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一类算子方程的解

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第50卷第3期 吉林大学学报(理学版) Journal of Jilin University(Science Edition) V01.50 No.3 Mav 2012 2012年5月 一类算子方程的解 许俊莲 ,杜鸿科 (1.北京工业大学应用数理学院,北京100124;2.宝鸡文理学院数学系,陕西宝鸡721013; 3.陕西师范大学数学与信息科学学院,西安710062) 摘要:利用算子分块技巧,讨论算子方程AXB +BX A =C解存在的充要条件,并用算子 矩阵的形式给出了一般解的表示形式.特别地,讨论了当B是一个正交投影算子P时,算子 方程AXP+ A =C解存在的充要条件及一般解的表示. 文献标志码:A 文章编号:1671.5489(2012)03—0404-05 关键词:算子方程;Moore-Penrose逆;算子矩阵;正交投影 中图分类号:0177.1 Solutions to a Class of Operator Equation XU Jun—lian '_.DU Hong.ke (1.College ofApplied Sciences,Beijing University fTeochnology,Beijing 100124,China; 2.Department fMatohematics,Baoji University D厂Arts and Sciences,Baoif 721013,Shaanxi Provice,Chinna; 3.College ofMathematics and Information Sciece,Shaanxin Normal University,Xi’an 710062,China) Abstract:With the help of block operator matrix,the sufficient and necessary conditions for the existence of solutions to the operator equation AXB +BX A =C and the representation of solutions were established. Especially,when B is an orthogonal projection P,the suficifent and necessary conditions for the existence of solutions to the operator equation AXP+Px A =C and the representation of solutions were also given. Key words:operator equation;Moore—Penrose inverse;operator matrix;orthogonal projection 文献[1.2]讨论了形如AXB 一BX A =C算子方程的解.利用算子分块技巧,文献[3]给出了 1×2算子矩阵的Moore.Penrose逆的矩阵表示,文献[4]证明了算子方程A =XAX存在解的充要条 件,文献[5]研究了有限维空间中正交投影特征值函数的性质.本文利用算子分块技巧,根据方程所 满足的条件,通过对空间进行适当的分解,讨论算子方程AXB +BX A =C解存在的充要条件,并 用算子矩阵的形式给出了一般解的表达式.特别地,讨论了当曰是一个正交投影算子P时,算子方程 AXP+PX A =C解存在的充要条件以及一般解的表达式. 设 是可分的复无限维Hilbert空间, ( )表示 上的全体有界线性算子.对任一算子 A∈取 ), (A),S(A)和A 分别表示A的值域、核空间和伴随.任给 的闭子空间 , 表 示 上的正交投影. 1 预备知识 定义1 设A∈ ),满足算子方程组 收稿日期:2011-06-13. 作者简介:许俊莲(1982一),女,汉族,博士研究生,从事算子理论与小波分析的研究,E-mail:xujunlian83913@163.con 通讯作者:杜鸿科(1944一),男,汉族,教授,博士生导师,从事算子理论与小波分析的研究,E-mail:hkdu@snnu.edu.cn. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:11001159)和陕西省宝鸡文理学院重点科研项目(批准号:ZK11132). 第3期 许俊莲,等:一类算子方程的解 AXA=A, (AX) : , AX, 、(1) =(XA) =XA 的X∈ 定义2 )称为A的Moore.Penrose逆,简称广义逆,记为A .满足方程组(1)的解,如果存在,则 设A∈ ( ),如果A =A,则称A是一个幂等算子.如果一个幂等算子P满足 必唯一.满足第一个算子方程的 称为A的{1}一逆,A的{1}一逆全体记为A{1}. P)= (P) ,则称P是一个正交投影. 引理1_8 设T∈以H),则 (T)是闭的当且仅当 (T )是闭的. 引理2设C∈ 引理3 ),则算子方程 +X =C有解当且仅当C =C,并且该算子方程的一般解 是X=C/2+ ,其中T∈以 )是任意的反自伴算子. 设A∈取 ),则: 1)A存在广义逆A 当且仅当 (A)是闭的; 2)如果A存在广义逆A ,则 (A )= (A ),AA =P (A),A A=P碍(A 2 主要结果 定理1设A∈ 蜀, ),B∈ 域是闭的,且 (C) ( ) , ),其中 (i=1,2,3)表示Hilbert空间,A,曰的值 (A),则算子方程AXB +BX A =C有解当且仅当C =C, (A),并且P舅(A)。舅(口)CP舅(A)0宠(口):0. (A),故根据引理1可知, (A ), (B )也 证明:因为 (A), ( )是闭的,且 ( ) 是闭的,则在空间分解 =A‘。”( (B))①{ (A )eA‘-1)( (B))}G ̄/(A)到 = (B)① 0 0}l  (A)e (曰)}o∥(A )下,A可以表示为算子矩阵形式:A= A2 0 l,其中, 0 0J l 0 0J 必要性.设算子方程AXB + C成立.在空间分解 A =C有解,即存在X∈ A = ,羁),使得AXB +BX*.= ( )o∥( )到蜀=A‘_1 ( ( ))o{ (A )OA‘I1 ( ( ))} f,A11 l1 +B11XnA1 1 B11 A o、I rc11 c12 C13、1 AXB +BX A =I A22 1 ^0 0 0 I=l C2l C22 C23 I, 0 0 c31 c32 c33/』 吉林大学学报(理学版) Cl1=Al1Xl1B1"1+BllX,1a11 第50卷 , 因 此 Cl2=B11 A杰, C21=A22X21曰^, C13=C22=C23=C3l=C32 n--C33=0, A O O C 于是有C =C, (C) = ,,, ..............。 (A),并且P舅(A) (口)CP胡(A)。篇(口)=O. 充分性.设C =C,_一/  A ¨ (C) (A),并且P舅(A)。灞(口)CP_粥(A)。埽(口)=0,则在空间分解 = ( )①{ (A)o ( )}① A )下,C有算子矩阵形式C=ll  c 0 0 l,其中c =C o 0 0J A + 0 Clz o] 在空间分解 = (曰 )① 。c。 ( )一 o A )到 =A ”( ( ))①{ (A )∈三≥A‘I1 ( (曰))} ∥ A)下, 设Xo= A妄 c (曰 ) 0 0 0 ,经过计算可知, 是算子方程AXB +BX A =C的一个解,即该 方程存在解.证毕. 在算子方程AXB +BX A =C存在解的情况下,根据引理2,可得算子方程解的一般形式. 定理2设A∈以 , ),B∈ , ),其中 (i=1,2,3)表示Hilbert空间,A, 的值 域是闭的,且 (B) = (A).如果算子方程AXB +BX A =C存在解,则在空间分解 =A‘-1)( (曰))④{ (A ) ‘-1)( ( ))} A)下,方程的一般 (B )①∥l(B)到 解有矩阵形式: _A1 - 1(c。。+T)(Bl1)一 X= A c (曰 )~X2 其中:All=A l A(一1)( (口))一+ ( );A22=A I翻(A ) (一1)(舅(口)) 舅(A)。埘(口); Bl1=B l瑚(口.)一(  .; C11=C I粥(口) ( ;Cl2=C I舅(A) (口)_÷舅(口); 并且Xl2∈ :∈ ( ), (A ) (∥(B),A ¨( (B))); 卜 ( ( ));X3 ∈以 (B ),S(A));X3 ∈ B), A))是 任意算子;T∈以 (B))是任意的反自伴算子. 下面讨论在算子方程AXB 十BX A =C中,当曰是一个正交投影算子P时,算子方程 AXP+ A =C的解. 定理3设A,C∈ ,P是Hibert空间 上的正交投影,A的值域是闭的,且PA AP=0, 则算子方程AXP+ A =C有解当且仅当C =C,PC(I—A A)=0,并且(J—P)C(I—P)=0. 证明:因为 (A)是闭的,故由引理3可知,广义逆A 存在.又因为P是Hibert空间 上的正 交投影,且 =AP=0,则在空间分解 = (P)①{ l(P)o (A )}o (A )到 = (P)① { P)o (A)}o (A)下,A可以表示为如下算子矩阵形式:A=l 10 0 0 l,其中A 是可逆算 0 0 A J r,0 0 0] 第3期 许俊莲,等:一类算子方程的解 因 fj o o 1 此 407 C =  分 充 子.在空间分解 = (P)①{s(e)e (A)}① (A)下,P可以表示为P=10 0 0 l,其中,是 , 0 0、 0/ lo o 性 。如 O O O 果 C r 0 0 X3*1A,'1、1 rc cl2 c13、 AXP+以 A =l 0 0 0 I=I C2l C22 C23 I, AllX3l 0 0 c3l c32 c33 rC13= A , O O O {C31=A11X31, 3 O O tCl1=C12 C21=C22=C23 C32=C33 0\、● ●●●●●/ , ) 其 0 l,从而有C =C,PC(I—A A)=0,并且(,一P)C(t—P)=0.中  o J 十C 3 = =C,PC(I—A A)=0,并且(J—P)C(t—P)=0,则在空间分解 = (P)① '(P)o (A)}o (A)下,C有算子矩阵C= 在 空 问 = (P)①{∥ P)e (A)}0 (A)到 : (P)①{ P)o (A )}① (A )下,设 分 r, o o o] 解 =1 0 0 0 l,代人算子方程,则等式成立,即Xo是算子方程AXP+以 A =C的解,故方 IA C3l 0 0 J 程存在解.证毕. 根据定理3可得算子方程AXP+PX A =C解的一般形式. 定理4设A,C∈觑 ),P是Hibert空间 上的正交投影,A的值域是闭的,且PA=AP=0, 若算子方程AXP+PX A =C有解,则在空间分解 = (P)o{∥(P)(三) (A)}① (A)到 = (P)①{./U(P)e (A )}o (A )下,算子方程AXP+PX A =C的一般解 具有如下矩 f, 11 12 13、 阵表示:X=l l 2 3 l,其中:A11=A I舅(A+) (A);c31=B l_粥(P)— (A);并且 A c31 X32 X33 J X。。∈ (P)),X :∈ (∥(P)e (A), (P)),X ,∈ ( (A), (P)), -∈觑 (P), 1(P)e (A )), : ∈ (∥(P)e (A),s(e)e (A )), X2,∈坝 (A),。∥ P)O (A )),X,:∈ P)e (A), (A ))和X3 ∈以 (A), (A )) 吉林大学学报(理学版) 第50卷 是任意算子. ),P是Hibert空间 上的正交投影,A的值域是闭的,且PA=AP=0, 令 得 若算子方程AXP+PX A =C有解,则方程解的一般形式为X=T—A ATP+A c,其中T∈倒 ) 定理5设A,C∈ 是任意的算子. = 汪 . 证明:根据定理3证明中对于A的算子矩阵形式,在空间分解 = (P)o{ 1(P)(三) (A)}o 置 墨 (A)到 = (P)o{∥1(P)G3(A )}① (A )下,A 有算子矩阵A 子方程AXP+ A =C有解,根据定理3可知,C =C,PC(I—A A) =0,并且(,一P)C(J—P)= 其 0 0 C r, 13、 中 /,,.。。 ........。.,0,此时在空间分解 = (P)①{ P)o (A)}① (A)下,C有算子矩阵C=l 0 0 0l,其 一/ I C31 0 0 J A 一¨ 0 O 0} 绍 中c =C, .经过计算可得A C= O O 0 l,则A C是算子方程AXP+ 0 0 J A A =C的一个特 参 /,.\ 考 l_●  解.任取T E ( ),令X=T—A ATP+A C,代入方程, 可得方程成立,即X是方程的解.设X∈预 )是算子方程AXP+以 A =C的一个解. 根据定理4,在空间分解 = (P)① \●/ 文 _- {s(e)o (A)}① (A)到 = (P)①{ 1(P)o (A )}④ (A )下, 任;  一f, ll l2 13 、、●,●●●●●●●/ . 献 =l X2 A C31 X32 X33 意 . 子.算 , 则 = ,,,............. ...= 一,/ O O O 0 O 0 A A o o \、●●●● ●/ aden H.The EquaitonsA 。X±X A=B[J].Matrix Anal Appl,1998,20(、2):295—302. 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