いちばん伸ばす倍率を測る(作用素ノルムの定義と計算)
有界線形作用素 に対し、作用素ノルムは「いちばん伸ばす倍率」として定まります[1]。
上限を与える定数のうち、いちばん小さいものをとった形です。使うときは次の 3 つの表示のほうが便利[1]。
どれも同じ値です。線形性から、大きさ に正規化してから測っても情報が落ちないため。
定義そのものから、いちばんよく使う不等式が出ます[2]。
ノルムとしての性質
という記号のとおり、これはノルムの条件を満たします[1]。
作用素の空間 がノルム空間になります。しかも がバナッハ空間なら、 もバナッハ空間[3]。
定義域の には完備性が要りません。値域の完備性だけで、作用素の列の収束先が確保されます。
合成では掛け算より小さくなる
作用素を続けて施すと、ノルムに劣乗法性が現れます[1]。
と 2 段で押さえるだけ。
等号になるとは限りません。 がいちばん伸ばす向きと、 がいちばん伸ばす向きが食い違えば、積の倍率は落ちます。
で を 軸への射影、 を 度回転にとると分かりやすい。 ですが、 は 軸方向を 軸へ送るだけで、向きによっては になります。
劣乗法性が等号にならないのは、伸びる向きがそろっていないときです。
が最大に伸ばした先が、 の縮む向きに落ちると倍率が下がる。
例:行列のノルムはノルムの選び方で変わる
行列を線形写像と見たとき、作用素ノルムは定義域と値域に入れたノルムに依存します[1]。
なら列ごとの絶対値の和の最大値、 なら行ごとの和の最大値、 なら最大特異値[1]。
| 入れるノルム | 作用素ノルムの値 |
|---|---|
| p = 1 | 列ごとの絶対値の和の最大 |
| p = 2 | 最大特異値 |
| p が無限大 | 行ごとの絶対値の和の最大 |
同じ行列でも 3 つの値は一致しません。「行列のノルム」と言うだけでは値が決まらない、というところが要注意です。
無限次元でも同じ形の公式が出ます。 上の無限行列 では、ノルムが行ごとの和の上限になる[3]。
例:シフト作用素
の上で、右シフトと左シフトを考えます[3]。
どちらもノルムは です。成分を並べ替えるだけで大きさを変えないから。
ところが性質は対称ではありません。 は単射ですが全射でなく、 は全射ですが単射でない[3]。
有限次元では起きないことです。 上の線形写像なら、核が であることと像が全体であることが同値になります。

例:積分作用素
に最大値ノルムを入れ、連続な核 でフレドホルム型の積分作用素を作ります[3]。
行列の最大行和の連続版です。 を固定した行に沿って絶対値を積分し、その最大値をとる。
積分の上端を動かすボルテラ型なら、核が で 、そうでなければ の場合にあたります[3]。
は から出ます。等号になるのは のときで、 のノルムが だから。
積分区間が固定。核が退化していれば像が有限次元になり、閉部分空間になる
積分の上端が動く。像は微分できる関数の集まりで、閉部分空間にならない
上限が達成されるとは限らない
と書きましたが、この上限が実際に達成される保証はありません[1]。
ボルテラ作用素で見ます[3]。 は ですが、像のノルムは へ落ちる。
この列では倍率が に向かいます。逆に の側から を押さえることができない、という事情がここに出ている。
反射的なバナッハ空間なら、有界線形汎関数についてはノルムが必ず達成されます[1]。ジェームズの定理と呼ばれる結果です。
| 恒等作用素 | 1 |
| 右シフトと左シフト | どちらも 1 |
| ボルテラ作用素 | 1。 で達成される |
| フレドホルム型 | 核の行ごとの絶対値の積分の最大値 |
同じ 行列に対して、、、 の作用素ノルムはどうなりますか。
- どれも同じ値になる
- ふつうは 3 つとも違う値になる
- が大きいほど必ず大きくなる












p=1 は最大列和、p=∞ は最大行和、p=2 は最大特異値です。どれも別の量なので、一般には一致しない。単位球の形が p で変わるので、いちばん伸びる向きも変わります。