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习题 5.15

设 . 求证:

(1) 任取 ;

(2) 存在 , 使得 , 且任取 .

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明

记 ,其中 为恒等算子。由于 是紧算子且 , 是 Fredholm 算子,且 。对任意正整数 , 可展开为 ,其中 为紧算子(因为它是 的多项式,而紧算子的多项式仍为紧算子)。从而 也是 Fredholm 算子,且 。故对每个 , 是有限维的, 是闭子空间,并且


(1)
对任意 ,
若 ,则存在 使得 ,因此 。
从而 。


(2)

第一步:核链的稳定性

考虑核空间的升链
假设对所有 都有 (真包含)。
对每个 , 是有限维闭子空间,且 是其真闭子空间。由 Riesz 引理,存在 满足 且 。

取 ,考察 。
注意到若 ,则 ,因为 。
于是 ,(因 ),从而 。

计算
移项得
由于 且 ,括号内的向量属于 ,记作 。因此
从而 对一切 成立。这说明 没有 Cauchy 子列,更不可能有收敛子列。
但 有界, 是紧算子,故 必有收敛子列,矛盾。

因此假设不成立,存在正整数 使得 。
进而可证对任意 有 (归纳:若 ,则 且反向包含显然,故相等)。

第二步:值域链的稳定性

由 Fredholm 性质,。记 。由第一步知存在 使得 。

另一方面,由 (1) 有 。于是对 ,
但 ,故必须 ;否则,若 是 的真子空间,由于二者均为闭子空间且余维有限,将导致 ,矛盾。

特别地,取 得 。
再对 归纳:若 ,则由包含关系 及 同样推出相等。故对任意 有 。

将 换回 即得所证。