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English

「有界」は像のことではない - 有界線形作用素と連続性

ノルム空間のあいだの線形写像 が有界であるとは、定数 がとれて次が成り立つことをいいます[1]

入力の大きさに比例した上限が、出力にかぶさっている。そういう形の条件です。

「有界」は像が有界という意味ではない

用語に落とし穴があります。ふつう「有界な写像」といえば像が有界集合に収まる写像を指しますが、ここでの用法は違う[1]

線形写像で像が有界になるのは零写像だけです。 なら の大きさがいくらでも大きくなるから。

そこで関数解析では、有界集合を有界集合へ写すこと、つまり比例した上限があることを「有界」と呼びます[1]。単位球の行き先が有限の範囲に収まるか、と読むと近いです。

有界と連続が同じことになる

線形写像に限ると、有界性と連続性が一致します[3]。しかも次の 4 つがすべて同値。

が有界である。
全体で連続である。
が原点 で連続である。
がリプシッツ連続である。

有界から連続が出るのは 1 行です。 なので、 ととればよい[3]

逆向きが面白いところです。原点での連続性だけを仮定します。 に対し をとって、 なら とする。

に対して と置くと なので 。線形性で戻すと結論が出ます。

1 点での連続性が全体の連続性に化けました。線形性がここで効いています[3]

線形写像では、原点まわりだけを見れば全体が決まります。

に縮めて評価し、線形性で元の大きさへ戻すだけ。

有限次元なら必ず有界

定義域が有限次元なら、線形写像は無条件で有界です[1]。行列で書けるものはすべて有界作用素、と言い換えられる。

基底をとって成分で書けば、各成分が入力の成分の有限個の 1 次結合になります。有限個の和なので、係数の大きさから上限が作れます。

有限次元では、どの 2 つのノルムも同値になることも効いています[4]。どのノルムで測っても有界性の判定が変わりません。

有限次元

すべての線形写像が有界。ノルムの選び方にもよらない。行列の世界がここ

無限次元

有界でない線形写像が現れる。微分作用素が代表例で、扱いにくさの出どころになる

例:微分作用素は有界でない

に最大値ノルムを入れ、 を考えます[2]

をとると ですが、 なので

比がいくらでも大きくなるので、上限になる定数が存在しません。 でも同じで、値は 以下なのに傾きが まで立ちます。

指数関数を使う見方もあります[4] を満たすので、 をいくらでも大きくとれる。固有値が無限に散らばっている、という形。

微分作用素が非有界であることは、扱いにくさの根っこにあります[4]。定義域を狭めたり、ノルムを替えたりして、有界な枠に持ち込む工夫が要る。

作用素の全体もノルム空間になる

から への有界線形作用素の全体を と書きます[4]。和とスカラー倍が自然に入り、作用素ノルムでノルム空間になる。

合成についても閉じています。 なら で、ノルムに劣乗法性が成り立つ[2]

等号とは限りません。 の像をつぶす向きに働けば、積のノルムは小さくなる。

稠密な部分空間で決めれば全体が決まる

有界性のいちばん実用的な帰結がこれです[4] をバナッハ空間、 の稠密な部分空間とします。

の上の有界線形作用素 は、 全体の有界線形作用素へただひとつ延びます。しかもノルムは変わらない。

証明は極限で定めるだけ。 の列 を近づけると、 がコーシー列になり、 の完備性から収束します[4]

稠密な部分空間の上で値を決める

近づく列の像がコーシー列になる

Y の完備性で極限が定まる

近づけ方によらないことも、2 つの列の差を評価すれば出ます。この定理があるので、扱いやすい関数の上で作用素を定義し、あとから全体へ広げる、という手順がとれる。

同型のいろいろ

作用素の言葉で、空間どうしの「同じさ」を分けて呼びます[4]

線形同型1 対 1 かつ上への線形写像がある
位相同型線形同型で、写像とその逆の両方が有界
等長同型位相同型で、さらにノルムを保つ

ノルムの同値も同じ枠で言えます。 が成り立つとき、2 つのノルムは同値[4]

同値なら生成する位相が一致します。逆も成り立つので、「同じ位相を作る」ことと「同値である」ことが同じ意味になる。

線形写像 について、有界性と同値でないものはどれですか。

  • 全体で連続である
  • が有界集合である
  • 原点 で連続である
__RESULT__

線形写像の像が有界集合になるのは零写像だけです。関数解析でいう有界は「有界集合を有界集合へ写す」という意味で、比例した上限があることを指します。

よくある誤り

有界を「像が有界」と読む。線形写像でそうなるのは零写像だけです。
連続性を各点で確かめようとする。原点で確かめれば全体で従います。
無限次元でも行列のように扱えると思う。微分作用素のような非有界なものが現れます。
だと思う。成り立つのは不等号のほうです。
非有界だから定義できない、と考える。定義域を狭めれば扱えます。
稠密な部分空間での定義だけでは足りないと思う。 が完備なら一意に延びます。
有限次元でノルムを替えると有界性が変わると思う。どの 2 つのノルムも同値です。

参考文献

Bounded operator. Wikipedia(英語).
Beschränkter Operator. Wikipedia(ドイツ語).
Operator norm. Wikipedia(英語).
J. K. Hunter, B. Nachtergaele. *Applied Analysis*, Chapter 5: Banach Spaces. University of California at Davis.
$\|Tx\| \le M\|x\|$ という比例した上限があること。線形写像でいう有界はそういう意味で、像が有界集合になることではありません。線形性のおかげで、有界と連続と原点での連続とリプシッツ連続が全部同値になる。有限次元では無条件に有界なのに、微分作用素のように無限次元でだけ非有界が現れます。稠密な部分空間から全体へ延ばす延長定理、そして同型とノルムの同値まで。