设 v∈C[0,1] 固定, 考虑 C[0,1] 上的算子 (Ax)(t)=v(t)x(t), 求 σ(A).
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
我们考虑复值连续函数空间 C[0,1],赋予上确界范数 ∥x∥∞=supt∈[0,1]∣x(t)∣。算子 A 定义为 (Ax)(t)=v(t)x(t),其中 v∈C[0,1] 是固定的函数。下面求 A 的谱 σ(A)。
定理:σ(A)=v([0,1])={v(t)∣t∈[0,1]}。
证明:记 R=v([0,1])。因为 v 连续且 [0,1] 紧,所以 R 是 C 中的紧集(从而是闭集)。
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若 λ∈/R,则 λ∈ρ(A)(预解集)。
由于 λ∈/R,对任意 t∈[0,1] 有 λ=v(t)。定义函数 g(t)=(λ−v(t))−1。由于 ∣λ−v(t)∣ 是连续正函数,在紧集 [0,1] 上有正的最小值,故 g 连续且有界。定义乘法算子 B 为 (By)(t)=g(t)y(t)。容易验证 B 是有界线性算子,并且
B(λI−A)=(λI−A)B=I,
即 B=(λI−A)−1。因此 λ∈ρ(A)。
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若 λ∈R,则 λ∈σ(A)。
存在 t0∈[0,1] 使得 v(t0)=λ。考虑常值函数 y(t)≡1∈C[0,1]。假设存在 x∈C[0,1] 满足 (λI−A)x=y,即
(λ−v(t))x(t)=1对一切 t∈[0,1].
则在 t0 处有 (λ−v(t0))x(t0)=0⋅x(t0)=1,矛盾。因此方程无解,说明 y 不在 (λI−A) 的值域中,从而 λI−A 不是满射,故 λ∈σ(A)。
(注:即使 v 为常数 λ0,此时 A=λ0I,上述论证同样成立:当 λ=λ0 时,λI−A=0,显然不可逆。)
综合 1 和 2 即得 σ(A)=R。□
结论:乘法算子 A 的谱恰为连续函数 v 的值域。