「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。
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。
を 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。
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
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]。 は 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。 と 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。 が 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、 を 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。 に 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
- 像 が有界集合である
- 原点 で連続である










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。