車雨紅, 戴 磊, 郭志華
(①渭南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,714099,渭南市; ②陜西師范大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,710119,陜西省西安市)
在本文中,H表示無限維復(fù)可分的Hilbert空間,B(H)為H上的有界線性算子的全體. 對T∈B(H),用N(T)和R(T)表示T的零空間和值域. 根據(jù)T的零空間N(T)的維數(shù)n(T)與R(T)的余維數(shù)d(T)的有限性可以定義半Fredholm算子:若n(T)<∞且R(T)為閉集,稱T為上半Fredholm算子. 若T為上半Fredholm算子且n(T)=0,稱T為下有界算子. 若d(T)<∞,稱T為下半Fredholm算子. 若n(T)<∞且d(T)<∞,則稱T為Fredholm算子. 當(dāng)算子T為半Fredholm算子時(上半Fredholm算子或者下半Fredholm算子),其指標(biāo)定義為ind(T)=n(T)-d(T). 若ind(T)=0,稱T為Weyl算子. 算子T的升標(biāo)asc(T)為滿足N(Tn)=N(Tn+1)的最小的非負(fù)整數(shù),若這樣的整數(shù)不存在,記asc(T)=+∞;算子T的降標(biāo)des(T),為滿足R(Tn)=R(Tn+1)的最小的非負(fù)整數(shù),同樣當(dāng)這樣的整數(shù)不存在時,記des(T)=+∞. 若asc(T)<∞且des(T)<∞,可以證明asc(T)=des(T). 若算子T有有限的升降標(biāo),稱T為Drazin可逆算子. 算子T稱為是Browder算子,若T為具有有限升標(biāo)和有限降標(biāo)的Fredholm算子. 可以證明T為Browder算子當(dāng)且僅當(dāng)T為半Fredholm 算子且當(dāng)0<|λ|充分小時,T-λI可逆. 用σ(T)表示算子T∈B(H)的譜集. 通過上述敘述,可以定義算子T的上半Fredholm譜σSF+(T)、逼近點(diǎn)譜σa(T)、Drazin譜σD(T)以及Browder譜σb(T)為
可以看出算子值域的閉性以及算子的Kato性質(zhì)在算子理論中是重要的. 設(shè)ρk(T)={λ∈:其余集σk(T)=ρk(T)稱為算子T的Kato譜. 記σc(T)={λ∈:R(T-λI)不閉}. 另外,記σ0(T)為算子T的所有正規(guī)特征值組成的集合,即σ0(T)=σ(T)σb(T).若集合E為復(fù)數(shù)集的子集,則分別用isoE、accE和?E表示集合E的孤立點(diǎn)的全體、聚點(diǎn)的全體以及邊界點(diǎn)的全體.
1909年,Weyl H[1]發(fā)現(xiàn)Hilbert空間中自伴算子的Weyl譜恰好等于該算子的譜集除去有限重的孤立特征值,這個結(jié)論被稱作Weyl定理. 之后,許多數(shù)學(xué)工作者將Weyl定理進(jìn)行了變型和推廣,定義了(ω)性質(zhì)以及(UWπ)性質(zhì)等[2-4]. (UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)是Weyl定理的新的變型,近年來備受關(guān)注[5-7]. 在本文中,討論了有界線性算子的(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)之間的關(guān)系,給出了有界線性算子同時滿足(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)的條件,并且討論了算子函數(shù)同時滿足(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)的條件.
首先給出(UWπ)性質(zhì)[4]和(w)性質(zhì)[2]的定義.
對T∈B(H),若σa(T)σea(T)=PD(T),則稱T滿足(UWπ)性質(zhì),其中PD(T)=σ(T)σD(T)={λ∈σ(T):T-λI是Drazin可逆算子};若σa(T)σea(T)=π00(T),稱T滿足(ω)性質(zhì),其中π00(T)={λ∈isoσ(T):0 首先通過舉例,討論一下(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)之間的關(guān)系. 注解1.1(1) 算子具有(ω)性質(zhì),并不能推出其具有(UWπ)性質(zhì). 例如,設(shè)T∈B(l2)定義為T(x1,x2,x3,…)=(0,x2,x3,…).經(jīng)計(jì)算得σa(T)={0,1},σea(T)={1},π00(T)={0},PD(T)={0,1},則T具有(ω)性質(zhì),但不具有(UWπ)性質(zhì). (2) 算子具有(UWπ)性質(zhì)并不能推出其具有(ω)性質(zhì). (3) 存在算子既不具有(UWπ)性質(zhì),又不具有(ω)性質(zhì). 例如,設(shè)A,B∈B(l2)定義為 A(x1,x2,x3,…)=(0,x1,x2,…);B(x1,x2,x3,…)=(0,x2,x3,…), (4) 當(dāng)算子T既具有(UWπ)性質(zhì),又具有(ω)性質(zhì)時,一定有π00(T)=PD(T)=σ0(T). 由注解1.1可以看出,雖然(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)從形式上來看具有關(guān)聯(lián),但是它們之間并沒有必然的聯(lián)系. 下面討論算子T同時滿足(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)的充要條件. 定理1.1設(shè)T∈B(H),則下列敘述等價: (1)T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì); (2)σb(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}; (3)σb(T)=σD(T)=[σea(T)∪accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪{λ∈:n(T-λI)=∞}. 證明下證(1)和(2)等價. 設(shè)σb(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}. 由于 [σa(T)σea(T)]∩[σea(T)∩accσ(T)]=?,[σa(T)σea(T)]∩{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}=?,且[σa(T)σea(T)]∩{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}=?,故[σa(T)σea(T)]∩σb(T)=?,從而σa(T)σea(T)?σ0(T)?π00(T)且σa(T)σea(T)?σ0(T)?PD(T). 又[PD(T)∪π00(T)]∩{[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∩{λ∈σD(T):n(T-λI)=∝}}=?,故[PD(T)∪π00(T)]∩σb(T)=?,從而 [PD(T)∪π00(T)]?σ0(T)?σa(T)σea(T).因此,T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì). 反之,設(shè)(1)成立,即T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì). 包含關(guān)系σb(T)?[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}顯然成立. 反之,?λ0?[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}.不妨設(shè)λ0∈σ(T),則n(T-λ0I)>0,即λ0∈σa(T). 斷言:λ0∈PD(T). 事實(shí)上,若不然,設(shè)λ0?PD(T),即λ0∈σD(T). 由λ0?{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}知n(T-λ0I)<∞. 若λ0?σea(T),則λ0∈σa(T)σea(T). 由于T滿足(UWπ)性質(zhì),于是λ0∈PD(T),矛盾. 若λ0?accσ(T),即λ0∈isoσ(T). 此時可看出λ0∈π00(T). 由T具有(w)性質(zhì)可知λ0∈σ0(T)?PD(T). 再次得到矛盾. 于是斷言成立,即λ0∈PD(T). 由于T滿足(UWπ)性質(zhì)知λ0∈σ0(T),于是λ0?σb(T). (1)和(3)等價可類似得證. 對T∈B(H),若isoσ(T)?σp(T),則稱T為isoloid算子,其中σp(T)表示算子T的特征值. 再結(jié)合定理1.1可得下列推論. 推論1.1設(shè)T∈B(H),則下列敘述等價: (1)T為isoloid算子且T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì); (2)σb(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪[ρa(bǔ)(T)∩σ(T)]∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}; (3)σb(T)=σD(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪[ρa(bǔ)(T)∩σ(T)]∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}. 在(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)中,[σa(T)σea(T)∪PD(T)∪π00(T)]∩[accσea(T)∪accσk(T)]=?.下面利用accσea(T)∪accσk(T)刻畫(ω)性質(zhì)和(UWπ)性質(zhì). 推論1.2設(shè)算子T∈B(H),則下列敘述等價: (1)T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì); (2)σb(T)=accσea(T)∪accσk(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪[acc {λ∈:n(T-λI) (3)σb(T)=σD(T)=accσea(T)∪accσk(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪[acc {λ∈:n(T-λI) (4)σb(T)=accσea(T)∪acc isoσ(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪[acc {λ∈:n(T-λI) (5)σb(T)=σD(T)=accσea(T)∪acc isoσ(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪[acc {λ∈:n(T-λI) 證明(1)?(2). 只需證σb(T)?accσea(T)∪accσk(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪[acc {λ∈:n(T-λI) 對任意的λ0?accσea(T)∪accσk(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪[acc {λ∈:n(T-λI) 斷言:λ0?σD(T). 事實(shí)上,若λ0∈σD(T),由λ0∈isoσa(T)以及λ0?{λ∈isoσa(T)∩σD(T):n(T-λI)=∞}知0 情形1 設(shè)λ0?acc {λ∈:n(T-λI) 根據(jù)λ0∈isoσa(T),此時λ0∈isoσ(T),于是λ0∈π00(T). 由T具有(ω)性質(zhì)知λ0∈σ0(T),這與λ0∈σD(T)矛盾. 情形2 設(shè)λ0?σc(T). 此時T-λ0I是上半Fredholm算子,且n(T-λ0I)>0. 由λ0∈isoσa(T)知λ0∈σa(T)σea(T). 由算子T具有(ω)性質(zhì)知,λ0?σD(T),再次矛盾. 于是斷言λ0?σD(T)成立,即λ0∈PD(T). 由算子T具有(UWπ)性質(zhì)知λ0?σb(T). (2)?(1). 由條件知, accσea(T)∪accσk(T)?σea(T)∩accσ(T), acc {λ∈:n(T-λI) {λ∈isoσa(T)∩σD(T):n(T-λI)=∞}∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}. 從而σb(T)?[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪{λ∈σD(T):(T-λI)=∞}. 所以σb(T)=σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞},由定理1.1可知T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì). 同理可證(1)和(3)的等價性,(1)和(4)的等價性以及(1)和(5)的等價性. 注解1.2在推論1.2中,當(dāng)算子T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)時,σb(T)分解的5部分缺一不可. 例1設(shè)T∈B(l2)定義為T(x1,x2,x3,…)=(x2,x3,x4,…). 經(jīng)計(jì)算得 (1)σa(T)=σea(T)={λ∈:|λ|≤1},π00(T)=PD(T)=?,則算子T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì); (2) accσk(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}∪[acc {λ∈:n(T-λI) 從而accσea(T)不能缺失. 例3設(shè)T∈B(l2)定義為T(x1,x2,x3,…)=(0,x1,x2,x3,…). 經(jīng)計(jì)算得σb(T)≠accσea(T)∪accσk(T)∪[acc {λ∈:n(T-λI) 同理可證得下列結(jié)論. 推論1.3 設(shè)算子T∈B(H),則下列敘述等價: (1)T為isoloid算子且具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì); (2)σb(T)=accσea(T)∪accσk(T)∪[ρa(bǔ)(T)∩σ(T)]∪[acc {λ∈:n(T-λI) (3)σb(T)=accσea(T)∪acc isoσ(T)∪[ρa(bǔ)(T)∩σ(T)]∪[acc {λ∈:n(T-λI) (4)σb(T)=σD(T)=accσea(T)∪acc isoσ(T)∪[ρa(bǔ)(T)∩σ(T)]∪[acc {λ∈:n(T-λI) 由升降標(biāo)及譜集之間的關(guān)系知,當(dāng)λ0∈?σ(T)且des(T-λ0I)<∞時,λ0∈PD(T)[8,定理2.1〗. 下面繼續(xù)討論,算子T具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)的判定條件. 令ρdes(T)={λ∈:des(T-λI)<∞},σdes(T)=ρdes(T). 由文獻(xiàn)[8]中引理2.4知,ρdes(T)?為開集,從而σdes(T)為閉集. 在上面的定理及推論中,將“{λ∈isoσa(T)∩σD(T):n(T-λI)=∞}”或者“{λ∈σD(T):n(T-λI)=∞}”改為“{λ∈σdes(T):n(T-λI)=∞}”,結(jié)論仍然成立. 推論1.4設(shè)T∈B(H),則 (1)T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)當(dāng)且僅當(dāng)σb(T)=accσ(T)∪{λ∈σdes(T):n(T-λI)=∞}=σea(T)∪{λ∈σ(T):n(T-λI)=0}. (2)T為isoloid的且同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)當(dāng)且僅當(dāng)σb(T)=accσ(T)∪{λ∈σdes(T):n(T-λI)=∞}=σea(T)∪[ρa(bǔ)(T)∩σ(T)]. 當(dāng)算子T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)時,并不能推出其算子函數(shù)同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì). 例如:設(shè)A,B∈B(l2)定義為 A(x1,x2,x3,…)=(0,x1,x2,…);B(x1,x2,x3,…)=(x2,x3,…), 下面討論算子函數(shù)同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)的條件. 需要下列事實(shí)[9,定理2.2〗:對任意的多項(xiàng)式p,p(σea(T))=σea(p(T))當(dāng)且僅當(dāng)?λ,μ∈ρSF+(T),都有ind(T-λI)·ind(T-μI)≥0. 定理2.1設(shè)T∈B(H),則對任意的多項(xiàng)式p,p(T)同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)當(dāng)且僅當(dāng) (1)T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì); (2) ?λ,μ∈ρSF+(T),ind(T-λI)·ind(T-μI)≥0; (3) 若σ0(T)≠?,則σb(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈:n(T-λI)=∞}. 證明必要性. (1) 顯然成立. (2) 若存在λ0,μ0∈ρSF+(T),使得ind(T-λ0I)>0,ind(T-μ0I)<0. 顯然T-λ0I為Fredholm算子. 設(shè)ind(T-λ0I)=n>0,ind(T-μ0I)=-m<0,其中m為正整數(shù)或者+∞. 若m為正整數(shù),設(shè)p(x)=(x-λ0)m(x-μ0)n. 則p(T)為Weyl算子且n(p(T))>0,即0∈σa(p(T))σea(p(T)). 由于p(T)滿足(ω)性質(zhì),于是p(T)為Browder算子,從而T-λ0I為Browder算子,即ind(T-λ0I)=0,這就與ind(T-λ0I)=n>0矛盾;若m=+∞,設(shè)p(x)=(x-λ0)(x-μ0),同樣可知0∈σa(p(T))σea(p(T)). 類似于上面證明,再次得到矛盾. (3) 若σ0(T)≠?,此時一定有σa(T)=σ(T). 事實(shí)上,取λ1∈σ0(T). 設(shè)T-λ2I下有界,令p(T)=(T-λ1I)(T-λ2I),則0∈σa(p(T))σea(p(T)). 由p(T)滿足(ω)性質(zhì)知p(T)為Browder算子,從而T-λ2I為Browder算子. 結(jié)合T-λ2I為下有界算子,于是T-λ2I可逆. 所以σa(T)=σ(T). 任給λ0?[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈:n(T-λI)=∞},則n(T-λ0I)<∞. 若λ0?σea(T),則λ0∈ρa(bǔ)(T)∪[σa(T)σea(T)],于是λ0∈[ρ(T)∪σ0(T)],從而λ0?σb(T). 若λ0?accσ(T),不妨設(shè)λ0∈isoσ(T). 選取λ1∈σ0(T). 令σ1={λ0},σ2={λ1},σ3=σ(T)[σ1∪σ2]. 由文獻(xiàn)[10]中定理2.10可知,T可分解為 其中σ(Ti)=σi. 令F0(z)=(z-λ0)(z-λ1),則 同時σ(F0(T1))=σ(F0(T2))={0}且0?σ(F0(T3)),于是0∈isoσ(F0(T)). 又由于0 這樣就有σb(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈:n(T-λI)=∞}. 對充分性,分兩種情況討論. 情況1 設(shè)σ0(T)=?. 由T滿足(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)可知σa(T)=σea(T)且π00(T)=PD(T)=?.σa(·)滿足譜映射定理,由條件(2) 知σea(·)也滿足譜映射定理,于是對任意的多項(xiàng)式p,σa(p(T))=p(σa(T))=p(σea(T))=σea(p(T)). 又由于π00(p(T))?p(π00(T))以及PD(p(T))?p(PD(T))知π00(p(T))=PD(p(T))=?. 由此可看出對任意的多項(xiàng)式p,p(T)同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì). 情況2 設(shè)σ0(T)≠?. 由條件(3)知σb(T)=σea(T),且T為isoloid算子. 對任意多項(xiàng)式p,設(shè)μ0∈π00(p(T)),并且設(shè)p(T)-μ0I=a(T-λ1I)n1(T-λ2I)n2…(T-λkI)nk,其中λi≠λj(i≠j). 不妨設(shè)λi∈σ(T). 由于T為isoloid算子且n(T-λiI)≤n(p(T)-μ0I)<∞知λi∈π00(T). 由T滿足(ω)性質(zhì)知T-λiI為Browder算子,于是p(T)-μ0I為Browder算子,即π00(p(T))?σa(p(T))σea(p(T)). 反之,設(shè)μ0∈σa(p(T))σea(p(T)),且令 p(T)-μ0I=a(T-λ1I)n1(T-λ2I)n2…(T-λkI)nk, 其中λi≠λj(i≠j). 由條件(2)知ind(T-λiI)≤0,于是對每一個i,都有λi?σea(T). 由σea(T)=σb(T)知T-λiI為Browder 算子. 所以p(T)-μ0I為Browder算子,即λ0∈π00(p(T)). 因此p(T)滿足(ω)性質(zhì). 對(UWπ)性質(zhì),由上面的證明過程可知,對于任意的多項(xiàng)式p,都有σa(p(T))σea(p(T))?π00(p(T)),則σa(p(T))σea(p(T))?PD(p(T)). 任給μ0∈PD(p(T)),仍然設(shè)p(T)-μ0I=a(T-λ1I)n1(T-λ2I)n2…(T-λkI)nk,其中λi≠λj(i≠j). 不妨設(shè)λi∈σ(T),又由于σD(·)滿足譜映射定理,于是λi?σD(T). 結(jié)合T滿足(UWπ)性質(zhì),T-λiI為Browder算子,因而p(T)-μ0I為Browder 算子. 因此μ0∈σa(p(T))σea(p(T)). 于是p(T)滿足(UWπ)性質(zhì). 在定理2.1中,將條件(3)改為“若σ0(T)≠?,則σb(T)=accσea(T)∪accσk(T)∪{λ∈:n(T-λI)=∞}”或者“若σ0(T)≠?,則σb(T)=accσea(T)∪acc isoσ(T)∪{λ∈:n(T-λI)=∞}”,或“若λ0(T)≠?,則σb(T)=accσa(T)∪{λ∈σdes(T):n(T-λI)=∞}”,結(jié)論仍成立. 若σb(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈:n(T-λI)=∞},則任給λ∈ρSF+(T),都有ind(T-λI)≥0. 于是有下面的推論2.1. 推論2.1設(shè)算子T∈B(H),則對任意的多項(xiàng)式p,p(T)具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)當(dāng)且僅當(dāng)算子T同時具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì),且下列之一成立: (1)σb(T)=[σea(T)∩accσ(T)]∪{λ∈:n(T-λI)=∞}; (2)σa(T)=σea(T),且?λ,μ∈ρSF+(T),都滿足ind(T-λI)·ind(T-μI)≥0. 證明必要性. 若σ0(T)=?,由定理2.1知(2)成立. 而當(dāng)σ0(T)≠?,由定理2.1知(1)成立. 充分性. 若(1)成立,則定理2.1中的條件(1)~(3)均滿足,故由定理2.1知對任意的多項(xiàng)式p,p(T)具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì). 若(2)成立,由于T滿足(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì),于是σ0(T)=?.再次由定理2.1知對任意的多項(xiàng)式p,p(T)具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì). 若對任意的多項(xiàng)式p,p(T)均滿足(ω)性質(zhì),可證得定理2.1中的(2)和(3)均成立. 又由于σD(·)滿足譜映射定理,可知下列結(jié)論:設(shè)T∈B(H)具有(UWπ)性質(zhì). 若對任意的多項(xiàng)式p,p(T)均滿足(ω)性質(zhì),則對任意的多項(xiàng)式p,p(T)均滿足(UWπ)性質(zhì). 例2.1設(shè)T∈B(l2)定義為T(x1,x2,x3,…)=(0,x1,x2,x3,…),則T滿足定理2.1中的條件(1)~(3),于是對任意的多項(xiàng)式p,p(T)具有(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì).2 算子函數(shù)的(UWπ)性質(zhì)和(ω)性質(zhì)