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定理Theorem

紧算子的奇异系统

Singular system of a compact operator · Compact operator SVD · 紧算子左右奇异展开

为一般紧算子构造两端的完整奇异方向,证明范数收敛与截断误差,并求完 Volterra 算子的混合边界奇异系统。

形式陈述 ​

设 X,Y 为实或复 Hilbert 空间,K:X→Y 是紧算子。内积第一变量共轭线性、第二变量线性;K∗ 表示Hilbert 伴随。不要求 X=Y,也不要求 K 自伴。记

X0=(ker⁡K)⊥=ranK∗―,Y0=(ker⁡K∗)⊥=ranK―.

存在按重数排列的正数 σ1≥σ2≥⋯>0,以及分别为 X0,Y0 完备正交规范基的 (vn),(un),使

Kvn=σnun,K∗un=σnvn.

三元组 (σn,un,vn) 称为 K 的奇异系统。指标集可能为空、有限,或为正整数;无限时 σn→0。对任意 x∈X,y∈Y,有范数收敛的展开

x=Pker⁡Kx+∑n⟨vn,x⟩vn,Kx=∑nσn⟨vn,x⟩un,y=Pker⁡K∗y+∑n⟨un,y⟩un,K∗y=∑nσn⟨un,y⟩vn.

这里的基覆盖两个闭包空间;不能把 Y0 写成可能不闭的 ranK。正奇异值是 K∗K 非零特征值的平方根,由 K 唯一确定,但基向量仍有相位及重值子空间中的选择自由。

令 KNx=∑n≤Nσn⟨vn,x⟩un,只对实际存在的指标求和,并允许 N=0。若还有未保留项,则

‖K−KN‖=σN+1;

所有正奇异方向都保留后误差为零。特别地,非零 K 满足 ‖K‖=σ1。K=0 时两组基为空、X0=Y0={0},全部和式取零,不对空列表取最大值。

直觉

有限维 SVD给输入和输出分别选坐标,这个想法在这里仍然有效。难点变成:无穷多次选方向后有没有漏掉一块空间?无穷和是在什么范数下收敛?只有把这两点证明,才可以用系数处理积分方程。

一个方向被 K 压得很短,并不表示它会保持原来的方向。奇异系统只要求右向量 vn 被送到左向量 un。因此即使 K 完全没有普通特征向量,这套双侧坐标仍可能完整存在。

先把问题放到输入端的正算子上 ​

令 A=K∗K。有界算子与紧算子复合仍紧,所以 A 紧;伴随规则给 A=A∗,且

⟨x,Ax⟩=‖Kx‖2≥0,ker⁡A=ker⁡K.

紧自伴谱定理于是给出 X0 的完整正交规范基 vn,满足 Avn=λnvn、λn>0。令 σn=λn、un=Kvn/σn,则

⟨ui,uj⟩=⟨vi,K∗Kvj⟩σiσj=σj2σiσj⟨vi,vj⟩=δij,K∗un=σnvn.

这证明了配对关系和左侧正交性。谱定理也已经处理有限重数、排序与趋零,无需重新证明一遍。

左侧为什么也完整 ​

由右侧基的完备性和正交分解,有限部分和 xN=∑n≤N⟨vn,x⟩vn 收敛到 PX0x。K 有界且消去 ker⁡K,故

Kx=KPX0x=limNKxN=limN∑n≤Nσn⟨vn,x⟩un.

于是每个实际输出都在 span{un}― 内。反方向,每个 un=K(vn/σn) 都是真正的输出,因而这两个空间的闭包相等。左侧族正好覆盖 Y0;再加上 ker⁡K∗,才得到整个 Y。

K∗ 的展开也可直接核验。它的输出正交于 ker⁡K,且第 n 个右系数为

⟨vn,K∗y⟩=⟨Kvn,y⟩=σn⟨un,y⟩.

所以按 vn 展开就是陈述中的级数。所有系数均写作“基向量在第一变量”,与本页复内积约定一致。

从逐点展开走到统一截断误差 ​

正交性给

‖(K−KN)x‖2=∑n>Nσn2|⟨vn,x⟩|2≤σN+12‖x‖2.

取 x=vN+1 达到等号,所以这是单位球上的准确误差。无限秩时 σN+1→0,得到算子范数收敛,而不只是每个固定输入分别收敛。

即使环境空间不可分,非零奇异方向仍至多可数。上面的谱构造已经证明 X0,Y0 可分;可能不可分的部分留在 ker⁡K 或 ker⁡K∗ 中。把这些零作用方向硬编号为同一条可数基,会失去完整性。

例子与边界

Volterra:没有普通特征基,仍有完整左右基 ​

在 L2(0,1) 上取

Vf(x)=∫0xf(t)dt,V∗g(t)=∫t1g(x)dx.

平方可积核算子已经证明它紧、不自伴,且没有非零特征值。现在求它的奇异系统,所解的是 V∗V 的特征方程,而非 V 的特征方程。

令 h=V∗Vf。因为 f∈L2⊂L1,积分有绝对连续代表,并且

h(t)=∫t1∫0sf(r)drds,h′(t)=−∫0tf(r)dr,h″=−f几乎处处,

同时 h′(0)=0,h(1)=0。若 h=λf、λ>0,先由积分表示知 f 有连续代表,再由 f″=−f/λ 得它是经典二阶解。因此端点和微分都已有正则性依据。

设 ω=λ−1/2>0,常系数方程给

f(t)=acos⁡(ωt)+bsin⁡(ωt).

f′(0)=0 使 b=0;f(1)=0 与 f≠0 使 cos⁡ω=0。全部候选因此是

ωn=(n−12)π,σn=1ωn,vn(t)=2cos⁡(ωnt),νn(x)=2sin⁡(ωnx).

这里用 νn 暂记左侧候选,以免仅凭候选公式就宣布完成。两个方向的积分分别给

Vvn(x)=2sin⁡(ωnx)ωn=σnνn(x),V∗νn(t)=2{cos⁡(ωnt)−cos⁡ωn}ωn=σnvn(t).

所以 un=νn 确实同时满足两个奇异关系。由积化和差,异指标的正弦或余弦乘积积分为零;同指标的平方积分为 1/2,故 2 的归一化也正确。

还剩“有没有其他方向”。Vf=0 使其绝对连续代表恒为零,求导得 f=0;同理 V∗g=0 得 g=0。于是 ker⁡V=ker⁡V∗={0}。前面的混合边界方程已经穷尽 V∗V 的所有正特征对,紧自伴谱定理再排除残余方向。因此余弦族 (vn) 和正弦族 (un) 各自都是整个 L2(0,1) 的完备基。这个完备性结论不是从几条已算出的积分关系凭空补出的。

由此直接读出

‖V‖=2π,‖V−VN‖=1(N+12)π.

例如保留前三个奇异方向,最坏误差恰为 2/(7π),由单位输入 v4 达到。vn′(0)=0,vn(1)=0 属于输入端二阶问题,un(0)=0,un′(1)=0 属于输出端;不能把两组边界混成 Green 算子的两端 Dirichlet 条件。

有核、余核和有限秩时应留下什么 ​

令 X=Y=ℓ2⊕C,K(x,a)=(Dx,0),其中 Den=n−1en。正奇异方向在 ℓ2 分量,输入最后一个坐标属于 ker⁡K,输出最后一个坐标属于 ker⁡K∗。它们都不进入正奇异值列表,但分别决定不可识别参数和无法精确拟合的数据。

若改成 De1=e1、其余 Den=0,正奇异系统只有一项。剩余空间仍需用核和余核描述,不能把后面的零奇异值放进含 1/σn 的公式。无限维恒等算子则没有趋零的奇异值,也没有算子范数有限秩逼近;紧性在此承担实质工作。

推论与应用

有限矩阵中,正左奇异向量生成整个值域;无限秩紧算子中,它们的有限线性组合先落在值域,完整级数通常只保证落在值域闭包。要判定 Kx=y 真有解,还要检查除以 σn 后的系数能否平方求和。Picard 判据正是这一步,并同时处理余核和最小范数选择。

Volterra 的例子说明了这种区别为什么有用。普通特征值分析只能报告“没有非零特征值”,左右系统却给出每个频率的压缩量、完整输入输出坐标,以及有限秩近似的精确误差。随后恢复输入时,倒数 ωn 会放大高频噪声;确定性谱正则化将用这些方向证明带噪恢复,而不把无噪声展开自动当成稳定算法。

已有左侧基还能直接描述另一个算子:Brownian 协方差的迹与截断误差通过 C=VV∗ 复用这里的 un 和 σn2,得到连续核 min(x,t) 的完整特征系统,并由对角积分算出总谱质量。这里的 V∗V 与那里使用的 VV∗ 各保留自身的混合端点,不能把左右方向交换。

参考资料
  • Christian Clason,Regularization of Inverse Problems, arXiv:2001.00617v2,2021-02-08 提交的第二版,封面日期 2021-02-09;Theorem 3.9,印刷页21–23:紧算子的双侧奇异系统;Example 3.11,印刷页25–26:Volterra 的混合边界计算。讲义限于实 Hilbert 空间;本文按第一变量共轭线性独立证明复数版本,并补全积分正则性、双向验证、两个核为零和截断范数。
  • Richard B. Melrose,Functional Analysis, Spring 2020,§3.18,Theorem 3.4,印刷页89–92:可分 Hilbert 空间的紧自伴谱定理;本页调用库内对应页已证明的版本,将可能不可分的核与可数非零方向分开。
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