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习题 5.21

设 是 Hilbert 空间, 为 的闭线性子空间, 为从 到 上的正交投影. 求: 和 .

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

对于 Hilbert 空间 的闭子空间 ,记 为正交投影算子。考虑数值范围 并定义

由于 是自伴算子,。对任意单位向量 ,作正交分解 ,其中 ,则 。因为 ,所以 。

分情形讨论:

  1. (零子空间):此时 。对任意单位向量 ,,故 ,从而 。

  2. (全空间):此时 。对任意单位向量 ,,故 ,从而 。

  3. :此时 和 均含有非零向量。

    • 取单位向量 ,则 ,故 。
    • 取单位向量 ,则 ,故 。
    • 对任意 ,选择单位向量 ,令 ,则 ,且 ,从而 。因此 。

    于是 ,故 。

综上所述:

  • 若 ,则 ;
  • 若 ,则 ;
  • 否则 。

在非退化的常见情形( 既非零也非全空间)下,有 。