作用素に関数を代入する(関数カルキュラスとスペクトル写像定理)
行列なら のような式はすぐ書けます。足し算と掛け算しか使っていません。
や はどうでしょう。多項式では書けないので、別の作り方が要ります。
作り方は段階に分かれます。多項式、正則関数、連続関数の順に広がっていく[1]。どの段階でも、スペクトルが でそのまま写るという性質が付いてきます。
多項式を代入する
に対し、 と定めます。
この対応は代数の準同型です。 が成り立つ。
スペクトルも素直に写ります[2]。
片側は因数分解で出ます。 とすると、 は で割り切れる。
代入すると です。右辺は を含むので可逆になりません[4]。
例:対角行列で確かめる
、 とします。
です。スペクトルは になります。
いっぽう 。一致しました。
が可逆でないのは、 の中に の零点があるためです。 が をみたしています。
冪級数では足りない
多項式の次は冪級数です。 はどの でも収束します。
ところが収束半径が有限だと困る。対数の級数は単位円板でしか収束しないので、 では使えません[4]。
スペクトルが原点から離れていれば を作れるはずなのに、級数の形では届かない。もっと柔軟な定義が要ります。
積分で定める
は を内側に囲み、 とは交わらない曲線です。 はその近くで正則とします。
をレゾルベントと呼びます。 の外側で解析的なので、積分が意味を持つ[2]。
曲線の選び方によらないことも示せます。 つの曲線のあいだで被積分関数が正則なので、コーシーの定理から差が消えます[4]。

例:積分から T が出てくる
定義が多項式と食い違わないことを確かめます。 を入れましょう。
ではレゾルベントが級数に展開できます。
これを掛けて項別に積分します。 は のときだけ で、ほかは です。
残るのは の項、つまり そのもの。 を入れると の項が残り、 が出ます。
多項式の場合と一致しました。積分の定義は、これまでの定め方を含んでいます[4]。
例:指数関数のスペクトル
とします。 です。
スペクトルは になりました。もとのスペクトル を指数関数で送った集合と同じです。
正則関数の場合でもスペクトル写像定理が成り立ちます[1,2]。証明の筋は多項式のときと同じで、 を でくくります[4]。
例:級数では届かない対数
で対数を考えます。 の級数は の形です。
なので 。収束半径が なので、この級数は使えません。
積分の定義なら問題ありません。 は原点から離れているので、負の実軸を避けて囲む曲線がとれます。
出てくる答えは です。
級数の収束半径は のノルムで決まりますが、積分の定義はスペクトルの位置だけを見ます。ノルムが大きくても、スペクトルが原点から離れていれば作れる[4]。
連続関数まで広げる
正則という条件も落とせます。ただし作用素の側に条件が要る。
を 代数の正規元とすると、 から の生成する部分代数への等長 同型があります[3]。
連続関数 に対して が定まり、ノルムも保たれます。
作り方は近似です。 はコンパクトなので、連続関数は多項式で一様に近づけられます。その多項式を代入した列が収束する。
連続関数を多項式で一様近似する
多項式を代入した作用素の列を作る
ノルムが一致するので列はコーシー列になる
極限として f(a) を定める
例:平方根を作る
を正の作用素とします。スペクトルは に含まれます。
は の上で連続なので、連続関数カルキュラスが使えます。
なので、準同型性から です。平方根が作れました。
スペクトルは 。もとのスペクトルの平方根が並びます[3]。

可逆かどうかが読める
スペクトル写像定理の使い道の つが、可逆性の判定です。
が可逆であることと、 は同じこと。つまり が の上で にならない、という条件になります[3]。
スペクトル半径も同じ形で出ます。 です。
作用素の言葉が、スペクトルという集合の上の関数の言葉に翻訳される。ここが関数カルキュラスの効きどころになります[1]。
どの有界作用素にも使える。関数はスペクトルの近くで正則
正規な作用素にかぎる。そのかわり連続なだけでよい
多項式の場合に戻って、スペクトルの動きを追ってみます。
、 のとき、 はどれですか。
まちがえやすいところ
作用素に関数を入れる操作は、スペクトルという集合の上で関数を動かす操作に置きかわります。行列の対角化がしていたことが、そのまま無限次元へ延びている。












スペクトル写像定理から p(σ(T))={p(1),p(2),p(3)} を計算すればよく、{0,3,8} になります。{1,2,3} はもとのスペクトル、{0,1,2} は z−1 を当てた場合の値です。