10.2

Задачи

[94/88%]
Показать
LaTeX
Задача 10.5

Пусть MM — множество в банаховом пространстве такое, что для каждого ε>0\varepsilon > 0 существует предкомпактная ε\varepsilon-сеть для множества MM. Доказать, что множество MM предкомпактно.

?
Задача 10.6

Доказать, что каждое подмножество предкомпактного множества предкомпактно.

?
Задача 10.7

Доказать, что если хотя бы один (открытый или замкнутый) шар в НЛП предкомпактен, то все открытые и замкнутые шары в этом пространстве предкомпактны.

?
Задача 10.8

Пусть MM — предкомпактное множество в метрическом пространстве (X,ρ)(X, \rho ). Последовательность {xn:n}\left\{ x_{n}: n \geq \right\} 1) X\subset X такова, что ρ(xn,M)0,n\rho \left(x_{n}, M\right) \rightarrow 0, n \rightarrow \infty. Доказать, что множество K={xn:n1}K = \left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} предкомпактно.

?
Задача 10.9

Пусть M={xn:n1}M = \left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} — предкомпактное множество в НЛП X,x0XX, x_{0} \in X. Доказать, что xnx0,nx_{n} \rightarrow x_{0}, n \rightarrow \infty, в XX, если выполняется хотя бы одно из следующих условий:

?
(1)

x0x_{0} — единственная предельная точка множества MM;

(2)

xnwx0,nx_{n} \xrightarrow {w} x_{0}, n \rightarrow \infty.

Задача 10.10

Пусть {Mn:n1}\left\{ M_{n}: n \geq 1\right\} — последовательность компактных множеств в метрическом пространстве. Доказать, что если k=1nMk,n1\bigcap_{k = 1}^{n} M_{k} \neq \varnothing , n \geq 1, то k=1Mk\bigcap_{k = 1}^{\infty } M_{k} \neq \varnothing.

?
Задача 10.11

Пусть MM — компактное множество в метрическом пространстве (X,ρ)(X, \rho ). Доказать, что для любого ε>0\varepsilon > 0 множество MM можно представить в виде M=k=1nMkM = \bigcup_{k = 1}^{n} M_{k}, где MkM_{k} — замкнутые множества, для которых

diamMk=supx,yMkρ(x,y)ε,1kn. \operatorname {diam} M_{k} = \sup _{x, y \in M_{k}} \rho (x, y) \leq \varepsilon , 1 \leq k \leq n.
?
Задача 10.12

Пусть XX — НЛП, MX,NXM \subset X, N \subset X. Верно ли, что множество M+NM+N:

?
(1)

компактно, если MM и NN компактны;

(2)

предкомпактно, если MM и NN предкомпактны;

(3)

замкнуто, если MM компактно и NN замкнуто;

(4)

замкнуто, если MM и NN замкнуты?

Задача 10.13

Пусть (X,ρ)(X, \rho ) — метрическое пространство, MXM \subset X. Функция f:MRf: M \rightarrow \mathbb {R} называется полунепрерывной снизу (полунепрерывной сверху) на множестве MM, если

x0Mε>0δ>0xB(x0,δ)M:f(x)>f(x0)ε \forall x_{0} \in M \forall \varepsilon > 0 \exists \delta > 0 \forall x \in B\left(x_{0}, \delta \right) \cap M: f(x) > f\left(x_{0}\right)-\varepsilon

(соответственно f(x)<f(x0)+εf(x) < f\left(x_{0}\right)+\varepsilon). Доказать, что

?
(1)

если MM — компактное множество, то каждая полунепрерывная снизу (сверху) функция на MM достигает своего минимального (максимального) значения на MM;

(2)

обратное утверждение к утверждению (1) также верно;

(3)

если каждая непрерывная функция на MM ограничена, то MM — компактное множество.

Задача 10.14

Пусть MM — множество в банаховом пространстве такое, что каждая действительная непрерывная функция на MM равномерно непрерывна. Следует ли отсюда, что MM — компактное множество?

?
Задача 10.15

Пусть {Ln:n1}\left\{ L_{n}: n \geq 1\right\} — последовательность конечномерных подпространств банахова пространства XX такая, что LnLn+1,n1L_{n} \subset L_{n+1}, n \geq 1, и множество n=1Ln\bigcup_{n = 1}^{\infty } L_{n} плотно в XX. Доказать, что ограниченное множество MM предкомпактно в XX тогда и только тогда, когда supxMρ(x,Ln)0,n\sup_{x \in M} \rho \left(x, L_{n}\right) \rightarrow 0, n \rightarrow \infty.

?
Задача 10.16

Доказать, что ограниченное множество MM предкомпактно

?
(1)

в пространстве lp,1p<+l_{p}, 1 \leq p < +\infty, тогда и только тогда, когда

ε>0N=N(ε)NxM:k=N+1xkp<ε; \forall \varepsilon > 0 \exists N = N(\varepsilon ) \in \mathbb {N} \forall x \in M: \sum _{k = N+1}^{\infty }\left|x_{k}\right|^{p} < \varepsilon ;
(2)

в пространстве c0c_{0} тогда и только тогда, когда

ε>0N=N(ε)NxMkN:xk<ε; \forall \varepsilon > 0 \exists N = N(\varepsilon ) \in \mathbb {N} \forall x \in M \forall k \geq N:\left|x_{k}\right| < \varepsilon ;
(3)

в пространстве cc тогда и только тогда, когда

ε>0N=N(ε)NxMkN:xklimnxn<ε. \forall \varepsilon > 0 \exists N = N(\varepsilon ) \in \mathbb {N} \forall x \in M \forall k \geq N:\left|x_{k}-\lim _{n \rightarrow \infty } x_{n}\right| < \varepsilon .
Задача 10.17

Сформулировать и доказать критерий предкомпактности в сепарабельном гильбертовом пространстве HH с ортонормированным базисом {en:n1}\left\{ e_{n}: n \geq 1\right\}.

?
Задача 10.18

Доказать, что следующие множества предкомпактны в C([a,b])C(\left[a, b\right]) (здесь k1,k2k_{1}, k_{2} — фиксированные неотрицательные константы):

?
(1)

{atx(s)ds,t[a,b]xM}\left\{ \int_{a}^{t} x(s) d s, t \in [a, b] \mid x \in M\right\}, где MM — ограниченное множество в C([a,b])C(\left[a, b\right]);

(2)

{xC([a,b])x(a)k1,x(t1)x(t2)k2t1t2,t1,t2[a,b]}\left\{ x \in C(\left[a, b\right]) \mid \left|x(a)\right| \leq k_{1}, \left|x\left(t_{1}\right)-x\left(t_{2}\right)\right| \leq k_{2}\left|t_{1}-t_{2}\right|, t_{1}, t_{2} \in [a, b]\right\};

(3)

{xC1([a,b])x(t0)k1,x(t)k2,t[a,b]}\left\{ x \in C^{1}(\left[a, b\right]) \mid \left|x\left(t_{0}\right)\right| \leq k_{1}, \left|x^{\prime }(t)\right| \leq k_{2}, t \in [a, b]\right\}, где t0[a,b]t_{0} \in [a, b] фиксировано;

(4)

{atK(t,s)x(s)du,t[a,b]xB(0,1)}\left\{ \int_{a}^{t} K(t, s) x(s) d u, t \in [a, b] \mid x \in B(0,1)\right\}, где KC([a,b]2)K \in C\left(\left[a, b\right]^{2}\right);

(5)

{xC1([a,b])x(a)k1,abx(t)2dtk2}\left\{ x \in C^{1}(\left[a, b\right]) \mid \left|x(a)\right| \leq k_{1}, \int_{a}^{b}\left|x^{\prime }(t)\right|^{2} d t \leq k_{2}\right\};

(6)

{xC1([a,b])ab(x(t)p+x(t)p)dtk1}\left\{ x \in C^{1}(\left[a, b\right]) \mid \int_{a}^{b}\left(\left|x(t)\right|^{p}+\left|x^{\prime }(t)\right|^{p}\right) d t \leq k_{1}\right\}, где 1<p<+1 < p < +\infty;

(7)

{xC2([a,b])x(t)k1,x(t)k2,t[a,b]}\left\{ x \in C^{2}(\left[a, b\right]) \mid \left|x(t)\right| \leq k_{1}, \left|x^{\prime \prime }(t)\right| \leq k_{2}, t \in [a, b]\right\};

(8)
{xC1([a,b])x(t)k1,t[a,b],x(t1)x(t2)k2t1t2,t1,t2[a,b]}; \left\{ x \in C^{1}(\left[a, b\right]) \mid \left|x(t)\right| \leq k_{1}, t \in [a, b], \left|x^{\prime }\left(t_{1}\right)-x^{\prime }\left(t_{2}\right)\right| \leq k_{2}\left|t_{1}-t_{2}\right|, t_{1}, t_{2} \in [a, b]\right\} ;
(9)

равностепенно непрерывное множество непрерывных функций, абсолютные значения которых ограничены фиксированной константой в некоторой точке t0[a,b]t_{0} \in [a, b];

(10)

ограниченное множество многочленов степени nn.

Какие из этих множеств компактны в C([a,b])C(\left[a, b\right])?

Задача 10.19

Какие из следующих множеств предкомпактны (компактны) в C([0,1])C(\left[0,1\right]):

?
(1)

{tnn1}\left\{ t^{n} \mid n \geq 1\right\};

(2)

{sinntn1}\left\{ \sin n \sqrt{t} \mid n \geq 1\right\};

(3)

{sin(t+n)n1}{ }^{*}\left\{ \sin (t+n) \mid n \geq 1\right\};

(4)

{sinαtαR}\left\{ \sin \alpha t \mid \alpha \in \mathbb {R}\right\};

(5)

{sinαtα[1,3]}\left\{ \sin \alpha t \mid \alpha \in [1,3]\right\};

(6)

{arctanαtαR}\left\{ \arctan \alpha t \mid \alpha \in \mathbb {R}\right\};

(7)

{etααR}\left\{ e^{t-\alpha } \mid \alpha \in \mathbb {R}\right\};

(8)

{etαα0}\left\{ e^{t-\alpha } \mid \alpha \geq 0\right\};

(9)

{n=1ann3entan(1,1),n1}\left\{ \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{a_{n}}{n^{3}} e^{-n t} \mid a_{n} \in (-1,1), n \geq 1\right\};

(10)

{n=1ant+n2an(1,1),n1}\left\{ \sum_{n = 1}^{\infty } \frac{a_{n}}{t+n^{2}} \mid a_{n} \in (-1,1), n \geq 1\right\}?

Задача 10.20

При каких условиях на множество ARA \subset \mathbb {R} следующие множества предкомпактны (компактны) в C([0,1])C(\left[0,1\right]):

?
(1)

{sinαtαA}\left\{ \sin \alpha t \mid \alpha \in A\right\};

(2)

{arctanαtαA}\left\{ \arctan \alpha t \mid \alpha \in A\right\};

(3)

{etααA}\left\{ e^{t-\alpha } \mid \alpha \in A\right\};

(4)

{11+tααA}\left\{ \left.\frac{1}{1+\left|t-\alpha \right|} \right\rvert \, \alpha \in A\right\}?

Задача 10.21

Являются ли следующие множества предкомпактными в L2([0,1])L_{2}(\left[0,1\right]):

?
(1)

{tnn1}\left\{ t^{n} \mid n \geq 1\right\};

(2)

{sinπntn1}\left\{ \sin \pi n t \mid n \geq 1\right\};

(3)

{sinαtαR}\left\{ \sin \alpha t \mid \alpha \in \mathbb {R}\right\};

(4)

{arctanαtαR}\left\{ \arctan \alpha t \mid \alpha \in \mathbb {R}\right\}?

Задача 10.22

Доказать компактность следующих множеств в l2l_{2}:

?
(1)

{xl2n1:xn1n}\left\{ x \in l_{2}\left|\forall n \geq 1:\left|x_{n}\right| \leq \frac{1}{n}\right\} \right.;

(2)

{xl2n=1n2xn21}\left\{ \left.x \in l_{2}\left|\sum_{n = 1}^{\infty } n^{2}\right| x_{n}\right|^{2} \leq 1\right\}.

Задача 10.23

Пусть an>0,nNa_{n} > 0, n \in \mathbb {N}. Сформулировать условия на {an:n1}\left\{ a_{n}: n \geq 1\right\}, при которых следующие множества компактны в l2l_{2}:

?
(1)

{xl2n1:xn1an}\left\{ x \in l_{2}\left|\forall n \geq 1:\left|x_{n}\right| \leq \frac{1}{a_{n}}\right\} \right.;

(2)

{xl2n=1anxn21}\left\{ \left.x \in l_{2}\left|\sum_{n = 1}^{\infty } a_{n}\right| x_{n}\right|^{2} \leq 1\right\}.

Задача 10.24

Доказать, что каждое множество, предкомпактное в C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right]), также предкомпактно в C([a,b])C(\left[a, b\right]). Верно ли, что каждое подмножество C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right]), предкомпактное в C([a,b])C(\left[a, b\right]), также предкомпактно в C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right])?

?
Задача 10.25

Доказать, что шар Bˉ(0,1)\bar{B}(0,1) пространства C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right]) предкомпактен, но не является замкнутым множеством в C([a,b])C(\left[a, b\right]).

?
Задача 10.26

Сформулировать и доказать критерий предкомпактности в пространствах Ck([a,b]),kNC^{k}(\left[a, b\right]), k \in \mathbb {N}.

?
Задача 10.27

Пусть (K,ρ)(K, \rho ) — компактное метрическое пространство. Доказать, что множество MM предкомпактно в пространстве C(K)C(K) тогда и только тогда, когда оно равномерно ограничено и равностепенно непрерывно (т.е.

ε>0δ>0t1,t2K,ρ(t1,t2)<δ,xM:x(t1)x(t2)<ε). \forall \varepsilon > 0 \exists \delta > 0 \forall t_{1}, t_{2} \in K, \rho \left(t_{1}, t_{2}\right) < \delta , \forall x \in M:\left|x\left(t_{1}\right)-x\left(t_{2}\right)\right| < \varepsilon ).
?
Задача 10.28

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства и X1X_{1} — подмножество X2X_{2}. Найти необходимые и достаточные условия того, что каждое предкомпактное множество в X1X_{1} предкомпактно в X2X_{2}.

?
Задача 10.29

Верно ли, что каждое предкомпактное множество в НЛП X1X_{1} предкомпактно в НЛП X2X_{2}, если

?
(1)

X1=L2([a,b]),X2=L1([a,b])X_{1} = L_{2}(\left[a, b\right]), X_{2} = L_{1}(\left[a, b\right]);

(2)

X1=C([a,b]),X2=L2([a,b])X_{1} = C(\left[a, b\right]), X_{2} = L_{2}(\left[a, b\right]);

(3)

X1=l1,X2=lX_{1} = l_{1}, X_{2} = l_{\infty };

(4)

X1=l1,X2=l2X_{1} = l_{1}, X_{2} = l_{2}?

Задача 10.30

Пусть TT — некоторое множество, B(T)B(T) — линейное пространство всех ограниченных функций из TT в R\mathbb {R}, и x=suptTx(t),xB(T)\left\| x\right\|_{\infty } = \sup_{t \in T}\left|x(t)\right|, x \in B(T). Доказать следующие утверждения.

?
(1)

B(T)B(T) с нормой \left\| \cdot \right\|_{\infty } является банаховым пространством.

(2)

Множество MM предкомпактно в пространстве B(T)B(T) тогда и только тогда, когда оно ограничено и для каждого ε>0\varepsilon > 0 существует конечное разбиение T=k=1nTkT = \cup_{k = 1}^{n} T_{k} такое, что каждая функция из MM на каждом подмножестве TkT_{k} изменяется не более чем на ε\varepsilon, т.е.

1knxMt1,t2Tk:x(t1)x(t2)ε. \forall 1 \leq k \leq n \forall x \in M \forall t_{1}, t_{2} \in T_{k}:\left|x\left(t_{1}\right)-x\left(t_{2}\right)\right| \leq \varepsilon .
Задача 10.31

Пусть TT — некоторое множество, YY — компактное подмножество НЛП X,X,\left\| \cdot \right\| — норма в X,B(T,Y)X, B(T, Y) — линейное пространство всех отображений из TT в YY, и x=supx(t),xB(T,Y)\left\| x\right\|_{\infty } = \sup \left\| x(t)\right\| , x \in B(T, Y). Доказать, что B(T,Y)B(T, Y) с нормой \left\| \cdot \right\|_{\infty } является банаховым tTt \in T пространством. Сформулировать и доказать критерий предкомпактности в этом пространстве.

?
Задача 10.32

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства. Доказать, что линейный оператор A:X1X2A: X_{1} \rightarrow X_{2} компактен тогда и только тогда, когда для каждой ограниченной последовательности {xn:n1}X1\left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} \subset X_{1} последовательность {Axn:n1}X2\left\{ A x_{n}: n \geq 1\right\} \subset X_{2} содержит сходящуюся подпоследовательность.

?
Задача 10.33

Доказать, что в бесконечномерном НЛП

?
(1)

тождественный оператор не компактен;

(2)

каждый компактный оператор не является непрерывно обратимым.

Задача 10.34

Пусть X1,X2,X3X_{1}, X_{2}, X_{3} — нормированные линейные пространства. Доказать, что

?
(1)

S0(X1,X2)S(X1,X2)S_{0}\left(X_{1}, X_{2}\right) \subset S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right);

(2)

S0(X1,X2)S_{0}\left(X_{1}, X_{2}\right) является линейным множеством в L(X1,X2)\mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right);

(3)

если AS0(X1,X2),BL(X2,X3)A \in S_{0}\left(X_{1}, X_{2}\right), B \in \mathcal{L}\left(X_{2}, X_{3}\right) и CL(X3,X1)C \in \mathcal{L}\left(X_{3}, X_{1}\right), то BAS0(X1,X3),ACS0(X3,X2)B A \in S_{0}\left(X_{1}, X_{3}\right), A C \in S_{0}\left(X_{3}, X_{2}\right);

(4)

если AS0(X1,X2)A \in S_{0}\left(X_{1}, X_{2}\right), то AS0(X2,X1)A^{\prime } \in S_{0}\left(X_{2}^{*}, X_{1}^{*}\right), причём dimR(A)=dimR(A)\operatorname {dim} R(A) = \operatorname {dim} R\left(A^{\prime }\right).

Задача 10.35

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства, A:X1X2A: X_{1} \rightarrow X_{2} — линейный оператор. Верно ли, что AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right), если

?
(1)

dimX1<+\operatorname {dim} X_{1} < +\infty;

(2)

dimX2<+\operatorname {dim} X_{2} < +\infty?

Задача 10.36

Какие из следующих операторов в l2l_{2} компактны:

?
(1)

Ax=(0,x1,x2,,xn,)A x = \left(0, x_{1}, x_{2}, \ldots , x_{n}, \ldots \right);

(2)

Ax=(0,x1,x22,,xnn,)A x = \left(0, x_{1}, \frac{x_{2}}{2}, \ldots , \frac{x_{n}}{n}, \ldots \right);

(3)

Ax=(x2,x3,,x100,0,0,)A x = \left(x_{2}, x_{3}, \ldots , x_{100}, 0,0, \ldots \right);

(4)

Ax=(x3,x42,,xnn2,)A x = \left(x_{3}, \frac{x_{4}}{2}, \ldots , \frac{x_{n}}{n-2}, \ldots \right)?

Задача 10.37

Найти необходимое и достаточное условие на ограниченную последовательность {αn:n1}C\left\{ \alpha_{n}: n \geq 1\right\} \subset \mathbb {C}, при котором оператор Ax=(α1x1,α2x2,),xXA x = \left(\alpha_{1} x_{1}, \alpha_{2} x_{2}, \ldots \right), x \in X, компактен в пространстве XX, если

?
(1)

X=lp,1p<+X = l_{p}, 1 \leq p < +\infty;

(2)

X=lX = l_{\infty };

(3)

X=cX = c;

(4)

X=c0X = c_{0}.

Задача 10.38

Найти необходимое и достаточное условие компактности оператора A:l2l2A: l_{2} \rightarrow l_{2}, представленного матрицей Якоби

A=[α1β1000γ1α2β2000γ2α3β30], где {αj,βj,γj:j1}K. \mathcal{A} =\left[\begin{smallmatrix} \alpha _{1} & \beta _{1} & 0 & 0 & 0 & \ldots \\ \gamma _{1} & \alpha _{2} & \beta _{2} & 0 & 0 & \ldots \\ 0 & \gamma _{2} & \alpha _{3} & \beta _{3} & 0 & \ldots \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \end{smallmatrix}\right], \text{ где }\left\{ \alpha _{j}, \beta _{j}, \gamma _{j}: j \geq 1\right\} \subset \mathbb {K}.
?
Задача 10.39

Обязательно ли AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right), если

?
(1)

X1X_{1} — НЛП, X2X_{2} — банахово пространство, {An:n1}S(X1,X2)\left\{ A_{n}: n \geq 1\right\} \subset S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right) и AnsAA_{n} \xrightarrow {s} A;

(2)

X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства, {An:n1}S(X1,X2)\left\{ A_{n}: n \geq 1\right\} \subset S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right) и AnAA_{n} \rightrightarrows A?

Задача 10.40

Пусть KC([a,b]2)K \in C\left(\left[a, b\right]^{2}\right) и

(Ax)(t)=atK(t,s)x(s)ds,t[a,b],xC([a,b]) (A x)(t) = \int _{a}^{t} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], x \in C(\left[a, b\right])

Доказать, что AS(C([a,b]))A \in S_{\infty }(C(\left[a, b\right])).

?
Задача 10.41

Какие из следующих операторов A:C([0,1])C([0,1])A: C(\left[0,1\right]) \rightarrow C(\left[0,1\right]) компактны:

?
(1)

(Ax)(t)=x(0)+t2x(1)(A x)(t) = x(0)+t^{2} x(1);

(2)

(Ax)(t)=0ts3x(s)ds(A x)(t) = \int_{0}^{t} s^{3} x(s) d s;

(3)

(Ax)(t)=01eitsx(s)ds(A x)(t) = \int_{0}^{1} e^{i t s} x(s) d s;

(4)

(Ax)(t)=tx(t)(A x)(t) = t x(t);

(5)

(Ax)(t)=x(t3);(A x)(t) = x\left(t^{3}\right) ;

(6)

(Ax)(t)=3x(t)+01etsx(s)ds(A x)(t) = 3 x(t)+\int_{0}^{1} e^{t s} x(s) d s;

(7)

(Ax)(t)=12(x(t)+x(1t))(A x)(t) = \frac{1}{2}(x(t)+x(1-t));

(8)

(Ax)(t)=0x(s2)ds(A x)(t) = \int_{0} x\left(s^{2}\right) d s?

Задача 10.42

Доказать, что оператор A:X1X2A: X_{1} \rightarrow X_{2}, определённый формулой

(Ax)(t)=abK(t,s)x(s)ds,t[a,b],xX1 (A x)(t) = \int _{a}^{b} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], x \in X_{1}

компактен, если

?
(1)

X1=L2([a,b]),X2=C([a,b]),KC([a,b]2);X_{1} = L_{2}(\left[a, b\right]), X_{2} = C(\left[a, b\right]), K \in C\left(\left[a, b\right]^{2}\right) ;

(2)

X1=X2=L2([a,b]),KL2([a,b]2)X_{1} = X_{2} = L_{2}(\left[a, b\right]), K \in L_{2}\left(\left[a, b\right]^{2}\right).

Задача 10.43

Какие из операторов A:L2([0,1])L2([0,1])A: L_{2}(\left[0,1\right]) \rightarrow L_{2}(\left[0,1\right]) компактны:

?
(1)

(Ax)(t)=01tsx(s)ds(A x)(t) = \int_{0}^{1} t s x(s) d s;

(2)

(Ax)(t)=p(t)01q(s)x(s)ds(A x)(t) = p(t) \int_{0}^{1} q(s) x(s) d s, где p,qL2([0,1])p, q \in L_{2}(\left[0,1\right]);

(3)

(Ax)(t)=x(t)+01(ts2+s)x(s)ds(A x)(t) = x(t)+\int_{0}^{1}\left(t s^{2}+s\right) x(s) d s;

(4)

(Ax)(t)=0tx(s)ds(A x)(t) = \int_{0}^{t} x(s) d s;

(5)

(Ax)(t)=0ttsx(s)ds(A x)(t) = \int_{0}^{t} t s x(s) d s?

Задача 10.44

При каких условиях на функцию aa оператор (Ax)(t)=a(t)x(t)(A x)(t) = a(t) x(t) компактен

?
(1)

в пространстве C([0,1])C(\left[0,1\right]), если aC([0,1])a \in C(\left[0,1\right])?

(2)

в пространстве L2([0,1])L_{2}(\left[0,1\right]), если aL([0,1])a \in L_{\infty }(\left[0,1\right])?

Задача 10.45

Доказать, что оператор вложения НЛП X1X_{1} в НЛП X2X_{2}, т.е. оператор A:X1X2A: X_{1} \rightarrow X_{2}, определённый как Ax=x,xX1A x = x, x \in X_{1}, компактен, если

?
(1)

X1=C1([a,b]),X2=C([a,b])X_{1} = C^{1}(\left[a, b\right]), X_{2} = C(\left[a, b\right]);

(2)

X1=Ck+1([a,b]),X2=Ck([a,b]),kNX_{1} = C^{k+1}(\left[a, b\right]), X_{2} = C^{k}(\left[a, b\right]), k \in \mathbb {N};

(3)

X1=C1([a,b]),X2=Lp([a,b]),1p+X_{1} = C^{1}(\left[a, b\right]), X_{2} = L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p \leq +\infty.

Задача 10.46

Является ли оператор вложения НЛП X1X_{1} в НЛП X2X_{2} компактным, если

?
(1)

X1=l1,X2=l2X_{1} = l_{1}, X_{2} = l_{2};

(2)

X1=l1,X2=c0X_{1} = l_{1}, X_{2} = c_{0};

(3)

X1=C([0,1]),X2=L2([0,1])X_{1} = C(\left[0,1\right]), X_{2} = L_{2}(\left[0,1\right]);

(4)

X1=L2([0,1]),X2=L1([0,1])X_{1} = L_{2}(\left[0,1\right]), X_{2} = L_{1}(\left[0,1\right])?

Задача 10.47

При каких условиях на последовательность α={αn:n1}[1,+)\alpha = \left\{ \alpha_{n}: n \geq 1\right\} \subset [1,+\infty ) оператор вложения пространства l2,αl_{2, \alpha } (см. задачу 2.62.6^{\circ }) в c0c_{0} компактен?

?
Задача 10.48

Является ли оператор A:X1X2,(Ax)(t)=x(t),t[0,1]A: X_{1} \rightarrow X_{2},(A x)(t) = x^{\prime }(t), t \in [0,1], компактным, если

?
(1)

X1=C1([0,1]),X2=C([0,1])X_{1} = C^{1}(\left[0,1\right]), X_{2} = C(\left[0,1\right]);

(2)

X1=C2([0,1]),X2=C1([0,1])X_{1} = C^{2}(\left[0,1\right]), X_{2} = C^{1}(\left[0,1\right]);

(3)

X1=C2([0,1]),X2=C([0,1])X_{1} = C^{2}(\left[0,1\right]), X_{2} = C(\left[0,1\right])?

Задача 10.49

Доказать, что оператор ортогонального проектирования в гильбертовом пространстве компактен тогда и только тогда, когда этот оператор конечномерен.

?
Задача 10.50

Привести пример оператора AL(l2)A \in \mathcal{L}\left(l_{2}\right) такого, что

?
(1)

AS(l2)A \notin S_{\infty }\left(l_{2}\right), но A2S(l2)A^{2} \in S_{\infty }\left(l_{2}\right);

(2)

AkS(l2),1km1A^{k} \notin S_{\infty }\left(l_{2}\right), 1 \leq k \leq m-1, но AmS(l2)A^{m} \in S_{\infty }\left(l_{2}\right), где m3m \geq 3 фиксировано.

Задача 10.51

Пусть HH — гильбертово пространство, A,BL(H)A, B \in \mathcal{L}(H). Верно ли, что

?
(1)

если A+BS(H)A+B \in S_{\infty }(H), то A,BSA, B \in S_{\infty };

(2)

если A+B,ABS(H)A+B, A-B \in S_{\infty }(H), то A,BSA, B \in S_{\infty };

(3)

если A+BS(H),R(A)R(B)A+B \in S_{\infty }(H), R(A) \perp R(B), то A,BSA, B \in S_{\infty }?

Задача 10.52

Пусть HH — гильбертово пространство, A:HHA: H \rightarrow H — линейный оператор. Обязательно ли AL(H)A \in \mathcal{L}(H), если

?
(1)

ABL(H)A B \in \mathcal{L}(H) для всех BS(H)B \in S_{\infty }(H);

(2)

BAL(H)B A \in \mathcal{L}(H) для всех BS(H)B \in S_{\infty }(H)?

Задача 10.53

Доказать, что область значений каждого компактного оператора является сепарабельным множеством.

?
Задача 10.54

Пусть c0,c1,,cnCc_{0}, c_{1}, \ldots , c_{n} \in \mathbb {C}. Может ли компактный оператор AA в бесконечномерном НЛП удовлетворять уравнению k=0nckAk=0\sum_{k = 0}^{n} c_{k} A^{k} = 0? (Здесь A0=IA^{0} = I.)

?
Задача 10.55

Может ли компактный оператор AA в бесконечномерном банаховом пространстве XX иметь алгебраический обратный, определённый

?
(1)

на XX;

(2)

на R(A)R(A)?

Задача 10.56

Пусть XX — НЛП, AL(X)A \in \mathcal{L}(X) и существует c>0c > 0 такое, что Axcx\left\| A x\right\| \geq c\left\| x\right\| для всех xXx \in X. При каких условиях на XX оператор AA может быть компактным?

?
Задача 10.57

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства, dimX1=+\operatorname {dim} X_{1} = +\infty и AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right). Доказать, что существует последовательность {xn:n1}X1\left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} \subset X_{1} такая, что xn=1\left\| x_{n}\right\| = 1 и Axn0,nA x_{n} \rightarrow 0, n \rightarrow \infty.

?
Задача 10.58
?
(1)

Множество MM называется нигде не плотным в метрическом пространстве, если его замыкание не имеет внутренних точек. Доказать, что в бесконечномерном НЛП XX каждое предкомпактное множество нигде не плотно.

(2)

Подмножество метрического пространства называется множеством первой категории, если оно является счётным объединением нигде не плотных множеств. Показать, что если X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства, dimX2=+\operatorname {dim} X_{2} = +\infty и AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right), то R(A)R(A) является множеством первой категории в X2X_{2}.

Задача 10.59

Показать, что C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right]) является множеством первой категории в банаховом пространстве XX, если

?
(1)

X=C([a,b])X = C(\left[a, b\right]);

(2)

X=Lp([a,b]),1p+X = L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p \leq +\infty.

Задача 10.60

Пусть X1X_{1} — НЛП, X2X_{2} — банахово пространство, и AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right) таков, что множество R(A)R(A) замкнуто в X2X_{2}. Показать, что dimR(A)<+\operatorname {dim} R(A) < +\infty.

?
Задача 10.61

Показать, что в гильбертовом пространстве подпространство, лежащее в области значений компактного оператора, конечномерно.

?
Задача 10.62

Пусть MM — подпространство C([a,b])C(\left[a, b\right]) такое, что MC1([a,b])M \subset C^{1}(\left[a, b\right]). Показать, что MM конечномерно.

?
Задача 10.63

Пусть HH — гильбертово пространство и AL(H)A \in \mathcal{L}(H). Доказать, что оператор AA компактен тогда и только тогда, когда существует последовательность конечномерных линейных операторов, сходящаяся равномерно к AA.

?
Задача 10.64

Пусть HH — гильбертово пространство, AL(H)A \in \mathcal{L}(H). Доказать, что операторы A,A,AAA, A^{*}, A A^{*} и AAA^{*} A одновременно компактны или не компактны.

?
Задача 10.65

Пусть HH — гильбертово пространство, AL(H)A \in \mathcal{L}(H). Доказать, что

?
(1)

если A2S(H)A^{2} \in S_{\infty }(H) и AA нормален, то AS(H)A \in S_{\infty }(H);

(2)

если AnS(H)A^{n} \in S_{\infty }(H) для некоторого n>1n > 1 и AA нормален, то AS(H)A \in S_{\infty }(H);

(3)

если AS(H)A \in S_{\infty }(H) и A0A \geq 0, то AS(H)\sqrt{A} \in S_{\infty }(H) (см. определение оператора A\sqrt{A} в задаче 9.52*).

Примечание.
?

Для неотрицательного оператора AL(H)A \in \mathcal{L}(H) квадратным корнем A\sqrt{A} называется единственный неотрицательный оператор BL(H)B \in \mathcal{L}(H) такой, что B2=AB^{2} = A (существование и единственность доказаны в задаче 9.52*).

Задача 10.66

Пусть XX — банахово пространство, и оператор AL(X)A \in \mathcal{L}(X) таков, что

ε>0BεS0(X)CεL(X),Cε<ε:A=Bε+Cε. \forall \varepsilon > 0 \exists B_{\varepsilon } \in S_{0}(X) \exists C_{\varepsilon } \in \mathcal{L}(X),\left\| C_{\varepsilon }\right\| < \varepsilon : A = B_{\varepsilon }+C_{\varepsilon }.

Доказать, что AS(X)A \in S_{\infty }(X).

?
Задача 10.67

Пусть {en:n1}\left\{ e_{n}: n \geq 1\right\} — ортонормированный базис в гильбертовом пространстве H,AL(H)H, A \in \mathcal{L}(H) и

sup{Axxek,1kn;x=1}0,n. \sup \left\{ \left\| A x\right\| \mid x \perp e_{k}, 1 \leq k \leq n ;\left\| x\right\| = 1\right\} \rightarrow 0, n \rightarrow \infty .

Доказать, что AA — компактный оператор.

?
Задача 10.68

Пусть X1X_{1} — рефлексивное банахово пространство (например, гильбертово пространство), X2X_{2} — НЛП, и AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right). Доказать, что множество A(Bˉ(0,1))A(\bar{B}(0,1)) компактно в X2X_{2}.

?
Задача 10.69
?
(1)

Пусть HH — гильбертово пространство, AS(H)A \in S_{\infty }(H). Доказать, что существует hH\{0}h \in H \backslash \left\{ 0\right\} такой, что Ah=Ah\left\| A h\right\| = \left\| A\right\| \cdot \left\| h\right\|.

(2)

Привести пример банахова пространства XX и оператора AS(X)A \in S_{\infty }(X), для которого утверждение пункта (1) неверно.

Задача 10.70
?
(1)

Пусть X1X_{1} — рефлексивное банахово пространство, X2X_{2} — НЛП. Доказать, что AL(X1,X2)A \in \mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right) компактен тогда и только тогда, когда он переводит каждую слабо сходящуюся последовательность в сильно сходящуюся.

(2)

Привести пример банаховых пространств X1,X2X_{1}, X_{2} и оператора AL(X1,X2)A \in \mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right), который переводит каждую слабо сходящуюся последовательность в сильно сходящуюся, но не компактен.

Задача 10.71

Пусть 1<p<+1 < p < +\infty и AL(Lp([a,b]),C([a,b]))A \in \mathcal{L}\left(L_{p}(\left[a, b\right]), C(\left[a, b\right])\right). Доказать, что AS(Lp([a,b]),Lp([a,b]))A \in S_{\infty }\left(L_{p}(\left[a, b\right]), L_{p}(\left[a, b\right])\right).

?
Задача 10.72

Пусть HH — гильбертово пространство, AL(H)A \in \mathcal{L}(H) и A0A \geq 0. Доказать, что оператор AA компактен тогда и только тогда, когда для каждой последовательности {xn:n1}H\left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} \subset H, слабо сходящейся к нулю, выполняется (Axn,xn)0,n\left(A x_{n}, x_{n}\right) \rightarrow 0, n \rightarrow \infty.

?
Задача 10.73

Пусть HH — гильбертово пространство, AL(H),BS(H)A \in \mathcal{L}(H), B \in S_{\infty }(H). Доказать, что AS(H)A \in S_{\infty }(H) в каждом из следующих случаев:

?
(1)

0AB0 \leq A \leq B;

(2)

AABBA^{*} A \leq B^{*} B.

Задача 10.74

(Шаудер) Пусть AL(X1,X2)A \in \mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right), где X1X_{1} — НЛП и X2X_{2} — банахово пространство. Доказать, что AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right) тогда и только тогда, когда AS(X2,X1)A^{\prime } \in S_{\infty }\left(X_{2}^{*}, X_{1}^{*}\right).

?
Задача 10.75

Пусть XX — рефлексивное банахово пространство. Доказать, что

?
(1)

S(X,l1)=L(X,l1)S_{\infty }\left(X, l_{1}\right) = \mathcal{L}\left(X, l_{1}\right);

(2)

S(c0,X)=L(c0,X)S_{\infty }\left(c_{0}, X\right) = \mathcal{L}\left(c_{0}, X\right).

Задача 10.76
?
(1)

Пусть X,YX, Y — банаховы пространства, {A,An:n1}L(X,Y),AnsA,n\left\{ A, A_{n}: n \geq 1\right\} \subset \mathcal{L}(X, Y), A_{n} \xrightarrow {s} A, n \rightarrow \infty, и MM — предкомпактное множество в пространстве XX. Доказать, что {Anx:n1}\left\{ A_{n} x: n \geq 1\right\} сходится к AxA x равномерно на MM.

(2)

Пусть XX — банахово пространство, {f,fn:n1}X,fnwf,n\left\{ f, f_{n}: n \geq 1\right\} \subset X^{*}, f_{n} \xrightarrow {w-*} f, n \rightarrow \infty, и MM — предкомпактное множество в пространстве XX. Доказать, что {fn(x):n1}\left\{ f_{n}(x): n \geq 1\right\} сходится к f(x)f(x) равномерно на MM.

Задача 10.77
?
(1)

Пусть XX — сепарабельное банахово пространство, {xn:n1}\left\{ x_{n}: n \geq 1\right\} — счётная последовательность, плотная в X,BX, B — шар Bˉ(0,1)\bar{B}(0,1) в XX^{*}. Положим

ρ(f,g)=n=112nf(xn)g(xn)1+f(xn)g(xn),f,gB. \rho (f, g) = \sum _{n = 1}^{\infty } \frac{1}{2^{n}} \cdot \frac{\left|f\left(x_{n}\right)-g\left(x_{n}\right)\right|}{1+\left|f\left(x_{n}\right)-g\left(x_{n}\right)\right|}, f, g \in B.

Доказать, что (B,ρ)(B, \rho ) — компактное метрическое пространство, и сходимость в (B,ρ)(B, \rho ) равносильна *-слабой сходимости.

(2)

(Гельфанд). Доказать, что для компактности множества MM в банаховом пространстве XX необходимо, а в случае сепарабельного пространства XX также достаточно, чтобы для каждой последовательности {fn:n1}X\left\{ f_{n}: n \geq 1\right\} \subset X^{*}, *-слабо сходящейся к нулю, сходимость fn(x)0,nf_{n}(x) \rightarrow 0, n \rightarrow \infty, была равномерной по xMx \in M.

Задача 10.78

Пусть AL(X1,X2)A \in \mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right), где X1X_{1} — НЛП и X2X_{2} — сепарабельное банахово пространство. Доказать, что AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right) тогда и только тогда, когда AA^{\prime } переводит каждую *-слабо сходящуюся последовательность в X2X_{2}^{*} в сильно сходящуюся последовательность в X1X_{1}^{*}.

?
Задача 10.79

Пусть XX — банахово пространство, {An:n1}S(X)\left\{ A_{n}: n \geq 1\right\} \subset S_{\infty }(X), и AnsI,nA_{n} \xrightarrow {s} I, n \rightarrow \infty. Доказать, что множество MXM \subset X предкомпактно тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

(a) MM — ограниченное множество;

(b) Anxx,nA_{n} x \rightarrow x, n \rightarrow \infty, равномерно по xMx \in M.

Проверить, что условие (b) можно заменить условием (b') ε>0nNxM:Anxx<ε\forall \varepsilon > 0 \exists n \in \mathbb {N} \forall x \in M:\left\| A_{n} x-x\right\| < \varepsilon, а условие {An:n1}S(X)\left\{ A_{n}: n \geq 1\right\} \subset S_{\infty }(X) можно заменить условием

kN:{Ank:n1}S(X). \exists k \in \mathbb {N}:\left\{ A_{n}^{k}: n \geq 1\right\} \subset S_{\infty }(X).
?
Задача 10.80

Пусть 1p<+,xLp([a,b]),h>01 \leq p < +\infty , x \in L_{p}(\left[a, b\right]), h > 0. Функция

(Ahx)(t)=xh(t)=12htht+hx(s)ds,t[a,b] \left(A_{h} x\right)(t) = x_{h}(t) = \frac{1}{2 h} \int _{t-h}^{t+h} x(s) d s, t \in [a, b]

где x(t)=0,tR\[a,b]x(t) = 0, t \in \mathbb {R} \backslash [a, b], называется функцией Стеклова (усреднением Стеклова). Доказать, что

?
(1)

xhC([a,b])x_{h} \in C(\left[a, b\right]) и xh(t)xp(2h)1p,t[a,b]\left|x_{h}(t)\right| \leq \frac{\left\| x\right\|_{p}}{(2 h)^{\frac{1}{p}}}, t \in [a, b];

(2)

xhpxp\left\| x_{h}\right\|_{p} \leq \left\| x\right\|_{p} при p=1p = 1;

(3)

xhpxp\left\| x_{h}\right\|_{p} \leq \left\| x\right\|_{p} при 1<p<+1 < p < +\infty;

(4)

Ahxxp0,h0+;\left\| A_{h} x-x\right\|_{p} \rightarrow 0, h \rightarrow 0+;

(5)

AhS(Lp([a,b]),C([a,b])),1<p<+A_{h} \in S_{\infty }\left(L_{p}(\left[a, b\right]), C(\left[a, b\right])\right), 1 < p < +\infty;

(6)

Ah2S(L1([a,b]),C([a,b]))A_{h}^{2} \in S_{\infty }\left(L_{1}(\left[a, b\right]), C(\left[a, b\right])\right);

(7)

AhS(Lp([a,b])),1<p<+A_{h} \in S_{\infty }\left(L_{p}(\left[a, b\right])\right), 1 < p < +\infty, и Ah2S(L1([a,b]))A_{h}^{2} \in S_{\infty }\left(L_{1}(\left[a, b\right])\right).

Задача 10.81

Доказать, что множество MM предкомпактно в пространстве Lp([a,b]),1p<+L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p < +\infty, тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

(a) MM — ограниченное множество;

(b) ε>0h>0xM:xhxp<ε\forall \varepsilon > 0 \exists h > 0 \forall x \in M:\left\| x_{h}-x\right\|_{p} < \varepsilon.

?
Примечание.
?

Условие (a) следует из условия (b), см. задачу 12.29.

Задача 10.82

Доказать, что множество MM предкомпактно в пространстве Lp([a,b]),1p<+L_{p}(\left[a, b\right]), 1 \leq p < +\infty, тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

(a) MM — ограниченное множество;

(b) множество MM равностепенно непрерывно в смысле pp-среднего, т.е.

ε>0δ>0h(0,δ)xM:abx(t+h)x(t)pdt<εp \forall \varepsilon > 0 \exists \delta > 0 \forall h \in (0, \delta ) \forall x \in M: \int _{a}^{b}\left|x(t+h)-x(t)\right|^{p} d t < \varepsilon ^{p}

(здесь x(t+h)=0x(t+h) = 0, если t+h>bt+h > b).

?
Примечание.
?

Условие (a) следует из условия (b), см. задачу 12.29.

Задача 10.83

Пусть Bn,n1B_{n}, n \geq 1, — операторы Бернштейна:

(Bnx)(t)=k=0n(nk)x(kn)tk(1t)nk,t[0,1],xC([0,1]). \left(B_{n} x\right)(t) = \sum _{k = 0}^{n}\binom {n}{k} x\left(\frac{k}{n}\right) t^{k}(1-t)^{n-k}, t \in [0,1], x \in C(\left[0,1\right]).

Верно ли, что BnIB_{n} \rightrightarrows I?

?
Задача 10.84

Пусть X,YX, Y и ZZ — банаховы пространства, AS(X,Z),BL(Y,Z)A \in S_{\infty }(X, Z), B \in \mathcal{L}(Y, Z), и R(B)R(A)R(B) \subset R(A). Доказать, что BS(Y,Z)B \in S_{\infty }(Y, Z).

?
Задача 10.85

Пусть X1,X2X_{1}, X_{2} — нормированные линейные пространства, MX1M \subset X_{1} — линейное множество, плотное в X1X_{1}, и AL(X1,X2)A \in \mathcal{L}\left(X_{1}, X_{2}\right). Доказать, что если сужение оператора AA на MM принадлежит S(M,X2)S_{\infty }\left(M, X_{2}\right), то AS(X1,X2)A \in S_{\infty }\left(X_{1}, X_{2}\right).

?
Задача 10.86

Пусть Wp1([a,b]),p1W_{p}^{1}(\left[a, b\right]), p \geq 1, — пополнение пространства C1([a,b])C^{1}(\left[a, b\right]) по норме xWp1=(abx(t)pdt+abx(t)pdt)1p,xC1([a,b])\left\| x\right\|_{W_{p}^{1}} = \left(\int_{a}^{b}\left|x(t)\right|^{p} d t+\int_{a}^{b}\left|x^{\prime }(t)\right|^{p} d t\right)^{\frac{1}{p}}, x \in C^{1}(\left[a, b\right]). Доказать, что

?
(1)

для каждой функции xC1([a,b])x \in C^{1}(\left[a, b\right]) существует θ[a,b]\theta \in [a, b] такое, что

x(t)=θtx(s)ds+1baabx(s)ds,t[a,b] x(t) = \int _{\theta }^{t} x^{\prime }(s) d s+\frac{1}{b-a} \int _{a}^{b} x(s) d s, t \in [a, b]
(2)

для p1p \geq 1 выполняется неравенство xCcxWp1,xC1([a,b])\left\| x\right\|_{C} \leq c\left\| x\right\|_{W_{p}^{1}}, x \in C^{1}(\left[a, b\right]), где c>0c > 0 — константа, и C\left\| \cdot \right\|_{C} и Wp1\left\| \cdot \right\|_{W_{p}^{1}} — нормы в C([a,b])C(\left[a, b\right]) и Wp1([a,b])W_{p}^{1}(\left[a, b\right]) соответственно;

(3)

для p1p \geq 1 имеем Wp1([a,b])C([a,b])W_{p}^{1}(\left[a, b\right]) \subset C(\left[a, b\right]) и оператор вложения AA: Wp1([a,b])C([a,b]),Ax=xW_{p}^{1}(\left[a, b\right]) \rightarrow C(\left[a, b\right]), A x = x, непрерывен;

(4)

для p>1p > 1 оператор вложения A:Wp1([a,b])C([a,b]),Ax=xA: W_{p}^{1}(\left[a, b\right]) \rightarrow C(\left[a, b\right]), A x = x, компактен.

Задача 10.87

Пусть p1p \geq 1. Доказать, что

?
(1)

существует единственный непрерывный линейный оператор D:Wp1([a,b])Lp([a,b])D: W_{p}^{1}(\left[a, b\right]) \rightarrow L_{p}(\left[a, b\right]) такой, что Dx(t)=x(t),t[a,b]D x(t) = x^{\prime }(t), t \in [a, b], для всех xC1([a,b])x \in C^{1}(\left[a, b\right]);

(2)

оператор DD не компактен.

Задача 10.88

Пусть (T,F,μ)(T, \mathcal{F}, \mu ) — пространство с конечной мерой, p>1,1p+1q=1,K:T×TCp > 1, \frac{1}{p}+\frac{1}{q} = 1, K: T \times T \rightarrow \mathbb {C} — измеримая функция такая, что esstTTK(t,s)qdμ(s)<+\operatorname {ess}_{t \in T} \int_{T}\left|K(t, s)\right|^{q} d \mu (s) < +\infty. Доказать, что оператор A:Lp(T,μ)Lp(T,μ)A: L_{p}(T, \mu ) \rightarrow L_{p}(T, \mu ), определённый формулой (Ax)(t)=TK(t,s)x(s)dμ(s),tT(A x)(t) = \int_{T} K(t, s) x(s) d \mu (s), t \in T, компактен.

?
Задача 10.89

Пусть (T,F,μ)(T, \mathcal{F}, \mu ) — пространство с мерой, K:T×TRK: T \times T \rightarrow \mathbb {R} — измеримая функция, c1=esssupsTTK(t,s)dμ(t),c2=esssuptTTK(t,s)dμ(s)c_{1} = \operatorname {ess} \sup_{s \in T} \int_{T}\left|K(t, s)\right| d \mu (t), c_{2} = \operatorname {ess} \sup_{t \in T} \int_{T}\left|K(t, s)\right| d \mu (s).

Доказать, что оператор (Ax)(t)=TK(t,s)x(s)dμ(s),tT(A x)(t) = \int_{T} K(t, s) x(s) d \mu (s), t \in T, обладает следующими свойствами:

?
(1)

если c1<+c_{1} < +\infty, то AL(L1(T,μ))A \in \mathcal{L}\left(L_{1}(T, \mu )\right) и Ac1\left\| A\right\| \leq c_{1};

(2)

если c1<+,c2<+c_{1} < +\infty , c_{2} < +\infty, то AL(Lp(T,μ))A \in \mathcal{L}\left(L_{p}(T, \mu )\right) и Ac11pc21q,1<p<+;\left\| A\right\| \leq c_{1}^{\frac{1}{p}} c_{2}^{\frac{1}{q}}, 1 < p < +\infty ;

(3)

при условиях пункта (2) оператор AA не обязательно компактен в пространстве Lp(T,μ),1p<+L_{p}(T, \mu ), 1 \leq p < +\infty, даже если μ(T)<+\mu (T) < +\infty;

(4)

если 1<p<+,c2<+,μ(T)<+1 < p < +\infty , c_{2} < +\infty , \mu (T) < +\infty и

c1,n=esssupsTBn(s)K(t,s)dμ(t)0,n c_{1, n} = \underset {s \in T}{\operatorname {ess} \sup } \int _{B_{n}(s)}\left|K(t, s)\right| d \mu (t) \rightarrow 0, n \rightarrow \infty

где Bn(s)={tTK(t,s)>n},n1,sTB_{n}(s) = \left\{ t \in T \mid \left|K(t, s)\right| > n\right\} , n \geq 1, s \in T, то AS(Lp(T,μ))A \in S_{\infty }\left(L_{p}(T, \mu )\right).

Задача 10.90

Пусть K:RCK: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {C}2π2 \pi-периодическая измеримая по Лебегу функция и KL1([0,2π])K \in L_{1}(\left[0,2 \pi \right]). Доказать, что при 1<p<+1 < p < +\infty оператор

(Ax)(t)=02πK(ts)x(s)ds,t[0,2π],xLp([0,2π]) (A x)(t) = \int _{0}^{2 \pi } K(t-s) x(s) d s, t \in [0,2 \pi ], x \in L_{p}(\left[0,2 \pi \right])

компактен.

?
Задача 10.91

Доказать компактность оператора A:XXA: X \rightarrow X, определённого формулой (Ax)(t)=abK(t,s)x(s)ds,t[a,b],xX(A x)(t) = \int_{a}^{b} K(t, s) x(s) d s, t \in [a, b], x \in X, если

?
(1)

X=C([a,b]),K:[a,b]2RX = C(\left[a, b\right]), K:\left[a, b\right]^{2} \rightarrow \mathbb {R} — измеримая по Лебегу функция такая, что K(t,)L1([a,b])K(t, \cdot ) \in L_{1}(\left[a, b\right]) для всех t[a,b]t \in [a, b], и

t0[a,b]:abK(t,s)K(t0,s)ds0,tt0 \forall t_{0} \in [a, b]: \int _{a}^{b}\left|K(t, s)-K\left(t_{0}, s\right)\right| d s \rightarrow 0, t \rightarrow t_{0}
(2)

X=C([a,b]),K(t,s)=K0(t,s)tsα,(t,s)[a,b]2,tsX = C(\left[a, b\right]), K(t, s) = \frac{K_{0}(t, s)}{\left|t-s\right|^{\alpha }},(t, s) \in [a, b]^{2}, t \neq s, где K0C([a,b]2),α<1;K_{0} \in C\left(\left[a, b\right]^{2}\right), \alpha < 1 ;

(3)

X=L2([a,b]),K(t,s)=K0(t,s)tsα,(t,s)[a,b]2,tsX = L_{2}(\left[a, b\right]), K(t, s) = \frac{K_{0}(t, s)}{\left|t-s\right|^{\alpha }},(t, s) \in [a, b]^{2}, t \neq s, где K0L([a,b]2),α<1K_{0} \in L_{\infty }\left(\left[a, b\right]^{2}\right), \alpha < 1.

Задача 10.92

Пусть uL1(R)u \in L_{1}(\mathbb {R}). Доказать, что оператор

(Ax)(t)=Ru(ts)x(s)ds,tR,xL2(R) (A x)(t) = \int _{\mathbb {R}} u(t-s) x(s) d s, t \in \mathbb {R}, x \in L_{2}(\mathbb {R})

линеен и непрерывен в L2(R)L_{2}(\mathbb {R}). При каких условиях на функцию uu оператор AA компактен?

?
Задача 10.93

Пусть uL1([0,+))u \in L_{1}([0,+\infty )) и (Ax)(t)=0tu(ts)x(s)ds,t[0,+),xL2([0,+))(A x)(t) = \int_{0}^{t} u(t-s) x(s) d s, t \in [0,+\infty ), x \in L_{2}([0,+\infty )). Доказать, что AL(L2([0,+)))A \in \mathcal{L}\left(L_{2}([0,+\infty ))\right). При каких условиях на функцию uu оператор AA компактен?

?
Задача 10.94

Пусть uL1([0,+))u \in L_{1}([0,+\infty )) и (Ax)(t)=0+u(t+s)x(s)ds,t[0,+),xL2([0,+))(A x)(t) = \int_{0}^{+\infty } u(t+s) x(s) d s, t \in [0,+\infty ), x \in L_{2}([0,+\infty )). Доказать, что

?
(1)

AL(L2([0,+)))A \in \mathcal{L}\left(L_{2}([0,+\infty ))\right);

(2)

если 0+tu(t)2dt<+\int_{0}^{+\infty } t\left|u(t)\right|^{2} d t < +\infty, то AS(L2([0,+)))A \in S_{\infty }\left(L_{2}([0,+\infty ))\right).

Задача 10.95

Пусть (Ax)(t)=0+x(s)t+sds,t[0,+),xL2([0,+))(A x)(t) = \int_{0}^{+\infty } \frac{x(s)}{t+s} d s, t \in [0,+\infty ), x \in L_{2}([0,+\infty )). Доказать, что

?
(1)

AL(L2([0,+)))A \in \mathcal{L}\left(L_{2}([0,+\infty ))\right);

(2)

AS(L2([0,+)))A \notin S_{\infty }\left(L_{2}([0,+\infty ))\right).

Задача 10.96
?
(1)

Доказать, что оператор A:L1([0,1])L1([0,1])A: L_{1}(\left[0,1\right]) \rightarrow L_{1}(\left[0,1\right]), определённый формулой (Ax)(t)=0tx(s)ds,t[0,1],xL1([0,1])(A x)(t) = \int_{0}^{t} x(s) d s, t \in [0,1], x \in L_{1}(\left[0,1\right]), компактен.

(2)

Привести пример ограниченной борелевской функции K:[0,1]2RK:\left[0,1\right]^{2} \rightarrow \mathbb {R} такой, что оператор A:L1([0,1])L1([0,1])A: L_{1}(\left[0,1\right]) \rightarrow L_{1}(\left[0,1\right]), определённый формулой

(Ax)(t)=01K(t,s)x(s)ds,t[0,1],xL1([0,1]) (A x)(t) = \int _{0}^{1} K(t, s) x(s) d s, t \in [0,1], x \in L_{1}(\left[0,1\right])

не компактен.

Задача 10.97

Пусть Cb(R)C_{b}(\mathbb {R}) — линейное пространство непрерывных функций, ограниченных на R\mathbb {R}, снабжённое нормой x=suptRx(t),xCb(R)\left\| x\right\| = \sup_{t \in \mathbb {R}}\left|x(t)\right|, x \in C_{b}(\mathbb {R}), и пусть функция KC(R2)K \in C\left(\mathbb {R}^{2}\right) такова, что suptRRK(t,s)ds<\sup_{t \in \mathbb {R} \mathbb {R}}\left|K(t, s)\right| d s < \infty. Рассмотрим интегральный оператор

(Ax)(t)=RK(t,s)x(s)ds,tR,xCb(R) (A x)(t) = \int _{\mathbb {R}} K(t, s) x(s) d s, t \in \mathbb {R}, x \in C_{b}(\mathbb {R})

Доказать, что

?
(1)

AL(Cb(R))A \in \mathcal{L}\left(C_{b}(\mathbb {R})\right);

(2)

не обязательно AS(Cb(R))A \in S_{\infty }\left(C_{b}(\mathbb {R})\right).

Задача 10.98

Пусть X=C([0,1])X = C(\left[0,1\right]) или X=Lp([0,+)),1<p<+X = L_{p}([0,+\infty )), 1 < p < +\infty. Оператор AA определён формулой (Ax)(t)=1t0tx(s)ds,t>0,xX(A x)(t) = \frac{1}{t} \int_{0}^{t} x(s) d s, t > 0, x \in X (в случае X=C([0,1])X = C(\left[0,1\right]) дополнительно (Ax)(0):=x(0))(A x)(0): = x(0)). Доказать, что

?
(1)

AL(C([0,1]));A \in \mathcal{L}(C(\left[0,1\right])) ;

(2)

AS(C([0,1]))A \notin S_{\infty }(C(\left[0,1\right]));

(3)

AL(Lp([0,+)));A \in \mathcal{L}\left(L_{p}([0,+\infty ))\right) ;

(4)

AS(Lp([0,+)))A \notin S_{\infty }\left(L_{p}([0,+\infty ))\right).