Теорема Банаха об обратном операторе. Примеры

Пусть $X$ и $Y$ — нормированные пространства, $A \in \mathcal{B}(X, Y)$ и для некоторой последовательности $\left\{ x_{n}\right\}_{1}^{\infty }$ векторов с $\left\| x_{n}\right\| = 1$ последовательность $A x_{n}$ стремится к нулю. Доказать, что $A$ не обратим.

Пусть $X$ и $Y$ — нормированные пространства, $A \in \mathcal{B}(X, Y)$. Доказать, что если обратный оператор $A^{-1} \in \mathcal{B}(Y, X)$ существует, то он единствен.

Рассмотрим в пространстве $X$ операторы $T_{r} x = \left(0, x_{1}, x_{2}, \ldots , x_{n}, \ldots \right)$ и $T_{l} x = \left(x_{2}, x_{3}, \ldots , x_{n}, \ldots \right)$ сдвига вправо и влево соответственно. Доказать, что эти операторы необратимы, но у оператора правого сдвига есть левый обратный, а у оператора левого сдвига — правый обратный операторы. Найти их.

Привести пример оператора, для которого существует левый обратный, но он не единствен. Привести пример оператора, для которого существует правый обратный, но он не единствен.

Пусть $X$ и $Y$ — банаховы пространства, оператор $A \in \mathcal{B}(X, Y)$. Доказать, что единственность

Пусть $X$ и $Y$ — нормированные пространства, оператор $A \in \mathcal{B}(X, Y)$ обладает правым обратным $A_{r}^{-1} \in \mathcal{B}(Y, X)$ и левым обратным $A_{l}^{-1} \in \mathcal{B}(Y, X)$. Доказать, что тогда $A_{r}^{-1} = A_{l}^{-1} = A^{-1}$.

Пусть $X$ и $Y$ — нормированные пространства, $A \in \mathcal{B}(X, Y)$. Доказать, что если $A$ обратим, то он биективен; если существует правый обратный $A_{r}^{-1} \in \mathcal{B}(Y, X)$, то $A$ сюръективен; если же существует левый обратный $A_{l}^{-1} \in \mathcal{B}(Y, X)$, то $A$ инъективен.

Привести пример ограниченного инъективного оператора в банаховых пространствах, для которого нет ограниченного левого обратного оператора, но есть правый обратный.

Привести пример ограниченного сюръективного оператора в банаховых пространствах, для которого нет ограниченного правого обратного оператора, но есть левый обратный.

Пусть $X$ и $Y$ — банаховы пространства, оператор $A \in \mathcal{B}(X, Y)$. Доказать, что $A$ имеет левый обратный тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

1. $A$ инъективен;

2. $\operatorname {Im} A$ — замкнутое дополняемое подпространство в $Y$.

Пусть $X$ и $Y$ — банаховы пространства, оператор $A \in \mathcal{B}(X, Y)$. Доказать, что $A$ имеет правый обратный тогда и только тогда, когда выполнены два условия:

1. $A$ сюръективен;

2. $\operatorname {Ker} A$ — дополняемое подпространство в $X$.

Привести пример, показывающий, что в теореме Банаха об обратном операторе условие полноты пространства $Y$ существенно.

Показать, что в теореме Банаха об обратном операторе условие полноты пространства $X$ существенно.

Предполагая верной теорему 9.1, доказать теорему 9.2, и наоборот.

Теорема 9.1 (Банаха об обратном операторе): пусть $X$ и $Y$ — банаховы пространства и $A \in \mathcal{B}(X, Y)$ — биективный оператор. Тогда $A^{-1} \in \mathcal{B}(Y, X)$.

Теорема 9.2 (о замкнутом графике): пусть $X$ и $Y$ — банаховы пространства. Оператор $A \in \mathcal{L}(X, Y)$ ограничен тогда и только тогда, когда его график замкнут.

Пусть $X$ — банахово пространство, линейное подпространство $Y \subset X$ имеет конечную коразмерность и $Y = \operatorname {Im} A$, где $A: Z \rightarrow X$ — ограниченный оператор, $Z$ — банахово пространство. Доказать, что $Y$ замкнуто (ср. с теоремой 11.3).

Пусть $X, Y$ и $Z$ — банаховы пространства и $J: Y \rightarrow Z$ инъективный непрерывный линейный оператор. Пусть $A \in \mathcal{L}(X, Y)$, причём композиция $J A \in \mathcal{B}(X, Z)$. Доказать, что $A \in \mathcal{B}(X, Y)$.

Существует ли обратимый оператор $A \in \mathcal{B}\left(c, c_{0}\right)$?

Пусть $A \in \mathcal{B}\left(L_{2}[0,1]\right)$, причём $\operatorname {Im} A \subset C[0,1]$. Доказать, что $A \in \mathcal{B}\left(L_{2}[0,1], C[0,1]\right)$. Доказать, что вообще, если $X, Y, Z$ — банаховы пространства, $Y$ непрерывно вложено в $Z$, а некоторый оператор $A$ ограниченно действует из $X$ в $Z$ и обладает свойством $\operatorname {Im} A \subset Y$, то $A \in \mathcal{B}(X, Y)$.

Доказать, что оператор дифференцирования $A: W_{2}^{1}[0,1] \rightarrow L_{2}[0,1],(A x)(t) = x^{\prime }(t)$ имеет замкнутый график.

Доказать, что функционал $f: x \mapsto x(0)$, действующий в $L_{2}[0,1]$ с $\mathcal{D}(f) = C[0,1]$, имеет незамкнутый график.

Привести пример банаховых пространств $X$ и $Y$ и оператора $A \in \mathcal{L}(X, Y)$ с незамкнутым графиком.

Пусть $X$ — линейное пространство, $\left\| \cdot \right\|_{1}$ и $\left\| \cdot \right\|_{2}$ — две нормы, и пусть $X_{i}: = \left(X,\left\| \cdot \right\|_{i}\right)$ — банаховы пространства, причём $\left\| \cdot \right\|_{1} \prec \prec \left\| \cdot \right\|_{2}$. Доказать, что нормы $\left\| \cdot \right\|_{1}$ и $\left\| \cdot \right\|_{2}$ эквивалентны.

Пусть $X$ — банахово пространство, $X_{0}$ — замкнутое подпространство и $X_{1}$ — его линейное дополнение. Доказать, что проектор на подпространство $X_{0}$ вдоль подпространства $X_{1}$ ограничен тогда и только тогда, когда $X_{1}$ тоже замкнуто.

Доказать, что подобные операторы обратимы или необратимы одновременно. Доказать, что нормы у унитарно эквивалентных операторов совпадают. Привести пример подобных операторов с различной нормой.

Пусть $A x = \left(\lambda_{1} x_{1}, \lambda_{2} x_{2}, \ldots \right)$ — оператор умножения на последовательность $\left\{ \lambda_{n}\right\}_{1}^{\infty } \in l_{\infty }$, действующий в пространстве $X$. Доказать, что $A^{-1}$ существует тогда и только тогда, когда $\inf \left\{ \left|\lambda_{n}\right|: n \in \mathbb {N}\right\} > 0$. Найти $A^{-1}$ и его норму.

Доказать, что оператор $A x = \left(0, x_{1}, 0, x_{2}, 0, x_{3}, \ldots \right)$ в пространстве $l_{2}$ не имеет правого обратного. Найти $A_{l}^{-1}$. Доказать, что оператор $B x = \left(x_{1}, x_{2}, x_{4}, x_{8}, \ldots \right)$ в пространстве $l_{2}$ не имеет левого обратного. Найти $B_{r}^{-1}$.

Пусть $X = C[0,1],(A x)(t) = a(t) x(t)$ — оператор умножения на непрерывную функцию. Доказать, что этот оператор обратим тогда и только тогда, когда функция $a$ не обращается в ноль на отрезке $[0,1]$. Найти обратный оператор.

Пусть $X = L_{p}[0,1], p \in [1, \infty ],(A x)(t) = a(t) x(t)$ — оператор умножения на функцию $a \in L_{\infty }[0,1]$. Доказать, что этот оператор обратим тогда и только тогда, когда $\underset {t \in [0,1]}{\operatorname {ess} \inf }\left|a(t)\right| > 0$ (определение ess inf см. в задаче 6.27). Найти обратный оператор.

Рассмотрим в пространстве

Пусть $A: C^{1}[0,1] \rightarrow C[0,1],(A x)(t) = x^{\prime }(t)$. Доказать, что он не обратим. Найти правый обратный оператор.

Доказать, что у оператора Харди $(A x)(t) = \frac{1}{t} \int_{0}^{t} x(s) d s$ в пространстве $L_{p}[0,1], p \in (1, \infty )$, нет ни левого, ни правого обратного оператора.

Найти обратный оператор для оператора $A$ в пространстве $L_{p}[0,1], p \in [1, \infty ]:$

Найти обратный оператор для оператора $A$ в пространстве $C[0,1]:(A x)(t) = x(t)+\int_{0}^{1} e^{t+s} x(s) d s$.

Пусть $X \subset Y$ — банаховы пространства и $\left\| \cdot \right\|_{Y} \prec \left\| \cdot \right\|_{X}$ на $X$ (тогда оператор $J: X \rightarrow Y, J x = x$, непрерывен, т. е. пространство $X$ вложено в $Y$, см. определение 2.2). При каких условиях на пространства $X$ и $Y$ оператор $J$ имеет

Пусть $\varphi (t)$ — непрерывная на $[0,1]$ функция, отображающая отрезок $[0,1]$ в себя. При каких условиях на функцию $\varphi$ оператор замены переменной $(A x)(t) = x(\varphi (t))$ в пространстве $C[0,1]$ имеет