拡大率に天井があるか - 有界作用素をどう見るか
線形作用素 が有界であるとは、ベクトルの長さを何倍まで伸ばしうるか、という倍率に天井があることです[1]。
向きごとに倍率は違います。ある向きでは大きく伸び、別の向きでは縮む。そのばらつきを全部見わたして、いちばん大きい倍率が有限かどうかを問うている[2]。
いちばん大きい倍率そのものが作用素ノルム です[2]。「有界かどうか」と「ノルムがいくつか」は、同じ量を別の角度から見た問いになります。
倍率を向きごとに見る
の行列で試すと分かりやすい。単位円の各点で を測り、向きの関数として並べます。
いちばん高いところが 、いちばん低いところがいちばん潰す倍率。行列でいえば最大特異値と最小特異値にあたります[2]。
有限次元なら天井は必ずある
行列で書ける写像は、すべて有界です[1,4]。向きが有限次元ぶんしかないので、倍率が発散する逃げ場がありません。
だから線形代数では「有界」という言葉が出てきません。全部有界なので、区別する必要がない。
無限次元へ移ると事情が変わります。向きが無限にあり、進むほど倍率が上がっていく方向を作れてしまう[3]。
例:微分は天井を持たない
に最大値ノルムを入れ、 を考えます[3]。
をとると、高さは のままです。ところが端での傾きは まで立ちます。
倍率が になり、 をいくらでも大きくとれる。天井になる定数が存在しません[1]。
「関数の大きさ」と「関数の変化の速さ」が別の量だ、というだけの話です。小さい関数でもいくらでも急に振れます。
倍率が上がる別の見方もあります。 は を満たすので、 を大きくとれば倍率がそのまま になる[3]。
例:数列空間なら天井がそのまま見える
の上で、成分ごとに定数を掛ける作用素を考えます。倍率のばらつきが数列としてそのまま並ぶ、いちばん見やすい例です。
を送ると になるので、 番目の向きでの倍率がちょうど 。作用素ノルムはその上限になります。
なら倍率は から へ落ちていき、天井は 。 なら倍率が青天井で、有界でありません。
同じ形の作用素なのに、係数の列が有界かどうかだけで結論が分かれる。無限次元で何が起きているかが、この例にいちばん短く出ています。
天井があることと連続であることが同じ
線形写像に限ると、有界性と連続性が一致します[1]。
倍率に天井があると、入力を少し動かしたときの出力の動きが、その天井の倍までに収まります。
入力の差がそのまま出力の差を押さえる。リプシッツ連続そのものです[2]。
逆向きは、原点のそばだけ見れば足ります。原点で連続なら、小さい入力に対する出力が小さい。あとは線形性で拡大すれば、全体の天井が出ます[1]。
天井は必ずある。連続性も自動。線形代数では気にしなくてよい
天井のない写像が現れる。微分作用素が代表で、連続でもない
なぜ有界なものだけを扱うのか
非有界な作用素は、扱いにくいというより、扱い方が変わります[3]。
天井がないと、入力の小さな誤差が出力で無限に増幅されうる。数値計算でいう不安定さが、そのまま作用素の言葉になった状態です。
そこで定義域を狭めたり、ノルムを替えたりします。 に微分まで込みのノルムを入れると、微分作用素が有界になる。
このノルムで測れば なので、倍率の天井が になります。ソボレフ空間を使う動機も、大きくはここにあります。
非有界だからといって、扱えないわけではありません。
定義域を狭めるか、ノルムを替えるかして、有界な枠に持ち込む。
どの向きでどれだけ伸びるかを見る
いちばん大きい倍率が有限か調べる
有限なら有界で、連続でもある
例:見慣れた作用素の倍率
いくつか並べておきます。どれも「いちばん伸ばす倍率」を読むだけ[2]。
| 恒等写像 | 倍率はどの向きでも 1 |
| 定数倍 | どの向きでも |
| 直交射影 | 射影する向きで 1、直交する向きで 0 |
| シフト作用素 | 並べ替えるだけなので 1 |
| 積分作用素 | 核の絶対値を行に沿って積分した最大値 |
| 微分作用素 | 天井がない |
射影の行が示すとおり、倍率は向きによって にもなります。いちばん大きいところだけを見る量が作用素ノルム、というのはそういう意味です。
微分作用素が有界でないのはなぜですか。
- 線形でないから
- 高さを変えずに傾きだけをいくらでも立てられるから
- 定義域が有限次元でないから










xn や sin(nx) は最大値が 1 のままです。それでも導関数の最大値は n まで伸びるので、倍率に天井がない。無限次元であること自体は理由になりません。