1. Mértékelméleti összefoglaló

Átírás

1 1. Mértékelméleti összefoglaló Legyen A egy halmaz részhalmazaiból álló σ-algebra Közönséges mértékek és valós függvények Az A-n adott µ (közönséges) mérték egy nemnegatív értékű σ-additív leképezés, amely a végtelen értéket is felveheti. (σ-additív: megszámlálható sok diszjunkt halmaz uniójának a mértéke a halmazok mértékének az összege). A σ-additivitásból következik, hogy a mérték alulról és felülről félig folytonos, azaz monoton növő halmazsorozat uniójának, illetve monoton csökkenő halmazsorozat metszetének a mértéke a halmazok mértékéből álló sorozat határértéke. Egy E A halmazt µ-nullának hívunk, ha µ(e) = 0. A µ-majdnem mindenütt egyszerűsített írással µ-mm. azt jelenti, hogy egy µ-nulla halmaz kivételével. Például az f és g függvény µ-mm. egyenlő, ha az a halmaz, ahol nem egyenlők, µ-nulla. Egy ϕ := c i χ Ei (1) i alakú függvényt A-lépcsős függvénynek hívunk, ha i tetszőleges véges halmazt fut végig, c i R, E i A és E i E j = i j esetén. Egy f : R függvény A-mérhető, ha minden valós Borel-halmaz f általi ősképe A-ban van. Ez egyenérték azzal, hogy f A-lépcsős függvények sorozatának pontonkénti határértéke. A fenti alakú A-lépcsős függvény µ-integrálható, ha i c i µ(e i ) < ; ekkor ϕdµ := i c iµ(e i ). Az f : R függvény µ-integrálható, ha van olyan ϕ n (n N) µ- integrálható A-lépcsős függvény sorozat, amely µ-mm. konvergál f-hez, és lim nm ϕ n ϕ m dµ = 0, és ekkkor fdµ := lim n ϕ n dµ. Ez a definíció szemléletesen, jól mutatja az integrálhatóság lényegét, azonban az integrálemélet különféle felépítéseiben más definíciókat használnak, és ott állításként jelenik meg, hogy egy függvény pontosan akkor µ-inh, ha a fenti tulajdonsággal rendelkezik (ugyanis ebből a definícióból nem sikerül közvetlenül származtatni az integrálás alapvető tételeit). A szokásos felépítesek egyik lépése, amit mi többször is ki fogunk használni az az, hogy egy nem negatív f mérhető függvényhez mindig létezik A-lépcsős függvények monton növő ϕ n sorozata úgy, hogy f = lim n ϕ n, és a lépcsős függvények integráljának a határértéke, ha létezik, lesz az f integrálja. µ-integrálható függvények összege és számszorosa is µ-integrálható. Egy f függvény µ-integrálható az E A halmazon, ha χ E f µ-integrálható, és ekkor fdµ := χ E fdµ. E Egyszerű tények: ha f, g µ-integrálható és f g µ-mm., akkor fdµ gdµ,

2 f akkor és csak akkor µ-integrálható, ha f µ-integrálható, és ekkor fdµ f dµ. Az integrálás alaptételei a következők. 1. Állítás. (B. Levi tétele) 1. Legyen f n µ-integrálható, f n f n+1 (n N) és létezzen lim n f ndµ. Ekkor létezik µ-mm. lim n f n, amely µ-integrálható, és (lim f n )dµ = lim f n dµ. n n 2. Legyen g n µ-integrálható (n N) és n g n dµ <. Ekkor a n g n függvénysor µ-mm. abszolút konvergens, n g n µ-integrálható és ( g n )dµ = g n dµ. n n 2. Állítás. (Lebesgue tétele) Legyen f n µ-integrálható és létezzen g µ-integrálható úgy, hogy f n g (n N), továbbá létezzen µ-mm. lim n f n. Ekkor létezik lim n f ndµ, továbbá lim n f n µ-integrálható, és (lim f n )dµ = lim f n dµ. n n 3. Állítás. (Fatou lemmája) Legyen 0 f n µ-integrálható és létezzen olyan a R +, hogy f ndµ a (n N). Ha létezik µ-mm. lim n f n, akkor ez integrálható, és (lim f n )dµ lim inf f n dµ. n n 1.2. Komplex mértékek és komplex függvények Az A-n adott µ komplex mérték egy komplex értékű σ-additív leképezés. Ez annyival bonyolultabb a korábban tárgyalt (közönséges) mértéknél, hogy komplex értékű, de annyival egyszerűbb, hogy végtelen értéke nem lehet. A µ komplex mérték teljes variációja a µ közönséges mérték, amelyet a µ (E) := sup{ i µ(e i ) : A = i E i, E i E j =, i j} formula határoz meg, ahol a szuprémum az E összes lehetséges véges diszjunkt feloszására vonatkozik. Megjegyezzük, hogy µ(e) = 0 egyenértékű azzal, hogy µ (A) = 0. Az f : C függény A-mérhető, ha mind a valós, mind a képzetes része A-mérhető. Ez egyenértékű azzal, hogy minden komplex Borel-halmaz f általi ősképe A-ban van. A komplex értékű A-lépcsős függvények (1) alakúak úgy, hogy az együtthatók komplex számok. Egy komplex értékű A-lépcsős függvény µ-integrálható, ha i c i µ (E i ) < ; ekkor ϕdµ := i c iµ(e i ).

3 Az f : C függvény µ-integrálható, ha van olyan ϕ n (n N) µ- integrálható komplex értékű A-lépcsős függvény sorozat, amely µ-mm. konvergál f-hez, és lim nm ϕ n ϕ m d µ = 0, és ekkkor fdµ := lim n ϕ n dµ. µ-integrálható függvények összege és számszorosa is µ-integrálható. Egy f függvény µ-integrálható az E A halmazon, ha χ E f µ-integrálható, és ekkor fdµ := χ E fdµ. E Egyszerű tény, hogy f akkor és csak akkor µ-integrálható, ha f µ integrálható, és ekkor fdµ f d µ. Az alapvető integráltételek értelemszerűen igazak maradnak. Nevezetesen, B. Levi tételének az 1. változata nem értelmes (a rendezés miatt), a 2. változata úgy, hogy n g n d µ <, Lebesgue tétele érvényes, Fatou lemmája nem értelmes. 4. Állítás. Ha h : C µ-integrálható, akkor hµ : A C, E hdµ komplex mérték, amelyre hµ = h µ teljesül, azaz hµ (E) = E h d µ. Továbbá, az f : C függvény pontosan akkor hµ-integrálható, ha f h µ-integrálható, és ekkor f(hµ) = (fh)µ. 2. Projektormértékek 2.1. Orto-σ-homomorfizmusok A kvantummechanikában egy fizikai rendszer eseményeit egy P(H) Hilberthálóval modellezzük. Egy véges dimenziós V vektortér értékű fizikai mennyiség B(V ) P(H) orto-σ-homomorfizmus. A továbbiakban a mértékelmélet fogalmait fogjuk használni, ezért egy kicsit általánosabb keretek között tárgyaljuk a fizikai mennyiségeket. Legyen tehát adott egy halmaz részhalmazaiból álló A σ-algebra, és P : A P(H) ortoσ-homomorfizmus (itt tehát P nem egy projektort jelöl, hanem egy projektor értékű leképezést). Tudjuk, hogy és persze P ( ) = 0, E P () = I (2) P (E ) = I P (E); mivel P értékkészlete disztributív, tehát kommutatív, így előző eredményeink alapján P (E F ) = P (E)P (F )

4 minden E, F B(R) esetén. Továbbá, ha E n (n N) páronként diszjunkt Borel-halmazok, akkor ( ) P E n = (s) P (E n ). (3) n N n N A felsorolt tulajdonságokat amelyek az orto-σ-homomorfizmusság következményei fogjuk minduntalan használni. (2) és (3) alapján a matematikában meghonosodott elnevezés szerint P -t projektormértéknek fogjuk hívni; ez a két tulajdonság már maga után vonja a többit: 5. Állítás. Legyen P : A P(H) olyan leképezés, amely teljesíti a (2) és (3) egyenlőségeket. Ekkor P orto-σ-homomorfizmus. Bizonyítás Az üres halmaz önmagától diszjunkt, ezért P ( ) = P ( n ) = (s) n P ( ), amiből P ( ) = 0. Következésképpen P additív is, nem csak σ- additív (véges sok diszjunkt halmaz unióját kiegészítve megszámlálható sokszor a üres halmaz uniójával). Ezért a továbbiakban E, F A I = P (E E ) = P (E) + P (E ), azaz P (E ) = I P (E) = P (E). (4) Továbbá, ha E F, akkor P (F ) = P (E (F \ E)) = P (E) + P (F \ E) amikből egyrészt P (E) P (F ), másrészt következik. Ezután bármely E, F esetén P (F \ E) = P (F ) P (E) P (E F ) = P (E (F \ (E F )) = P (E) + P (F ) P (E F ). Átrendezve, majd négyzetre emelve és kihasználva, hogy egy projektornak egy nála nagyobb egyenlővel vett bármely sorrendű szorzata egyenlő a projektoral, ezt kapjuk:p (E F ) = P (E) + P (F ) + P (E F ) + P (E)P (F ) + P (F )P (E) 2P (E) 2P (F ), amiből 2P (E F ) = P (E)P (F ) + P (F )P (E). Minthogy a bal oldalon az E és F szerepe szimmetrikus, végül arra jutunk, hogy P (E F ) = P (E)P (F ) = P (F )P (E). Ennek következményeként véges sok halmaz metszetéhez rendelt projektor az egyes halmazokhoz rendelt projektrok szorzata, megszámlálható sok halmaz metszetéhez rendelt projektort pedig a korábban bizonyított állítás szerint a véges metszetek erős limeszeként kapjuk; így végül ( ) P E n = P (E n ). (5) n N n N Az (4) és (5) tulajdonság biztosítja, hogy P valóban orto-σ-homomorfizmus.

5 2.2. Projektormértékkel kapcsolatos komplex mértékek Legyen P : A P(H) projektormérték és y, x H. Ekkor µ y,x : B(R) C, E y, P (E)x nyilvánvalóan komplex mérték, amelyre µ y,x = µ x,y teljesül, Rögzített y esetén x µ y,x lineáris, és rögzített x esetén y µ y,x konjugált lineáris. Az is világos, hogy µ x,x közönséges mérték és µ x,x () = x 2, továbbá µ cx,cx = c 2 µ x,x minden c komplex számra. Egyszerű számolás adja a µ x+y,x+y + µ x y,x y = 2µ x,x + 2µ y,y négyszögegyenlőséget, amiből Ugyancsak egyszerű tény, hogy µ x+y,x+y (E) 2µ x,x (E) + 2µ y,y (E). µ y,x (E) 2 = y, P (E)x 2 = P (E)y, P (E)x 2 6. Állítás. µ y,x (E) µ y,y (E) µ x,x (E). P (E)y 2 P (E)x 2 = µ y,y (E)µ x,x (E). Bizonyítás Legyen E = n i=1 E i diszjunkt unió. Ekkor n µ y,x (E i ) i=1 n i=1 µ y,y (E i ) µ x,x (E i ) n µ y,y (E i ) n µ x,x (E i ) = i=1 i=1 µ y,y (E) µ x,x (E). A második egyenlőtlenségnél az R n -beli Cauchy-egyenlőtlenséget használtuk. A jobb oldal független az E diszjunkt felosztásától, ezért a felosztásokra vett szuprémumra is fennáll az egyenlőtlenség. 7. Állítás. χ E µ y,x = µ y,p (E)x = µ P (E)y,x = µ P (E)y,P (E)x. Bizonyítás (χ E µ y,x )(F ) := µ y,x (E F ) = y, P (E F )x; ezután azt kell kihasználni, hogy P (E F ) = P (E)P (F ) = P (F )P (E) = P (E)P (F )P (E) és P (E) = P (E). 8. Állítás. Ha g : C négyzetesen integrálható a µ y,y mérték szerint és f : C négyzetesen integrálható a µ x,x mérték szerint, akkor gf integálható a µ y,x komplex mérték szerint, és gf d µ y,x g 2 dµ y,y f 2 dµ x,x.

6 Bizonyítás Tekintsünk először a g helyébe a ϕ és az f helyébe a ψ nemnegatív lépcsős függvényt. Ekkor léteznek olyan E i diszjunkt halmazok, hogy Ekkor gfd µ y,x = ϕ = 2 b i χ Ei, ψ = i=n n b i c i µ y,x (E i ) i=1 n i=1 2 a i χ Ei. i=n n b 2 i µ y,y (E i ) n a 2 i µ x,x (E i ) = = i=1 i=1 ϕ 2 dµ y,y ψ 2 dµ x,x. b i µ y,y (E i )a i µ x,x (E i ) Legyen ezután ϕ n és ψ n (n N) olyan monoton növekvő lépcsősfüggvénysorozat, amely g -hez, illetve f -hez konvergál. Ekkor ϕ n ψ n monoton növekvő, a gf -hez konvergáló sorozat, és ϕ n ψ n d µ y,x ϕ n 2 dµ y,y ψ n 2 dµ x,x g 2 dµ y,y f 2 dµ x,x. Ezért B.Levi tétele értelmében a függvénysorozat határértéke, azaz gf µ y,x -integrálható, és az integráljára igaz a kívánt egyenlőség. Az integrálhatóságra vonatkozó ismereteink szerint a bebizonyítottakból már következik, hogy gf integrálható µ y,x szerint. Vegyük az előbbi eredményünkban a g = 1 függvényt, és alkalmazzuk az integrálok abszolút értékére az ismert becslést, hogy megkapjuk a következő eredményt: 9. Állítás. Ha f négyzetesen integrálható µ x,x szerint, akkor f integrálható µ y,x szerint minden y esetén, és fdµ y,x f d µ y,x f 2 dµ x,x y Integrálás projektormérték szerint Legyen f : C A-mérhető függvény. Definiáljuk f-hez az E n := {s f(s) n} (n N) (6) halmazokat, amelyek az A elemei. Nyilvánvaló, hogy E n E n+1 és n N E n =. Vezessük be D f := {x H f L 2 (µ x,x )} jelölést.

7 10. Állítás. D f mindenütt sűrű lineáris altér. Bizonyítás A négyszögegyenlőségből következő egyenlőtlenség alapján L 2 (µ x,x ) L 2 (µ y,y ) L 2 (µ x+y,x+y ; ebből és a µ cx,cx = c 2 µ x,x egyenlőségből következik, hogy D f lineáris altér. Legyen E n az (6)-ben adott halmaz. Ekkor P (E n )x D f minden x- re, ugyanis µ P (En)x,P (E n)x = χ En µ x,x és f 2 µ P (En)x,P (E n)x-integrálhatósága egyenértékű az f 2 χ (korlátos) mérhető függvénynek a (korlátos) µ E n x,x mérték szerinti integrálhatóságával, és ez utóbbi nyilvánvaló. Viszont x P (E n )x 2 = P ( \ E n )x 2 = µ x,x ( \ E n ), és a mértékek félig folytonossága szerint lim n µ x,x ( \ E n ) = 0; tehát minden x előáll D f -beli sorozat határértéként, így D f mindenütt sűrű. Megemlítendő, hogy ha f korlátos, akkor D f = H. A 9 állítás alapján értelmes a H D f C, (y, x) fdµ y,x leképezés, amely a második változójában lineáris, az első változójában konjugált lineáris és korlátos; ez utóbbi miatt a Riesz-féle reprezentációs tétel szerint létezik egyértelműen egy ˆP (f)x-szel jelölt vektor úgy, hogy y, ˆP (f)x = fdµ y,x (y H, x D f ). (7) Az említett linearitás miatt x ˆP (f)x lineáris. Összefoglalva: 11. Állítás. Minden f mérhető függvényhez létezik egyértelműen egy D f -en értelmezett ˆP (f) operátor úgy, hogy (7) teljesül. ˆP (f) elnevezése: f-nek a P szerinti integrálja. A ˆP (f) jelölés házi használatú, a matematikai irodalomban ismert, fdp jelölés helyett. Egyszerű tény, hogy az E mérhető halmazra ˆP (χ E ) = P (E). Ennek megfelelő a 7 állítás általánosítása: 12. Állítás. fµ y,x = µ y, ˆP (f)x minden y H, x D f esetén. Bizonyítás (fµ y,x )(E) := fχ E dµ y,x = fdχ E µ y,x ) = fdµ P (E)y,x = = P (E)y, ˆP (f)x = y, P (E) ˆP (f)x = µ y, ˆP (f)x (E). Teljesen hasonlóan, ha y a D g eleme, akkor g µ y,x = µ ˆP (g)y,x. Vegyük azt is észre, hogy ezek szerint y, ˆP (f)x = µ y, ˆP (f)x (). Az előzekből adódóan minden E mérhető halmaz esetén P (E) ˆP (f) ˆP (f)p (E) = ˆP (fχ E ) (8)

8 teljesül. Ugyanis a következő kijelentések egyenértékűek: x D fχe fχ E L 2 (µ x,x ) f L 2 (χ E µ x,x ) f L 2 (µ P E)x,P (E)x ) P (E)x D f ; továbbá y, ˆP (f)p (E)x = ( ) fµ y,p (E)x () = (fχe µ y,x ) () = ) = (χ E µ y, ˆP (f)x () = y, P (E) ˆP (f)x. 13. Állítás. Ha x D f, akkor ˆP (f)x 2 = Bizonyítás f 2 dµ x,x ˆP (f)x 2 = ˆP (f)x, ˆP (f)x = µ ˆP (f)x, ˆP (f)x () = (f fµ x,x ) () = = f 2 dµ x,x. 14. Állítás. ˆP (f) = ˆP (f ), ahol természetesen a bal odalon a csillag az adjungáltat, a jobb oldalon a komplex konjugáltat jelöli. Bizonyítás Ha y, x D f, akkor a (7) formula szerint y, ˆP (f)x = ˆP (f )y, x, ami azt mondja, hogy ˆP (f ) ˆP (f). Korlátos f-re egyenlőség áll, mert ekkor D f = H. Az (6) E n halmazokkal fχ korlátos, tehát ˆP E (f χ ) = ˆP n E (fχ ) n E, amiből ( ), n ˆP (f )P (E n ) = ˆP (f)p (En ) majd ˆP (f )P (E n ) P (E n ) ˆP (f) következik. Ha tehát x a ˆP (f) értelmezési tartományának eleme, akkor lim n ˆP (f )P (E n )x = ˆP (f) x. Ezek után azt kell csak megmutatnunk, hogy x benne van ˆP (f ) értelmezési tartományában, és a bal olal határtéke ˆP (f )x. Íme: létezik lim n ˆP (f )P (E n )x 2 = f 2 χ E n dµ x,x; az integrandus monoton növő sorozat, ezért B. Levi tétele szerint a határérték-függvény µ-integrálható, azaz x D f = D f ; továbbá ˆP (f )x ˆP (f )P (E n )x 2 = ˆP (f )(I P (E n ))x 2 = f 2 (1 χ En )dµ x,x, és Lebesgue tétele szerint a jobb oldal a nullához tart, miközben n tart a végtelenhez. Egy egyszerű példa a projektormérték szerinti integrálásra a következő. Legyenek P n (n N) páronként egymásra merőleges projektorok úgy, hogy (s) n P n = I, továbbá λ n C, és P : B(C) P(H), E (s) {n λ n E} Ekkor µ y,x = n y, P nx δ λn (Dirac-delták) és f : C C esetén x D f pontosan akkor, ha n f(λ n) 2 P n x 2, és ekkor ˆP (f)x = n f(λ n)p n x. Ennek egyszerűsített változata, ha λ n = n, és a természetes számok halmazát önmagában tekintjük, nem a komplex számok részhalmazának, továbbá H = l 2 és P n az x l 2 sorozathoz azt a sorozatot rendeli, amelynek az n-ik tagja x n, az összes többi taja nulla; ekkor µ y,x = n y nx n δ n (Dirac-delta) és x D f pontosan akkor, ha n f(n) 2 x 2 n ; ekkor ˆP (f)x = ( f(n)x n ) n N. P n.

9 2.4. A projektormérték szerinti integrálás algebrai tulajdonságai 15. Állítás. Legyen f és g mérhető függvény. Ekkor (i) ˆP (cf) = c ˆP (f) (0 c C), (ii) ˆP (f + g) ˆP (f) + ˆP (g), (iii) ˆP (fg) ˆP (f) ˆP (g), és Dom ( ) ( ) ( ) ˆP (f) ˆP (g) = Dom ˆP (fg) Dom ˆP (g). Bizonyítás (i) nyilvánvaló; azért kell kizárni a nullát, mert ekkor a bal oldalon a mindenütt értelmezett nulla operátor áll, míg a jobb oldalon csak a D f halmazon értelmezett nulla operátor. (ii) Mivel négyzetesen integrálható függvények összege is négyzetesen integrálható, D f D g D f+g igaz, vagyis a jobb oldal értelmezési tartománya része a bal oldal értelmezési tartományának. Ha x D f D g, akkor bármely y-ra y, ( ) ˆP (f) + ˆP (g) x = fdµ y,x + gdµ y,x = (f + g)dµ y,x = y, ˆP (f + g)x. (iii) Először bebizonyítjuk az értelmezési tartományokra vonatkozó állítást. Ha x a bal oldal eleme, akkor g 2 µ x,x -integrálható és f 2 integrálható a µ ˆP (g)x, ˆP (g)x = g 2 µ x,x mérték szerint, ami azt jelenti, hogy f 2 g 2 = fg 2 µ x,x -ih, azaz x benne van a jobb odalban is. Ha viszont x a jobb oldal eleme, azaz fg 2 és g 2 is µ x,x -integrálható, akkor f 2 integrálhgató a g 2 µ x,x = µ ˆP (g)x, ˆP (g)x mérték szerint, azaz x benne van a bal oldalban is. Ha x Dom ( ) ˆP (f) ˆP (g), akkor bármely y-ra y, ˆP (f) ˆP (g)x = fgdµ y,x = fd(gµ y,x ) = fdµ y, ˆP (g)x = y, ˆP (f) ˆP (g)x. Egyszerű adódnak az egyenlőségekre vonatkozó következő összefüggések: (i) ˆP (f + g) = ˆP (f) + ˆP (g) pontosan akkor, ha D f+g D f vagy D f+g D g ; speciálisan egyenlőség áll, ha ˆP (f) vagy ˆP (g) közül az egyik mindenütt értelmezett. (ii) ˆP (fg) = ˆP (f) ˆP (g) pontosan akkor, ha D fg D g ; speciálisan egyenlőség áll, ha ˆP (g) mindenütt értelmezett. Megjegyezzük, hogy persze f és g sorrendje felcserélhető, ezért úgy érdemes megjegyezni az eredményünket, hogy egyenlőség áll, ha a szorzatban második operátor mindenütt értelmezett. Előfordulhat, hogy ˆP (fg) = ˆP (f) ˆP (g), de ˆP (fg) ˆP (g) ˆP (f); ezt láttuk például (8)-ben A projektor-integrálással előállított operátorok jellemzése 16. Állítás. Bármely f mérhető függvény esetén ˆP (f) normális operátor, azaz (i) ˆP (f) értelmezési tartománya mindenütt sűrű, és egyenlő a ˆP (f) értelmezési tartományával, (ii) ˆP (f) zárt operátor, (iii) ˆP (f) ˆP (f) = ˆP (f) ˆP (f).

10 Bizonyítás (i) és (ii) egyszerű, mert D f = D f sűrű, továbbá ˆP (f) = ˆP (f ), és egy adjungált operátor zárt. (iii) sem nehéz: mivel xx véges mérték, D f 2 D f igaz, ezért az előző eredményeink szerint ˆP (f) ˆP (f) = ˆP (f) ˆP (f ) = ˆP ( f 2 ) és ˆP (f) ˆP (f) = ˆP (f ) ˆP (f) = ˆP ( f 2 ). A zártgrafikon-tételből azonnal adódik: 17. Állítás. ˆP (f) akkor és csak akkor folytonos, ha Df = H Majdnem mindenütt Egy E mérhető halmazt P -nullának mondunk, ha P (E) = 0. Igen egyszerű tény, hogy a következők ekvivalensek egy mérhető halmazra: (i) P -nulla, (ii) µ x,x -nulla minden x esetén, (iii) µ y,x -nulla és egyben µ y,x -nulla minden y, x essetén. Ugyanúgy, mint a mértékelméletben, bevezetjük a P -mm. fogalmát: egy P -nulla halmaz kivételével. 18. Állítás. Az f és g mérhető fügvényre ˆP (f) = ˆP (g) akkor és csak akkor teljesül, ha f = g P -mm. Bizonyítás Ha f = g P -mm., akkor az előző (ii) pont értelmében D f = D g, továbbá (iii) szerint fdµ y,x = gdµ y,x minden y H és x D f = D g esetén. Ha ˆP (f) = ˆP (g), akkor D f = D g és igaz az integrálokra a fenti egyenlőség, amiből ismét a (iii) szerint f = g P -mm. Megjegyezzük, ˆP (f) = ˆP (g) helyett elég megkövetelni, hogy ˆP (f)x = ˆP (g)x teljesüljön minden x D f D g esetén. Az előző és az itteni eredményeink alapján nyilvávnaló: 19. Állítás. A ˆP (f) operátor akor és csak akkor (i) önadjungált, ha f = f P -mm., (ii) unitér, ha ff = 1 azaz f = 1 P -mm., (iii) projektor, ha f 2 = f P -mm., azaz van olyan E mérhető halmaz, hogy f = χ E P -mm. Az f mérhető függvényt P -mm. korlátosnak mondjuk, ha van olyan α pozitív szám, hogy {s f(s) > α} P -nulla halmaz, és ekkor Minthogy f := inf{s f(s) > α}. α {s f(s) > f } = n N{s f(s) > f + 1 n } és a jobb oldalon P -nulla halmazok uniója áll, a bal oldal is P -nulla. 20. Állítás. A ˆP (f) operátor akkor és csak akkor korlátos (másként: folytonos), ha f P -mm. korlátos, és ekkor ˆP (f) = f.

11 Bizonyítás Ha f P -korlátos, akkor nyivánvaló, hogy D f = H, továbbá fdµ y,x f d µ y,x f y x, tehát ˆP (f) korlátos és ˆP (f) f. Ha ˆP (f) korlátos, akkor D f = H. Legyen ϵ > 0 és E ϵ := {s f(s) > f + ϵ}. Ekkor minden x esetén egyrészt másrészt ˆP (fχ Eϵ ) 2 = ˆP (f)p (E ϵ ) 2 ˆP (f) 2 µ x,x (E ϵ ), ˆP (fχ ) 2 E = ϵ f 2 χ Eϵ dµ x,x ( ˆP (f) + ϵ) 2 µx,x (E ϵ ). Ez a két egyenlőtlenség egyszerre csak úgy állhat fenn, ha µ x,x (E ϵ ) = 0 minden x-re, azaz E ϵ P -nulla; következésképpen f P -mm. korlátos és f ˆP (f) Karakterisztikus projektormértékek Legyen adott egy µ (közönséges) mérték az A σ-algebrán. L 2 (µ)-ben az f : C mérhető függvénnyel való szorzás M f operátorát a következőképpen definiáljuk: Dom(M f ) := {φ L 2 (µ) fφ L 2 (µ)}, M f φ := fφ. A K : A P ( L 2 (µ) ), E M χe projektormértéket az L 2 (µ) karakterisztikus projektormértékének hívjuk. Az első nyilvánvaló megállapításunk, hogy egy E halmaz akkor és csak akkor K-nulla, ha µ-nulla. A korábbi jelöléssel összehangban µ ψ,φ (E) := ψ, K(E)φ = ψ χ E φdµ. Minthogy a fenti integrált átírhatjuk χ d(ψ φµ) alakba, megállapíthatjuk, E hogy µ ψ,φ = ψ φµ. 21. Állítás. ˆK(f) = Mf. Bizonyítás A két oldal értelmezési tartománya egyenlő: Dom( ˆK(f) = { φ f L 2 (µ φ,φ ) } = { φ f L 2 ( φ 2 µ } = Dom(M f ), tehát ha ψ L 2 (µ) és φ a a közös értelemzési tartomány eleme, akkor ψ, ˆK(f) = fdµ ψ,φ = fψ φdµ = ψ, M f φ. Ezek után, eddigi ismerteink birtokában, állíthatjuk az M f operátorról: normális, és M f = M f,

12 akkor és csak akkor önadjungált, ha f = f µ-mm., akkor és csak akkor unitér, ha f f = 1 azaz f = 1 µ-mm., akkor és csak akkor projektor, ha f 2 = f µ-mm., azaz van olyan E mérhető halmaz, hogy f = χ E µ-mm., akkor és csak akkor korlátos, ha f µ-mm. korlátos, peciális példaként, ha µ a valós egyenes Lebesgue-mértéke és f folytonos függvény, akkor M f spektruma az f értékkészlete, sajátértéke pedig mindazon szám, amely az f konstans értéke valamely intervallumon. A 2.3 pont végén példaként szereplő projektormérték speciális változata a l 2 karakterisztikus projektormértéke. Ekkor az f függvény (azaz sorozat) esetén M f sajátértékei az f sorozat értékei, M f spektruma pedig a sajátértékek halmazának a lezártja. Legyen most V véges dimenziós vektortér, azon adott egy -tal jelölt skaláris szorzás (azaz V véges dimenziós Hilbert-tér). L 2 (µ, V ) azoknak a φ : V függvényeknek az összessége, amelyekre φ φ µ-ih. Itt formailag ugyanúgy értelmezhető az f : C függvénnyel való szorzás M f operátora, valamint a K karakterisztikus projektormérték. µ ψ,φ = ψ φµ teljesül, és érvényben marad a ˆK(f) = M f egyenlőség, valamint az M f -re tett állításaink. Tekintsük a következő speciális példákat! 1. Legyen N természetes szám és := {1, 2,, N}, A az összes részhalmaza, és µ a számláló mérték (azaz mu({i}) = 1 (i = 1,..., N). Egy φ : C, i φ(i) függvény természetszerűleg a cc N elemének tekinthető. Minden ilyen függvény négyzetesen integrálható µ szerint, ezért L 2 (µ) = C N a szokásos skaláris szorzattal. Az f = (f(i)) i=1,...,n : C függvénnyel való szorzás operátora lineáris leképezés C N -en, azaz a szokásos felfogásban egy N N-es mátrix. Minthogy definíció szerint (fφ)(i) = f(i)φ(i), látjuk, hogy M f diagonális mátrix, a diagonális elemei az f komponensei. A K karakterisztikus projektormértékre K({i}) az a mátrix, amelynek ii-ik tagja 1, a többi nulla. 2. Legyen n természetes szám és := {1, 2,, n}, A az összes részhalmaza, és µ a számláló mérték; legyen továbbá m is természetes szám és V := C m. Egy φ : C m, i φ(i) függvény természetszerűleg a (C m ) n elemének tekinthető. Minden ilyen függvény négyzetesen integrálható µ szerint, ezért L 2 (µ, V ) = (C m ) n C N a szokásos skaláris szorzattal, ahol N := mn. Az f = (f(i)) i=1,...,n : C függvénnyel való szorzás operátora lineáris leképezés (C N -en, azaz a szokásos felfogásban egy N N-es mátrix. Minthogy definíció szerint (fφ)(i) = f(i)φ(i), látjuk, hogy M f diagonális N N-es mátrix, amely n darab m m-es blokkra tagolható, és az i-ik blokk az m m-es egységmátrix f(i)-szerese. A K karakterisztikus projektormértékre K({i}) az a mátrix, amelynek i-ik blokkja az m m-es egységmátrix, minden más tagja nulla. 3. Legyen mint az előző példában, és legyen adott minden i = 1, 2,, n esetén egy m i természetes szám, N := m m n, és tekintsük H := C m1 C m n C N Hilbert-teret a szokásos skaláris szorzattal. Adjuk meg a P : A P(H) projektormértéket úgy, hogy P ({i}) legyen az a mátrix, amelynek a diagonálisában a megfelelő helyen az m i m i -es egység-

13 mátrix áll, minden más tagja nulla. Ez nem karakterisztikus projektormérték, csak valami hasonló. Az f = (f(i)) i=1,...,n : C függvénnyel való szorzás operátorának itt nincs természetes értelme, de integrálhatjuk f-et P szerint. ˆP (f) az a diagonális N N-es mátrix, amely m 1 m 1 -es,... m n m n -es blokkokra tagolható, és az i-ik blokk az m i m i -es egységmátrix f(i)-szerese Projektormérték transzformáltjai Legyen P mint eddig, továbbá B egy T részhalmazaiból álló σ-algebra és Φ : T A B mérhető függvény. Ekkor P 1 Φ : B P(H) projektormérték. 22. Állítás. Ha h : T C B-mérhető függvény, akkor P 1 Φ (h) = ˆP (h Φ). Bizonyítás Legyen ν y,x a P 1 Φ meghatározta komplex mérték B-n. Nyilvánvaló, hogy ν y,x = µ y,x 1 ϕ. A bal oldalon álló operátor értelmezési tartománya {x h L 2 (ν x,x )}, a jobb oldalon állóé {x h Φ L 2 (µ x,x )}. A helyettesítéses integrálás alapképlete, ( ) h 2 d µ y,x 1 ( ϕ = h 2 Φ ) dµ x,x T szerint a két értelmezési tartomány megegyezik. Ezután a komplex mértékekre alkalmazva a helyettesítéses integrálás alapképletét megkapjuk az operátorok egyenlőségét. Tudjuk, hogy ha U : H H unitér vagy antiunitér operátor, akkor A P(H ), E UP (E)U 1 projektormérték. 23. Állítás. UP U 1 (f) = U ˆP (f)u 1 ha U unitér, UP U 1 (f) = U ˆP (f )U 1 ha U antiunitér. Bizonyítás A bizonyítást antiunitérre végezzük el, unitérre hasonlóan, csak még egyszerűbben érvelhetünk. Legyen ν y,x a UP U 1 meghatározta komplex mérték, y, x H. Ekkor y, UP (E)U 1 = P (E)U 1 x, U 1 y, amiből ν y,x = µ U 1 x,u 1 y adódik. A bal oldalon álló operátor értelmezési tartománya {x f L 2 (ν x,x )} megegyezik a jobb oldalon állónak az {x f L 2 (µ U 1 x,u 1 x )} értelmezési tartományával. Továbbá y, UP U 1 (f) = fdν y,x = fdµ U 1 x,u 1 y = ( ) = f dµ U 1 y,u 1 x = U 1 x, ˆP (f)u 1 y = = y, U ˆP (f)u 1 x.

14 2.9. pektrumok jellemzése 24. Állítás. Ker( ˆP (f)) = Ran ( P ( 1 f ({0})) ). Bizonyítás x Ker( ˆP (f)) pontosan akkor, ha 0 = ˆP (f)x 2 = f 2 dµ x,x, azaz f = 0 µ x,x -mm.. x Ran ( P ( 1 f ({0})) ) pontosan akkor, ha x = P ( 1 f ({0}))x, azaz 0 = P (C \ 1 f ({0}))x 2 = µ x,x (P (C \ 1 f ({0})) vagyis f = 0 µ x,x -mm.. Emlékeztetünk arra, hogy az orto-σ-homomorfizmusokra elfogadott meghatározás szerint egy R : B(C) P(H) projektormértéknek c C az éles pontja, ha R({s}) 0; az éles pontok összességét a harp(r) jelöli. Az előző állítást ezért úgy is megfogalmazhatjuk, hogy ˆP (f) pontosan akkor injektív, ha 0 / harp(p 1 f ). 25. Állítás. Ha ˆP (f) injektív, akkor az 1 0 (s) := f egyenlőséggel értelmezett függvénnyel ˆP { 1 f(s) ha f(s) 0, 0 ha f(s) = 0 ( ) 10 f = ˆP (f) 1. Bizonyítás Ha ˆP (f) injektív, akkor P ( 1 f ({0})) = 0, tehát f 10 f = 1 P -mm., és így ( ) ( ) ˆP (f) ˆP I, ˆP ˆP (f) I, f f továbbá az operátorok szorzatának az értelmezesi tartománya megegyezik a hátul állónak az értelmezési tartományával. Emlékeztetünk arra, hogy az orto-σ-homomorfizmusokra elfogadott meghatározás szerint egy R : B(C) P(H) projektormérték tartója a halmaz. upp(r) := {c C K(G) 0, c G, G nyílt} 26. Állítás. A ˆP (f) operátornak akkor és csak akkor létezik mindenütt értelmezett folytonos inverze, ha 0 / upp(p 1 f ). Bizonyítás A folytonos inverz létezése egyenértékű azzal, hogy ˆP ( ) 10 f folytonos, ami meg azzal, hogy 1 0 f P -mm. korlátos; ez azt jelenti, hogy van olyan α > 0 szám, amellyel f α P -mm., ami viszont mivel P ( f ({0}) = 0 azzal egyenértékű, hogy f 1 α P -mm.. Más szóval, a nullának az 1 α sugarú környezete P 1 f -nulla halmaz, azaz 0 nincs benne P 1 f tartrójában. Emlékeztetünk arra, hogy egy A operátornak a λ szám a sajátértéke, ha A λi nem injektív, és ekkor a Ker(A λi) altér nemnulla elemei az A-nak a λ-hoz tartozó sajátvektorai. Jelölje Eig(A) az A sajátértékeinek halmazát. Továbbá a λ szám az A operátor reguláris értéke, ha az A λi operátor

15 (i) injektív, (ii) értékkészlete sűrű, (iii) inverze folytonos; az A spektruma a p(a) := {λ λ nem reguláris érték} halmaz. 27. Állítás. (i) Eig( ˆP (f)) = harp(p 1 f ), és a λ sajátértékhez tartozó sajátaltér prjektora (P 1 f )({λ}), (ii) p( ˆP (f)) = upp(p 1 f ). Bizonyítás Fogalmazzuk át az előzőket a ˆP (f) λi = ˆP (f λ) operátorra, 1 figyelembe véve, hogy (f λ)({0} = 1 f ({λ}). Tehát λ Eig( ˆP (f)) pontosan akkor, ha ˆP (f λ) nem injektív, azaz P ( 1 f ({λ}) 0, más szóval λ harp(p 1 f ). Továbbá λ / p( ˆP (f)) pontosan akkor, ha ˆP (f λ)-nak mindenütt értelmezett 1 folytonos inverze van, azaz 0 nincs benne P (f λ) tartójában, vagyis λ / upp(p 1 f ). L 2 (µ)-n az f mérhető függvénnyel való szorzás operátorának spektruma a {λ C µ( 1 f (G) 0, G nyílt, λ G} halmaz, sajátértékeinek a halmaza {λ C (M f ) = µ( 1 f ({λ}) 0}. A 2.3 pont végén példaként szereplő projektormérték esetén Eig( ˆP (f)) = {f(λ n ) n N}, p( ˆP (f)) = Eig( ˆP (f)). Egy kicsit többet is tudunk mondani a spektrumról, ha a projektormérték Borel-féle halmazalgebrán van értelmezve. 28. Állítás. Legyen P : B(V ) P(H) projektormérték és f : V C folytonos függvény. Ekkor p( ˆP (f)) = f[upp(p )]. Bizonyítás A λ komplex szám akkor és csak akkor nincs benne ˆP (f) spektrumában, ha van olyan G nyílt halmaz, λ G, hogy P ( 1 f (G)) = 0. Mivel f folytonos, 1 f (G) is nyílt, ezért 1 f (G) upp(p ) =, ami azzal egyenértékű, hogy G f[g] =, és ez pontosan akkor teljesül, ha λ nincs az f[g] lezártjában. 29. Állítás. Legyen P : B(V ) P(H) projektormérték, és f : V C P -mm. korlátos, folytons függvény. Ekkor f = sup{ f(v) v upp(p )}. Bizonyítás A {v f(v) > f } halmaz nyílt, és a 20 állítás előtti megjegyzés szerint P -nulla halmaz, tehát diszjunkt P tartójától, így sup{ f(v) v upp(p )} f. Tehát minden vupp(p ) esetén f(v) f. Minthogy P (upp(p )) = I, tetszőleges ϵ > 0 esetén a {v f(v) > f ϵ} nyílt halmaz nem P -nulla, ezért a metszete a P tartójáva nem üres. Így van olyan v upp(p ), hogy f(v) > f ϵ, amiből sup{ f(v) v upp(p )} f.

16 Annyit kell megjegyezni az előbbi bizonyításhoz, hogy P (s(p )) = I azért áll fenn, mert a spektrumban nem levő bármely pontnak van P -nulla nyílt környezete, és a spektrum komplementere ) előáll megszámlálható sok ilyen nyílt környezet uniójaként, így P (upp(p ) = 0. Most visszatérhetünk P : A P(H) projektormérték, és f : C mérhető függvényre. Ekkor a P 1 f : B(C) P(H) projektormértékre alkalmazhatjuk az előző eredményeinket, és a ˆP (f) = P 1 f (id C ) összefüggés alapján a következőket mondhatjuk. 30. Állítás. (i) ˆP (f) akkor és csak akkor folytonos, ha a spektruma kompakt, (ii) ha ˆP (f) folytonos, akkor ˆP (f) = max{λ λ p( ˆP (f))}. Bizonyítás ˆP (f) akkor és csak akkor folytonos, ha idc P 1 f -korlátos, azaz sup{ λ λ upp(p 1 f )} < ; minthogy p( ˆP (f)) = upp(p 1 f ), bebizonyítottuk, (i)-t, és ebből, valamint a korábbiakból már egyszerűen következik (ii) Felcserélési tulajdonságok Tudjuk, hogy a P projektormérték értékkészletében felcserélhető projektorok vannak. Azt mondjuk hogy egy A korlátos operátor felcserélhető P -vel, ha AP (E) = P (E)A minden E esetén. A P 1 és P 2 projektormértéket felcserélhetőnek mondjuk, ha P 1 értékészeletében levő minden projektor felcserélhető a P 2 értékkészletében levő minden projektorral. 31. Állítás. Az A korlátos operátor pontosan akkor cserélhető fel P -vel, ha µ y,ax = µ A y,x minden y, x esetén. Bizonyítás Ha A felcseréálhető P -vel, akkor µ y,ax (E) = y, P (E)Ax = y, AP (E)x = A y, P (E)x = µ A y,x(e), tehát igaz a mértékekre vonatkozó egyenlőség. Ha viszont igaz a mértékekre vonatkozó egyenlőség, akkor az y, P (E)Ax = A y, P (E)x = y, AP (E)x összefüggésre jutunk minden y, x esetén, azaz A és P felcserélhető. Nem korlátos operátorok felcserélhetőségét általában nem definiáljuk. Viszont egy A korlátos és egy L operátort felcserélhetőnek mondunk, ha AL LA; hogy jól értsük: ehhez az kell, hogy az L értelmezési tartománya legyen invaráns az A-ra, és ezen a tartományon a két oldal megegyezzék (a jobb oldal esetleg lehet bővebben értelmezve). 32. Állítás. Az A korlátos operátor pontosan akkor cserélhető fel a P projektormértékkel, ha felcserélhető ˆP (f)-fel minden f mérhető függvényre. Bizonyítás Ha minden ˆP (f)-fel felcserélhető, akkor f-et karakterisztikus függvénynek véve láthatjuk, hogy A és P felcserélhető. Ha A és P felcserélhető, akkor P (E)Ax 2 = AP (E)x 2 A 2 P (E)x 2, amiből µ Ax,Ax A 2 µ x,x, tehát ha x D f, akkor Ax D f. Ezután x DF

17 és y H esetén y, ˆP (f)ax = amiből A ˆP (f) ˆP (f)a. fdµ y,ax = = y, A ˆP (f)x, Komplex projektormértékek fdµ A y,x = A y, ˆP (f)x = Mivel bármely P projektormérték és f mérhető függvény esetén P 1 f : B(C) P(H) és ˆP (f) = P 1 f (id C ), most azt vizsgáljuk, milyen kapcsolat van az id C - nek különböző komplex projektormértékekek szerint integrálja között. A következőkhöz két fontos tételt kell felidéznünk. Az egyik a tone Weierstrass-féle approximációs tétel, amely azt mondja, hogy az {1, id C, id C} függvényrendszer által generált komplex algebra sűrű lineáris altere a komplex sík bármely K kompakt részhalmazán értelmezett folytonos függvények terének a maximum normával ellátott C(K) Banach-terében. A szóban forgó komplex algebra elemei p := n i=0 k=0 n c ik id i C(id C) k alakú polinomok. A másik a Riesz-féle reprezentációs tétel, amely szerint C(K) duálisa (vagyis a C(K) C folytonos lineáris funkcionálok tere) a K Borel-halmazain adott komplex mértékek összessége; más szóval, bármely folytonos lineáris funkcionál egy egyértelműen meghatározott komplex mérték szerinti integrálással adható meg. 33. Állítás. Az A korlátos operátor akkor és csak akkor cserélhető fel a P : B(C) P(H) projektormértékkel, ha felcserélhető ˆP (id C )-vel és ˆP (id C ) -vel Bizonyítás Ha A felcserélhető P -vel, akkor felcserélhető minden ˆP (f)-fel, így a szóban forgó két operátorral is. Legyen A felcserélhető ˆP (id C )-vel és ˆP (id C ) = ˆP (id C)-gal; természetesen felcseréhető ˆP (1) = I-vel is. 1. Tegyük fel először, hogy P tartója K a kompakt halmaz. Ekkor ˆP (id C ) korlátos operátor, ezért a projektormérték szerinti integrálás linearitása és szorzattartása miatt a szóban forgó polinomokra ˆP (p) = n i=0 k=0 n c ik ˆP (idc ) i ˆP (id C ) k, és A felcserélhető ˆP (p)-vel. Tehát y, ˆP (p)ax = y, A ˆP (p)x = A y, ˆP (p)x, azaz p dµ A y,x = p dµ y,ax minden p polinomra és a Hilbert-tér y és x elemére. A tone Weierstrass-tétel és a Riesz-reprezentációs tétel szerint ez azt jelenti, hogy µ A y,x = µ y,ax minden

18 y, x esetén, amiből az előző alfejezet állításából következik A és P felcserélhetősége. 2. Legyen most P tetszőleges komplex projektormérték. Vegyük az E n := {c C c n} halmazokat. Az M n := Ran(P (E n )) zárt lineáris altér invariáns minden P (E) projektorra, mert ezek felcserélhetők P (E n )-nel. Továbbá P (E n ) ˆP (id C ) P (E n ) ˆP (id C ), tehát M n ivariáns ˆP (id C )-re is. A P n : B(C) P(M n ), E P (E) Mn (9) meghatározással nyilvánvalóan projektormértéket értelmeztünk, amelynek a tartója az E n kompakt halmaz. A projektormérték szerinti integrálás definíciója alapján azonnal adódik, hogy P ˆ n (id C ) = ˆP (id C ) Mn. Vezessük be az A n := P (E n )A Mn : M n M : n operátorokat. Az A ˆP (id C ) ˆP (id C )A felcserélési összefüggésből P (E n )A ˆP (id C ) Mn P (E n ) ˆP (id C )A Mn ˆP (id C )P (E n )A Mn, addik, és egyrészt a ˆP (id C )[M n ] M n invariancia miatt, másrészt amiatt, hogy ˆP (id C )P (E n ) kifejezésben ˆP (id C )-nek csak az M n -en felvett értékei szerepelnek, átírhatjuk az eredményünket P (E n )A Mn ˆP (idc ) Mn ˆP (id C ) Mn P (E n )A Mn alakba, azaz A n ˆ Pn (id C ) = ˆ P n (id C )A n ; a tartalmazás helyett valójában egyenlőség áll, hiszen az M n -en mindenütt értelmezett operátorokról van szó. Ugyanígy jutunk arra is, hogy A n ˆ Pn (id C) = ˆ P n (id C)A n. Az 1. pont szerint tehát minden n esetén An felcserélhető a P n projektormértékkel, vagyis A n P n (E) = P n (E)A n = minden E-re. Ne feledjük, itt minden operátor csak az M n altéren van értelmezve. Természetes módon kiterjeszthetjük őket az egész Hilbert-térre a P (E n )-nel való jobbról szorzással, és így jutunk arra, hogy P (E n )AP (E)P (E n ) = P (E)P (E n )AP (E n ). Minthogy (s) lim n P (E n ) = I, határértékben megkapjuk a kívánt AP (E) = P (E)A összefüggést. 34. Állítás. Legyen P és Q olyan komplex projektormérték, hogy ˆP (id C ) = ˆQ(id C ); ekkor P = Q. Bizonyítás Korábbi eredményink szerint p( ˆP (id C )) = upp(p ), ezért P és Q tartója megegyezik. 1. Tegyük fel először, hogy a projektormértékek tartója a K kompakt halmaz. Ekkor ˆP (1) = 1 = ˆQ(1) és ˆP (id C) = ˆP (id C ) = ˆQ(id C ) = ˆQ(id C); a projektormérték szerinti integrálás linearitása és szorzatartása miatt ezért ˆP (p) = ˆQ(p) minden az {1, id C, id C} függvényrendszer generálta komplex algebrában levő p-re. Értelemszerű jelöléssel tehát minden y, x H esetén p dµ P y,x = p dµ Q y,x. K K

19 A tone Weierstrass-tétel és a Riesz-tétel szerint ez azt jelenti, hogy a µ P y,x és a µ Q y,x mértékek leszűkítése K részhalmazaira megegyezik, ami maga után vonja, hogy P = Q. 2. Legyen most P és Q tetszőleges. Vegyük az előbbi állításban szereplő E n halmazokat. P (E n ) felcserélhető ˆP (id C )-vel és ˆP (ic) = ˆP (id C)-gal, de ˆP (id C ) = ˆQ(id C ), ezért az előbbi állítás szerint a kolrátos P (E n ) operátor felcserélhető a Q projektormértékkel. Ez azt jelenti, hogy az M n := Ran(P (E n )) zárt lineáris altér invariáns minden Q(E) projektorra. Vezessük be a (9) szerinti P n projektormérték mellé még a Q n : B(C) P(M n ), E Q(E) Mn projektormértéket is; ennek a tartója az E n kompakt halmaz. A projektormérték szerinti integrálás definíciója alapján azonnal adódik, hogy Pˆ n (id C ) = ˆP (id C ) Mn = ˆQ(id C ) Mn = Q ˆ n (id C ). Az 1. pont szerint így P n = Q n minden n-re; ismét kiterjesztve a projektorokat az egész Hilbert-térre, a P (E)P (E n ) = Q(E)P (E n ) összefüggésre jutunk, emyleből határértékben megkapjuk a kívánt P = Q eredményt. 35. Állítás. A P komplex projektormértékre ˆP (id C ) = ˆP (re) + i ˆP (im), és hasonlóan ˆP (id C ) = ˆP (id C) = ˆP (re) i ˆP (im). Bizonyítás Azt tudjuk, hogy ˆP (re)+i ˆP (im) ˆP (id C ). Ha id C 2 = re 2 +im 2 µ x,x -integrálható, akkor re 2 és im 2 is µ x,x -integrálható, vagyis Dom( ˆP (id C )) Dom( ˆP (re)) Dom( ˆP (im)) Ciklikus projektormértékek 1. Definíció. Legyen P A H projektormérték. P -nek a H Hilbert-tér x vektorához tartozó ciklikus altere a {P (E)x E A} halmaz generálta zárt lineáris altér. A projektormérték ciklikus, ha van olyan x úgynevezett ciklikus vektor, hogy a hozzá tartozó ciklikus altér H. 36. Állítás. Ha µ σ-véges mérték, akkor L 2 (µ) karakterisztikus projektormértéke ciklikus. Bizonyítás A σ-végesség azt jelenti, hogy vannak E n (n N) páronként diszjunkt, véges mértékű halmazok, amelyek uniója az alaphalmaz. Zárjuk ki a µ = 0 triviális esetet; ekkor feltehető, hogy µ(e n ) > 0. A φ := 1 n µ(e n N n ) χ En függvény a karakterisztikus projektormérték ciklikus vektora, hiszen a K(E)φ (E A) alakú vektorok lineáris kombinációival minden lépcsős függvény előállítható. Persze, ha µ véges, akkor a φ = 1 (konstans) függvény is ciklikus vektor. A konkrét példa mutatja, hogy a ciklikus vektor általában messze nem egyértelmű.

20 A fenti eredménnyel ellentétben, ha V legalább két dimenziós Hilbert-tér, akkor L 2 (µ, V ) karakterisztikus projektormértéke nem ciklikus. Legyen ugyanis φ L 2 (µ, V ). Ekkor minden s esetén van olyan e s egységvektor V - ben, amely merőleges φ(s)-re. Legyen 0 f L 2 (µ); ekkor s f(s)e s, ha mérhető, az L 2 (µ, V ) nemnulla eleme, amely ortogonális minden K(E)φ-re. Az előbbi ha -ra vonatkozó nem triviális eredmény: mindig választhatók úgy az egységvektorok, hogy a mérhetőség teljesüljön. Ha a P projektormértéknek s éles pontja, azaz P {s}) 0, és P ({s}) értékkészletének dimenziója legalább 2, akkor P nem ciklikus. Ugyanis ekkor bármely x H esetén van olyan 0 y H úgy, hogy y = P ({s})y és y, P ({s})x = 0. ez az y ortogonális minden P (E)x-re, mert az E mérhető hamaz esetén P ({s})p (E) nullával egyenlő, ha s / E és P ({s})-sel, ha s E, és így y, P (E)x = P ({s})y, P (E)x = y, P ({s})p (E)x = 0. A 2.7 pont 1. példájában szereplő projektormérték ciklkus, a mási kettő nem ciklikus. 37. Állítás. Legyen P ciklikus projektormérték, x egy ciklukus vektora. Ekkor U : L 2 (µ) H, φ ˆP (φ)x unitér leképezés, és U 1 P ( ) az L 2 (µ) karakterisztikus projektormértéke. Bizonyítás Az U linearitása a (15) állítás első két pontjából, izometrikus volta opedig a (13) állításból következik; továbbá U a {χ E E A} generáló halmazt a {P (E)x E A} generáló halmazra képezi; ezekből már nyilvánvaló, hogy U unitér. 38. Állítás. Ha P ciklikus projektormérték, U az előbbi állításban szereplő unitér leképezés, akkor U 1 P ( )U az L 2 (µ) karakterisztikus projektormértéke. Továbbá P (E)Uφ = P (E) ˆP (φ)x = ˆP (χ E φ)x = Uχ E φ, azaz U 1 P (E)U = M χe, amit bizonyatani akartunk. 39. Állítás. Legyen P ciklikus projektormérték; az A folytonos lineáris operátor pontosan akkor cserélhető fel a projektormértékkel, ha van olyan f mérhető függvény, hogy A = ˆP (f). Bizonyítás A és P felcserélhetősége azt jelenti, hogy AP (E) = P (E)A minden E mérhető halmazra. Ha A = ˆP (f), akkor korábbi eredményeink alapján A felcserélhető minden P (E)-vel (ehhez nem is kell a ciklikusság). Tegyük fel, hogy A felcserélhető P -vel. Legyen x a projektormérték ciklikus vektora. Ekkor az előző állításunk szerint van olyan f függvény, hogy Ax = ˆP (f)x (f ez előzőekben a φ nevet viselte). Minthogy P (E) ˆP (f) ˆP (f)p (E) minden E esetén, AP (E)x = P (E)Ax = P (E) ˆP (f)x = ˆP (f)p (E)x, amiből az operátorok linearitása folytán, A megegyezik ˆP (f)-fel a {P (E)x E A} generálta sűrű lineáris altéren. Mivel A folytonos és ˆP (f) zárt, ebből az következik, hogy A = ˆP (f) Ciklikus projektormértékek direkt összege Láttuk, hogy a ciklikus projektormértékek igen egyszerűek, unitér ekvivalencia erejéig karakterisztikus projektormértékek. Most az mutatjuk meg, hogy minden projektormérték felépíthető ciklikusokból.

21 Először megemlítjük, hogy ha I tetszőleges (index)halmaz, a H i (i I) Hilbert-terek direkt összegeként a { H i := x := (x i ) i I X H i } x i < i I i I vektorteret értjük az skaláris szorzattal. y, x := i I y i, x i i 40. Állítás. Legyen P A P(H) projektormérték. Ekkor H előáll a P ciklikus altereinek direkt összegeként. Bizonyítás Legyen egy 0 x 1 H által generált ciklikus altér M 1. Ha M 1 = H, akkor igaz az állítás. Ha nem, legyen egy 0 x 2 M 1 által generált ciklikus altér M 2. M 1 és M 2 ortogonális egymásra, hiszen minden E, F A esetén P (E)x 2, P (F )x 1 = x 2, P (E)P (F )x 1 = x 2, P (E F )x 1 = 0. Ha M 1 M 2 = H, akkor igaz az állítás. Ha nem, ismét találunk egy ciklikus alteret, amely ortogonális M 1 -re és M 2 -re; és így tovább. Eddig tehát beláttuk, hogy léteznek páronként ortogonális (M j ) j J ciklikus alterek valamely J indexhalmazzal. Nyilván több ilyen altér-összesség lehet az x 1, x 2 stb. vektoroktól függően. Legyen M az a halmaz, amelynek az elemai a páronként ortogonális ciklikus alterek összességei, és vezessünk be rendezést M-en a halmazelméleti tartalmazással. Ekkor minden láncban van maximális elem: a láncban levő halmazrendszer uniója. Zorn-lemmája szerint tehát létezik (M i ) i I maximális elem M-ben; a maximalitás miatt H = i I M i. A projektormérték egy ciklikus altere invariáns a projektormérték értékkészletében levő projektorokra. Eszerint, a P i : A P(M i ), E P (E) Mi leképezés projektormérték, és úgy is szokás fogalmazni, hogy a projektormérték ciklikus projektormértékek direkt összege: P = i I A direkt összegek sokfélék lehetnek, és a szerkezetük nagyban eltérhet egymástól. Előfordulhat, hogy P maga ciklikus, tehát van egyetlen elemű direkt összeg, de lehetésges több elemű direkt összege is. Példa erre a 2.7 pont 1. példája. A projektormérték ciklikus, egy ciklikus vektora (1, 1,..., 1, 1). Viszont C N (a Hilbert-tér) az (1, 0,..., 0, 0), (0, 1,..., 0, 0)... (0, 0,..., 0, 1) vektorok által generált ciklikus alterek direkt összege is. Most azt vizsgáljuk, hogyan lehet a legegyszerűbb direkt összeget megtalálni. Ehhez feltesszük, hogy H szeparábilis. Ekkor I megszámlálható, vegyük N-nek. A továbbiakban a jel unitér ekvivalenciát jelöl. Legyen x i az M i ciklikus vektora. A 36 állítás szerint P i unitér ekvivalens az L 2 (µ xi,x i ) karakterisztikus projektormértékével, és így P i. H L 2 (µ xi,x i ), P K i. i N i N

22 Vezessük be a µ := i N 1 2 i µ x i,x i mértéket. Minthogy minden µ xi,x i abszolút folytonos µ-re (azaz minden µ-nulla halmaz µ xi,x i -nulla is), a Radon Nykodim-tétel szerint léteznek olyan 0 α i : R mérhető függvények, hogy µ xi,x i = α i µ. A T i := {s α i > 0} halmaz mérhető, és az L 2 (µ xi,x i ) L 2 (χ Ti µ), φ i α i φ i =: ϕ i leképezés unitér minden i-re. Ezért H i N L 2 (χ Ti µ), P i N K i ; itt persze K i az itt szereplő i-ik Hilbert-tér karakterisztikus projektormértéke. Idézzük fel, hogy L 2 (χ Ti µ)elemei: ϕ : C i N, ϕ i 2 dµ <. (10) T i i N Ha a T i -k páronként diszjunktak (elég, ha csak µ(t i T j ) = 0 teljesül i j esetén), akkor a fenti Hilbert-tér lényegében L 2 (µ) úgy, hogy ϕ L 2 (µ) az a függvény, amelyre ϕ Ti = ϕ i. Ekkor tehát P egyetlen karakterisztikus projektormértékkel unitér ekvalens (a projektormérték ciklikus). Tekintsük most az esetet, amikor T i -k nem diszjunktak páronként. Legyen n := {s s pontosan n darab i létezik úgy, hogy s T i }, ahol n N. Vegyük észre, hogy n -nek páronként diszjuktak, és n =. Továbbá legyen s esetén n N i 1 (s) := min{i N s T i }, i 2 (s) := min{i N \ {i 1 (s)} s T i }, és így tovább, i N i k (s) := min{i N \ {i 1 (s),..., i k 1 (s)} s T i }. Rendeljük hozzá a (10)-beli ϕ i N függvényegyütteshez Φ 21 := χ 2 ϕ i1(s)(s), Φ 1 (s) := χ 1 ϕ i1(s)(s), Φ 22 := χ 2 ϕ i2(s)(s), Φ 31 := χ 3 ϕ i1(s)(s), Φ 32 := χ 3 ϕ i2(s)(s), Φ 33 := χ 3 ϕ i3(s)(s)

23 és így tovább a Φ n1,..., Φ nn... függvényeket, ahol n N. Ekkor Φ n := (Φ n1,..., Φ nn ) L 2 (χ µ, Cn ) (a C := l 2 értelmezéssel), és n L 2 (χ Ti µ) L 2 (χ µ, Cn ), n ugyanis i N i N T i ϕ i 2 dµ = n N n N n k=1 n ϕ ik 2 dµ, tehát a projektormérték unitér ekvivelens ez utóbbi direkt összegben szereplő Hilbert-terek karakterisztikus projektormértékeinek direkt összegével. Egyszerű látni, hogy az ilyen alakú direkt összeg lényegében egyértelmű: ha (értelemszerű jelöléssel) L 2 (χ µ, C n ) L 2 (χ µ, Cn ), K n n i K n, n N n N n N n N akkor µ és µ ekvivalensek, vagyis ugyanazok a nulla-halmazaik, és µ( n n ) = 0. Jegyezzük meg, hogy n -ek akármelyike üres is lehet; például ciklikus projektormérték esetén n = ha n > A spektráltétel 3.1. Az általános tétel 41. Állítás. Legyen N normális operátor a H Hilbert-téren. Ekkor létezik egyértelműen egy P : B(C) : P(H) projektormérték úgy, hogy N = ˆP (id C ). P -t az N spektrálfelbontásának hívjuk, ˆP (idc )-t pedig az N spektrálelőállításának. A spektráltételt általában nem bizonyítjuk, csak később unitér és önadjungált operátorra. Normális operátorra csak az alábbi speciális esetet tekintjük. Legyen az N normális operátor olyan, hogy a sajátalterei kifeszítik az egész Hilbert-teret; ekkor N spektruma a λ i (i N) sajátértékekből és ezek torlódási pontjaiból áll. Legyen P n az n-ik sajátaltér projektora; tudjuk, hogy az N különböző sajátalterei ortogonálisak egymásra. Ekkor könnyű meggyőződni arról, hogy a P (E) := (s) (E B(C)) {i λ i E} formula projektormértéket határoz meg. A normális operátorokra vonatkozó ismereteink szerint ha x Dom(N), akkor ( ) Nx = N P i x = λ i P i x, i N i N amiből azonnal adódik, hogy P az N spektrálfelbontása. Ugyanis a P -vel kapcsolatos komplex mértékekre µ y,x = i y, P ix δ λi (Dirac-delták), és így : id C µ y,x = λ i y, P i x = y, λ i P i x = y, Nx. C i N i N P n

24 Felsorolunk a spektráltételhez kapcsolódó néhány fontos tudnivalót, amelyek a projektromérték szerinti integrálás megismert tulajdonságaiból következnek. Legyen P az N normális operátor spektrálfelbontása. P tartója megegyezik az N spektrumával, P éles pontjai az N sajátértékeivel. Ha f : C C mérhető függvény, akkor értelmezhető f(n) := ˆP (f). Az f(n) operátor értelmezési tartományában azok az x-ek vannak, amelyekre f négyzetesen integrálható a µ x,x mérték szerint. A p = n i=0 c iid i C polinomra ˆP (p) = p(n) := n i=0 c in i. peciálisan értelmezhető az N valós és képzetes része, egy-egy önadjungált operátor, és N = re(n) + iim(n), N = re(n) iim(n). A fenti példában szereplő N spektrálfelbontása akkor és csak akkor ciklikus, ha N minden sajértéke egyszeres (minden sajáteltere egy dimenziós). Ezért általában, bármely normális operátor spektrumát egyszeresnek mondjuk, ha a spektrálfelbontása ciklikus. Általában az N normális operátor spektrálfelbontása a 2.13 pontban mondottak szerint unitér ekvivalens L 2 (χ µ, Cn ) (n N ) alakú Hilbert-terek n karakterisztikus projektormértékeinek direkt összegével, ahol n -ek páronként diszjunktak. Ezért N unitér ekvivalens identitással való szorzások direkt összegével. Láttuk a példájában, hogy C N -en a szorzás-operátorok diagonális mátrixok; így a normális operátor előállítása identitással való szorzásként a véges dimenzióban ismert diagonalizálási eljárásnak felel meg. Nem nehéz látni, hogy upp(p ) = n N n. Mivel P tartója megegyezik N spektrumával, n elemeit a spektrum n-szeres multiplicitású pontjainak nevezzük A spektráltétel bizonyítása unitér operátorra A bizonyításhoz a tone Weierstrass-tételt és a Riesz-reprezentációs tételt használjuk. Tekintsük a T komplex egységkört. Minthogy id C leszűkítése T-re id T, és id C leszűkítése id T = id 1 T, az 1, id T, id T függvények generálta komplex algebra elemei n p := c i id i T i= n alakú polinomok. Legyen U unitér operátor. Értelmezzük a fenti polinommal a p(u) := n i= n U n operátort. Mivel U = U 1, igaz a p(u) = p (U) egyenlőség (a bal oldalon a csillag az adjungálást, a jobb oldalon a komplex konjugálást jelöli). Tudjuk, hogy a spektruma a T egységkör része. A bizonyítás alaplépése, hgy megmutatjuk: p(p(u)) = p[p(u)]. Ugyanis legyen q := id n Cp; ez szokásos polinom. Ekkor a következők egyenértékűek sorra: λ p(p(u)), p(u) λi = U n( q(u) λu n) nem invertálható, q(u) λu n nem invertálható, 0 p(q(u) λu n ) = (q λid n C)[p(U)].

25 Az utolsó sorban azt használtuk fel, hogy q λid n C szokásos polinom. Az operátor-polinom spektrumára vonatkozó ismereteink szerint ez továbbá egyenértékű azzal, hogy van olyan ξ p(u), amellyel 0 = q(ξ) λξ n, azaz λ = q(ξ) ξ = p(ξ). n Eredményünk következménye, hogy p(u) = max{ p(ξ) ξ p(u)} max{ p(ξ) ξ T} =: p. Világos, hogy a p p(u) leképezés lineáris. Továbbá a Hilbert-tér y, x elemeire y, p(u)x y x p, vagyis a p y, p(u)x leképezés folytonos lineáris funkcionál a maximum-normával ellátott polinomokon. A tone Weierstrasstétel és a Riesz-tétel szerint ezért létezik egyértelműen egy µ y,x komplex Borelmérték T-n úgy, hogy y, p(u)x = pdµ y,x. Tetszőleges q polinomra qµ y,x = µ y,q(u)x = µ q(u) y,x, T ugyanis minden p-re T pd(qµ y,x ) = T qpdµ y,x = { y, p(u)q(u) x = y, q(u)p(u)x = T pdµ y,p(u)x, T pdµ q(u) y,x. Nyilvánvaló, hogy (y, x) µ y,x konjugált lineáris az első változójában és lineáris a második változójában, valamint µ y,x = µ x,y, és értelemszerűen ugyanez igaz az (y, x) µ y,x (E) leképezésre minden E Borel-halmazra. Minthogy I = 1(U) (az U által a konstans 1 polinomhoz rendelt operátor), y, x = dµ y,x = µ y,x (T). Ebből µ x,x (E) = T T χ E dµ x,x T dµ x,x = µ x,x (T) = x 2. A kvadratikus és szeszkilináris formák közötti ismert összefüggés szerint ez azt jelenti, hogy µ y,x (E) y x ; másszóval (y, x) µ y,x (E) folytonos minden E esetén. Ez pedig magy után vonja, hogy minden E esetén létezik egy P (E)-vel jelölt folytoos önadjungált operátor úgy, hogy µ y,x (E) = y, P (E)x. Most ugyanúgy, mint az előbb polinomokra, megállapíthatjuk hogy χ F µ y,x = µ y,p (F )x = µ P (E)y,x amiből P (E F ) = P (E)P (F ) = P (F )P (E), speciálisan P (E) = P = E) 2 adódik, vagyis P (E) projektor. Az is azonnal adódik, hogy E P (E) projektormérték, és µ y,x ehhez a projektormértékhez a korábbiak szerint rendelt komplex mérték; következésképpen p(u) = ˆP (p), speciálisan U = ˆP (id T ).