1,B2) имеет конечномерные ядро и коядро и dimN(L) = dimN(L∗), т. е. он является фредгольмовым, то конструкция (10) переходит в кон- струкцию из [4, c. 340]. Далее получим условия разрешимости и представление общего решения операторного урав- нения (1). Из (3) следует, что общее решение операторного уравнения (1) с линейным ограниченным обобщенно-обратимым оператором L представляет собой прямую сумму z = z̃+ z̄ общего решения z̃ соответствующего (1) однородного уравнения Lz = 0 и частного решения z̄ = L− f неоднородного уравнения (1). Поскольку оператор L принадлежит GI(B1,B2), линейное операторное уравнение (1) явля- ется нормально разрешимым, и для его разрешимости [10] необходимо и достаточно, чтобы элемент y∈B2 принадлежал образу R(L) оператора L. Поскольку R(L) = N (PY ), из (2) следует, что y ∈ B2 будет принадлежать образу R(L) оператора L тогда и только тогда, когда PY f = 0. (11) Эти рассуждения позволяют сформулировать следующую теорему. Теорема 3. Пусть L принадлежит GI(B1,B2). Операторное уравнение (1) разрешимо для тех и только тех y ∈ B2, для которых выполняется условие (11), и при этом оно имеет семейство решений z = PN(L)ẑ+L− f , (12) где PN(L)ẑ — общее решение соответствующего (1) однородного уравнения Lz = 0, ẑ — произ- вольный элемент банахового пространства B1, L− f — частное решение операторного урав- нения (1), L− — ограниченный обобщенно-обратный оператор к оператору L. Доказательство. Подставив решение (12) в исходное уравнение (1), с учетом соотношений (9) и (11) получим Lz = LPN(L)ẑ+LL− f = LL− f = (IB2−PY ) f = = IB2 f −PY f = IB2 f = f , так как LPN(L) = 0, а PY f = 0 по условию теоремы. Теорема доказана. Об аналитическом представлении проекторов. Проекторы, используемые в данной ста- тье, могут быть представлены аналитически, если банаховы пространства B1 и B2 имеют топологические базисы. Для определенности предположим, что пространство B1 имеет базис Шаудера. Тогда подпространство N(L) также имеет базис Шаудера. Напомним, что последовательность { fn,n∈N} векторов банахового пространства называет- ся базисом Шаудера или топологическим базисом этого пространства, если каждый его вектор ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 170 А. А. БОЙЧУК, В. Ф. ЖУРАВЛЕВ, А. А. ПОКУТНЫЙ z однозначно раскладывается в ряд z = ∑ ∞ n=1 λn fn, сходящийся по норме. Такое пространство обязательно сепарабельное. Проектор PN(L) может быть представлен с помощью биортогональной системы функцио- налов к элементам базиса, которая существует в силу минимальности базисной системы [15]. Пусть последовательность { fi}, i ∈ N, является базисом N(L), а γi ∈ (B1) ∗ — соответствующая ей биортогональная система линейных непрерывных функционалов γi( f j) = δi j, i, j ∈ N. Тогда PN(L)z = lim n→∞ PN(n)(L)z, где PN(n)(L) — монотонная последовательность проекторов на подпространства N(n)(L)⊂ N(L), PN(n)(L)z = ∑ n i=1 γi(z) fi, n = 1,2,3, . . . . Аналогично могут быть найдены и другие проекторы в случае существования базиса Ша- удера (являющегося одновременно и минимальной системой) в соответствующих простран- ствах. Отметим, что любое сепарабельное гильбертово пространство имеет базис Шаудера, како- вым является каждая тотальная ортонормированная система векторов (в то время как среди сепарабельных банаховых пространств встречаются не имеющие топологического базиса). В случае, когда пространства B1 и B2 гильбертовы и ядро обладает минимальной ортого- нальной системой { fα ,α ∈ A}, проектор на нуль-пространство L имеет вид PN(L)z = ∑ α∈A ( f ∗α ,z) fα , где f ∗α : ( f ∗α , fβ ) = δαβ , A — множество произвольной мощности [13, c. 239]. Если гильбертово пространство сепарабельно, то условие минимальности системы векторов { fi, i ∈ N} эквивалентно следующему [14]: для любого j величина δ 2 j = lim n→∞ Γ ( f j, f j+1, . . . , fn) Γ ( f j+1, f j+2, . . . , fn) > 0, где Γ (g1,g2, . . . ,gn) — определитель Грама системы векторов {gi}n i=1. В этом случае проектор на нуль-пространство N(L) можно найти следующим образом: PN(L)z = lim n→∞ PN(n)(L)z, где PN(n)(L)z = n ∑ i, j=1 α (−1) i j ( f j,z) fi, n = 1,2,3, . . . , α (−1) i j — элементы матрицы, обратной к матрице Грама Γ ( f1, f2, . . . , fn). Существование предела и то, что так определяемый оператор будет проектором, следует из теоремы 7 [15, c. 230] в силу монотонности последовательности проекторов PN(n)(L)z. В случае, когда N(L) — конечномерное подпространство, конструкция проектора переходит в известную для n-нормальных операто- ров [16]. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 НОРМАЛЬНО РАЗРЕШИМЫЕ ОПЕРАТОРНЫЕ УРАВНЕНИЯ В БАНАХОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ 171 Пример 2. Найдем условия разрешимости и общий вид решений операторного уравнения (Lz)(t) = z(t)+M(t) 1∫ 0 N(s)z(s)ds = f (t), (13) в котором оператор-функции M(t) = diag{et ,et , . . . ,et ,et , . . .}, N(s) = diag{s,0,s,0, . . . ,s,0, . . .} действуют из банахова пространства C([0,1],c) в себя с нормами |||M|||C([0,1],c)= supt∈[0,1]‖M(t)‖c, |||N|||C([0,1],c) = supt∈[0,1]‖N(t)‖c, вектор-функция f (t) действует из отрезка [0,1] в банахово про- странство c всех сходящихся числовых последовательностей: f (t)∈C([0,1],c) := { f (·) : [0,1]→ → c}. Из определения оператор-функций M(t) и N(t) следует, что |||M|||C([0,1],c) = sup t∈[0,1],i, j∈N |mi j(t)|= sup t∈[0,1] |et | ≤ e, |||N|||C([0,1],c) = sup t∈[0,1],i, j∈N |ni j(t)|= sup t∈[0,1] |t| ≤ 1. Тогда ‖L‖C([0,1],c) = sup z∈C([0,1],c),z 6=0 ‖Lz‖C([0,1],c) ‖z‖C([0,1],c) = = sup z∈C([0,1],c),z6=0 ‖z(t)+M(t) ∫ 1 0 N(s)z(s)ds‖C([0,1],c) ‖z‖C([0,1],c) ≤ ≤ sup z∈C([0,1],c),z6=0 ‖z(t)‖C([0,1],c)+‖M(t)‖C([0,1],c) ∫ 1 0 ‖N(s)‖C([0,1],c)‖z(s)‖C([0,1],c)ds ‖z‖C([0,1],c) ≤ ≤ sup z∈C([0,1],c),z 6=0 (1+ e)‖z‖C([0,1],c) ‖z‖C([0,1],c) ≤ 1+ e. Таким образом, оператор L является линейным ограниченным оператором, действующим из банахового пространства непрерывных на промежутке [0,1] функций C([0,1],c) в себя. Бесконечномерные подпространства N(L) и Y изоморфны как подпространства сепарабельного банахового пространства C([0,1],c) [10, c. 55 ]. Используя изложенную выше теорию, построим обобщенно-обратный оператор L− к опе- ратору L. Для оператора L проекторы PN(L) и PYL имеют вид (PN(L)z)(t) = X(t) 1∫ 0 Γ (s)z(s)ds, (PYL f )(t) =Ψ 1∫ 0 Φ(s) f (s)ds, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 172 А. А. БОЙЧУК, В. Ф. ЖУРАВЛЕВ, А. А. ПОКУТНЫЙ а операторы PYL и PN(L) — соответственно вид (PYLz)(t) =Ψ 1∫ 0 Γ (s)z(s)ds, (PN(L) f )(t) = X(t) 1∫ 0 Φ(s) f (s)ds, где X(t) = diag { X(4×2)(t),X(4×2)(t), . . . } , Γ (t) = diag { Γ(2×4)(t),Γ(2×4)(t), . . . } , X(4×2)(t) = ( et 0 0 0 0 0 et 0 )T , Γ(2×4)(t) = ( t 0 0 0 0 0 t 0 ) , Φ(t) = diag { Φ(2×4)(t),Φ(2×4)(t), . . . } , Ψ = diag { Ψ(4×2)(t),Ψ(4×2)(t), . . . } , Φ(2×4)(t) = ( t 0 0 0 0 0 t 0 ) , Ψ(4×2)(t) = ( 2 0 0 0 0 0 2 0 )T , 1∫ 0 Γ (s)X(s)ds = E∞, 1∫ 0 Φ(s)Ψds = E∞, E∞ — бесконечная единичная матрица. Из ограниченности оператор-функций X(t) и Γ (t) следует ограниченность проектора PN(L) : ‖PN(L)‖C([0,1],c) = sup z∈C([0,1],c),z 6=0 ‖PN(L)z‖C([0,1],c) ‖z‖C([0,1],c) = = sup z∈C([0,1],c),z6=0 ‖X(t) ∫ 1 0 Γ (s)z(s)ds‖C([0,1],c) ‖z‖C([0,1],c) ≤ ≤ sup z∈C([0,1],c),z 6=0 ‖X(t)‖C([0,1],c) ∫ 1 0 ‖Γ (s)‖C([0,1],c)‖z(s)‖C([0,1],c)ds ‖z‖C([0,1],c) ≤ ≤ sup z∈C([0,1],c),z6=0 e ‖z‖C([0,1],c) ‖z‖C([0,1],c) ≤ e. Аналогично убеждаемся в ограниченности проектора PY , операторов PYL и PN(L). Вслед- ствие ограниченности проекторов PN(L) и PY нуль-пространство N(L) и подпространство Y дополняемы в пространстве C([0,1],c). Следовательно, оператор L является обобщенно обра- тимым. Бесконечномерные подпространства N(L) и Y изоморфны как подпространства сепа- рабельного банахового пространства C([0,1],c) [10, c. 55]. По лемме 2 оператор ((L+PYL)z)(t) = z(t)+M(t) 1∫ 0 N(s)z(s)ds+Ψ 1∫ 0 Γ (s)z(s)ds = ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 НОРМАЛЬНО РАЗРЕШИМЫЕ ОПЕРАТОРНЫЕ УРАВНЕНИЯ В БАНАХОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ 173 = z(t)+M(t) 1∫ 0 N(s)z(s)ds, где M(t) = diag { M(2×3)(t),M(2×3)(t), . . . } , N(s) = diag { N(3×2)(s),N(3×2)(s), . . . } , M(2×3)(t) = ( et 0 −2 0 et 0 ) , N(3×2)(s) = ( s 0 s 0 0 0 )T , имеет ограниченный обратный. Оператор, обратный к оператору L = L+PYL , имеет вид ((L+PYL) −1 f )(t) = f (t)+M(t)S−1 1∫ 0 N(s) f (s)ds, где S−1 = diag { S−1 (3×3),S −1 (3×3), . . . } — оператор, обратный к оператору S = E∞−D, S−1 (3×3) =  2 0 −1 0 1 0 −1 0 0  , D = 1∫ 0 N(s)M(s)ds. Тогда, использовав теорему 2, получим обобщенно-обратный оператор L− к оператору L : (L− f )(t) = ((L+PYL) −1−PN(L) f )(t) = f (t)+M(t)S−1 1∫ 0 N(s) f (s)ds− −X(t) 1∫ 0 Φ(s) f (s)ds = f (t)+M1(t) 1∫ 0 N1(s) f (s)ds, где M1(t) = diag { M(2×4)(t),M(2×4)(t), . . . } , N1(s) = diag { N(4×2)(s),N(4×2)(s) . . . } ; M(2×4)(t) = ( 2(et −1) 0 −et −et 0 et 0 0 ) , N(4×2)(s) = ( s 0 s s 0 0 0 0 )T . Оператор L обобщенно обратим и, следовательно, нормально разрешим. Тогда по теореме 3 при выполнении условия (PYL f )(t) =Ψ 1∫ 0 Φ(s) f (s)ds = 0 (14) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2 174 А. А. БОЙЧУК, В. Ф. ЖУРАВЛЕВ, А. А. ПОКУТНЫЙ уравнение (13) имеет решение. Условие (14) выполняется, если компоненты вектор-функции f (t) = col( f1(t), f2(t), f3(t), . . .) удовлетворяют соотношениям 1∫ 0 s f2k−1(s)ds = 0, k = 1,2,3, . . . . (15) При выполнении условий (15) операторное уравнение (13) имеет семейство решений z(t) = (PN(L)ẑ)(t)+(L− f )(t) = X(t) 1∫ 0 Γ (s)ẑ(s)ds+ f (t)+M1(t) 1∫ 0 N1(s) f (s)ds, где ẑ(t) — произвольный элемент банахова пространства C([0,1],c). 1. Ben-Israel A., Greville T. N. E. Generalized Inverses. – Second ed. – New York: Springer, 2003. 2. Boichuk A. A., Samoilenko A. M. Generalized inverse operators and Fredholm boundary value problems. – Utrecht; Boston: VSP, 2004. – 317 p. 3. Аткинсон Ф. В. Нормальная разрешимость линейных уравнений в нормированных пространствах // Мат. сб. Нов. сер. – 1951. – 28, № 1. – C. 3 – 14. 4. Вайнберг М. М., Треногин В. А. Теория ветвления решений нелинейных уравнений. – М.: Наука, 1969. – 527 с. 5. Бойчук А. А., Журавлев В. Ф., Самойленко А. М. Обобщенно-обратные операторы и нетеровы краевые задачи. – Киев: Ин-т математики НАН Украины, 1995. – 320 с. 6. Никольский С. М. Линейные уравнения в линейных нормированных пространствах // Изв. АН СССР. – 1943. – 7, № 3. – C. 147 – 163. 7. Гохберг И. Ц., Крупник Н. Я. Введение в теорию одномерных сингулярных интегральных операторов. – Кишинев: Штиинца, 1973. – 426 с. 8. Кадец М. И., Митягин Б. С. Дополняемые подпространства в банаховых пространствах // Успехи мат. наук. – 1973. – 28, вып. 6. – С. 77 – 94. 9. Далецкий Ю. Л., Крейн М. Г. Устойчивость решений дифференциальных уравнений в банаховом пространстве. – М.: Наука, 1970. – 534 с. 10. Треногин В. А. Функциональный анализ. – М.: Наука, 1980. – 495 с. 11. Королюк В. С., Турбин А. Ф. Математические основы фазового укрупнения сложных систем. – Киев: Наук. думка, 1978. – 218 с. 12. Nashed M. Z., Votruba G. F. A unified approach to generalized inverses of linear operators. I. Algebraic, topological and projectional properties // Bull. Amer. Math. Soc. – 1974. – 80, № 5. – P. 825 – 830. 13. Березанский Ю. М., Ус Г. Ф., Шефтель З. Г. Функциональный анализ. – Киев: Наук. думка, 1990. – 600 с. 14. Ахиезер Н. И., Глазман И. М. Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве. – Харьков: Вища шк., 1977. – Т. 1. – 315 с. 15. Канторович Л. В., Акилов Г. П. Функциональный анализ. – М.: Наука, 1984. – 750 с. 16. Гохберг И. Ц., Крейн М. Г. Основные положения о дефектных числах, корневых числах и индексах линейных операторов // Успехи мат. наук. – 1957. – 12, № 2. – C. 43 – 115. Получено 25.12.12 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 2
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-164977
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1027-3190
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:36:12Z
publishDate 2013
publisher Інститут математики НАН України
record_format dspace
spelling Бойчук, А.А.
Журавлев, В.Ф.
Покутный, А.А.
2020-02-11T11:55:11Z
2020-02-11T11:55:11Z
2013
Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве / А.А. Бойчук, В.Ф. Журавлев, А.А. Покутный // Український математичний журнал. — 2013. — Т. 65, № 2. — С. 163-174. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
1027-3190
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/164977
517.983
На основi узагальнення вiдомої леми Е. Шмiдта на випадок лiнiйних обмежених нормально розв’язних операторiв у банахових просторах запропоновано конструкцiю узагальнено-оберненого оператора до лiнiйного обмеженого нормально розв’язного, ядро та образ якого доповнювальнi в цих просторах. Ця конструкцiя дозволяє отримати критерiй розв’язностi та формулу для зображення загального розв’язку лiнiйних нормально розв’язних операторних рiвнянь.
On the basis of generalization of the well-known Schmidt lemma to the case of linear bounded normally solvable operators in Banach spaces, we propose a procedure for the construction of a generalized inverse operator of a linear bounded normally solvable operator whose kernel and image can be complemented in the indicated spaces. The proposed construction enables one to obtain a solvability criterion for linear normally solvable operator equations and a formula for finding their general solutions.
ru
Інститут математики НАН України
Український математичний журнал
Статті
Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
Normally solvable operator equations in a Banach space
Article
published earlier
spellingShingle Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
Бойчук, А.А.
Журавлев, В.Ф.
Покутный, А.А.
Статті
title Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
title_alt Normally solvable operator equations in a Banach space
title_full Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
title_fullStr Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
title_full_unstemmed Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
title_short Нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
title_sort нормально разрешимые операторные уравнения в банаховом пространстве
topic Статті
topic_facet Статті
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/164977
work_keys_str_mv AT boičukaa normalʹnorazrešimyeoperatornyeuravneniâvbanahovomprostranstve
AT žuravlevvf normalʹnorazrešimyeoperatornyeuravneniâvbanahovomprostranstve
AT pokutnyiaa normalʹnorazrešimyeoperatornyeuravneniâvbanahovomprostranstve
AT boičukaa normallysolvableoperatorequationsinabanachspace
AT žuravlevvf normallysolvableoperatorequationsinabanachspace
AT pokutnyiaa normallysolvableoperatorequationsinabanachspace