Proposici´on III.47 Sea α : H×H →C una funcional sesquilineal acotada, i.e.: ∃c ∈IR>0
tal que |α(x, y)| ≤ c. kxk . kyk. Entonces existeun operador A ∈ L(H) tal que para todo par de puntos x, y en H se verifica que α(x, y) = hAx; yi.
Demostraci´on:
Si fijamos x ∈ H la aplicaci´on αx : H →C dada por la siguiente regla αx(y) =
α(x, y) es lineal y acotada, luego αx ∈ H∗; y, por el teorema de Riesz, existe un ´unico
zx ∈ H tal que αx(y) = hy; zxi ∀y ∈ H. Conseguimos as´ı una nueva aplicaci´on A :
H → H dada por la regla Ax := zx que es: a) lineal, pues si αx1(y) = hy; zx1i y
αx2(y) = hy; zx2i usando las propiedades resulta
αλ1.x1+λ2.x2(y) = α(λ1.x1+ λ2.x2, y) = λ1.α(x1, y) + λ2.α(x2, y) = λ1.hzx1; yi + λ2.hzx2; yi = hλ1.zx1; yi + .hλ2.zx2; yi = hy; λ1.zx1i + .hy; λ2.zx2i = λ1.hy; zx1i + λ2.hy; zx2i = λ1.αx1(y) + λ2.αx2(y)
y b) continua, pues αx(Ax) = αhx, Axi = hAx; Axi = kAxk2 ≤ c. kAxk . kxk luego
kAxk ≤ c. kxk .
Adem´as si B es otra tal aplicaci´on tal que hy; Axi = hy; Bxi para todo x, y en H, y si definimos y = Ax − Bx luego 0 = hAx − Bx; Ax − Bxi = k(A − B)xk2 para todo
x ∈ H entonces A = B y A queda definido univocamente. 2
Dado un operador acotado A ∈ L(H), α(x, y) := hx; Ayi es una funcional sesquilin- eal, luego -por la proposici´on anterior- existe un operador B en L(H) tal que hBx; yi =
Operadores Acotados 121
Hilbert, a continuac´ıon analizaremos sus propiedades, y como se relaciona con el operador que lo ”engendr´o”.
Definici´on III.48 (Adjunto de un Operador) Sean A, B ∈ L(H) tales que hBx; yi =
hx; Ayi ∀x, y ∈ H decimos entonces que B es el operador adjunto de A y lo notamos A∗:= B.
Ejemplo 53 En el espacio Cn del Ejemplo 1.1 dada A ∈ L(Cn) podemos pensar a A como
una matriz de Cn×n via el isomorfismo que hay entre L(Cn) y Cn×n, luego
hx; Ayi = xt.A.y = (A.x)t.y = hA∗x; yi por lo tanto A∗ = At.
Ejemplo 54 Sean S(x1, x2, . . .) = (0, x1, x2, . . .) el operador shift-right (a derecha) y T (x1, x2, . . .) = (x2, x3, . . .) el operador shift-left, ambos en L(l2). Se afirma que S∗ = T ,
para verlo tomamos un par de vectores gen´ericos x, y ∈ l2 y calculamos
hSx, yi = h(0, x1, x2, . . .); (y1, y2, . . .)i = Pn≥2xn−1.yn
= h(x1, x2, . . .); (y2, y3, . . .)i
= hx; T yi
y luego T∗= S∗∗= S.
Ejemplo 55 Sea (X, Ω, µ) en espacio de medida; en L2(µ) dada ϕ ∈ L∞(µ), si consider-
amos al operador Mϕ(f ) := ϕ.f de esta manera
hg; Mϕ(f )i = Z Xg.(ϕ.f ) dµ = Z X(g.ϕ).f dµ = hg.ϕ; f i = hMϕ(g).; f i entonces Mϕ∗= Mϕ.
Ejemplo 56 Sea (X, Ω, µ) en espacio de medida; en L2(µ) dado el nucleo k(x, y) ∈ L2(µ×
µ) que define al operador integral K(f ) :=RXk(x, y).f (y) dµ(y) se observa que hg; K(f )i =
Z
Xg(x).
µZ
Xk(x, y).f (y) dµ(y)
¶ dµ(x) = RRX×X³g(x).k(x, y)´.f (y) dµ(x)dµ(y) = Z X µZ Xg(x).k(x, y) dµ(x) ¶ .f (y) dµ(y) = hK∗(g); f i donde K∗(g) := R
Xg(x).k(x, y) dµ(x) que es otro operador integral, pero esta vez con
nucleo k∗(x, y) = k(y, x).
Proposici´on III.49 Sea H espacio de Hilbert y A ∈ L(H) entonces A∗∈ L(H).
Demostraci´on:
Esto es un caso especial del Corolario II.16 de Espacios Normados y el lema de Riesz. 2
En el caso de los espacios de Hilbert, el adjunto de un operador tiene propiedades ”duales” al operador, y las leyes que veremos nos seran de ayuda en la resoluci´on de problemas, y la formalizaci´on de resultados.
Proposici´on III.50 (Propiedades del adjunto) Sea H un espacio de Hilbert. Sean
A, B ∈ L(H) y α, β ∈C entonces: 1. (α.A + β.B)∗ = α.A∗+ β.B∗.
2. (AB)∗ = B∗A∗.
3. (A∗)∗ = A.
4. I∗= I , y si A es inversible entonces (A−1)∗= (A∗)−1.
5. Ker(A∗) = R(A)⊥ y su dual Ker(A) = R(A∗)⊥.
Demostraci´on:
Operadores Acotados 123 1) h(α.A + β.B)x; yi = α.hAx; yi + β.hBx; yi = α.hx; A∗yi + β.hx; B∗yi = hx; α.A∗yi + hx; β.B∗yi = hx; α.A∗+ β.B∗yi
2) hA(Bx); yi = hBx; A∗yi = hx; B∗A∗yi. Por lo tanto (AB)∗ = B∗A∗. 3)
hx; yi = hx; A∗yi = hA∗y; xi = hy; (A∗)∗xi = h(A∗)∗x; yi
Y entonces A∗∗= A.
4)a. hx; yi = hIx; yi = hx; I∗yi luego I = I∗.
b. hA−1Ax; yi = hx; A∗(A−1)∗yi entonces usando a) resulta A∗(A−1)∗ = I∗ = I, as´ı
(A−1)∗= (A∗)−1.
5)a. Dado x en H, x ∈ Ker(A∗) si y s´olo si hA∗x; yi = 0 para todo y en H, como hA∗x; yi = hx; Ayi se tiene que hx; Ayi = 0 ∀y ∈ H, o, lo que es lo mismo x ∈ R(A)⊥.
b. Usando que (A∗)∗ = A, se puede ver que esta es la proposici´on dual de a), m´as
explicitamente Ker(A) = Ker((A∗)∗) = R(A∗)⊥. 2
Dentro de los operadores acotados existen ciertas sub-clases que son de particular inter´es en la teor´ıa de operadores, sobre todo los ya estudiados operadores compactos (secci´on ??) y los operadores autoadjuntos que definiremos a continuaci´on.
Definici´on III.51 A ∈ L(H) se dir´a operador autoadjunto o hermitiano si y s´olo si
A = A∗.
Definici´on III.52 A ∈ L(H) se dir´a operador normal si y s´olo si AA∗− A∗A = 0.
Definici´on III.53 A ∈ L(H) se dir´a operador unitario si y s´olo si AA∗ = A∗A = I.
Veamos algunos ejemplos de estos operadores dentro de los espacios en los que venimos trabajando.
Ejemplo 57 Sea A ∈ L(H) entonces AA∗ y A∗A son autoadjuntos como se puede com-
Ejemplo 58 En Cn vimos que dada A ∈ L(Cn) ≡Cn×n A∗ = At, luego A es autoadjunta
siempre y cuando A sea igual a At.
Ejemplo 59 Sea (X, Ω, µ) un espacio de medida, en H = L2(µ) dada ϕ ∈ L∞(µ) defini-
mos a Mϕ ∈ L(L2(µ)). a) Como vimos (M
ϕ)∗ = Mϕ, luego Mϕ es autoadjunto siempre
y cuando f.ϕ = f.ϕ para toda funci´on 6 f en L2(µ), lo que es equivalente a ϕ = ϕ en
L2(µ), es decir simpre y cuando ϕ(z) ∈IR para casi todo punto; esto se debe a que en
realidad estamos tomando clases de funciones. b) Mϕ ser´a normal siempre y cuando
Mϕ(Mϕ)∗ = (Mϕ)∗Mϕ en B(L2(µ)), y esto se dar´a si y s´olo si ϕ.ϕ.f = |ϕ|2.f = ϕ.ϕ.f ,
es decir Mϕ siempre es normal. c) Por la misma cuenta que hicimos en b una condici´on
necesaria y suficiente para que Mϕ sea unitario es que |ϕ|2.f = f en L2(µ) ∀f ∈ L2(µ),
equivalentemente sii |ϕ| = 1 para casi todo punto.
Ejemplo 60 Sean (X, Ω, µ) un espacio de medida, H = L2(µ), y sea k(x, y) ∈ L2(µ×µ) el
nucleo del operador integral K ∈ L(L2(µ)). Entonces K es autoadjunto si y s´olo si K(f ) = R
Xk(x, y).f (y) dµ(y) = K∗(f ) =
R
Xk(y, x).f (y) dµ(y) si y s´olo si k(x, y) = k(y, x) p.p..
Por m´as que el adjunto de un operador puede tener poco que ver con el operador mismo (en el sentido de alpicaciones) sus normas est´an bien relacionadas, de hecho como lo muestra la siguiente proposici´on: son iguales.
Proposici´on III.54 Sean H un IF-espacio de Hilbert, y A ∈ L(H) entonces kAA∗k =
kA∗Ak = kAk2= kA∗k2. Demostraci´on:
kAk2 = supkxk=1hAx; Axi = sup
kxk=1
hA∗Ax; xi ≤
≤ sup
kxk=1
kA∗Axk . kxk ≤ kA∗Ak ≤ kA∗k . kAk
entonces kAk ≤ kA∗k; y por dualidad kA∗k ≤ kA∗∗k = kAk, luego kAk = kA∗k. Por
´ ultimo
kAk2 ≤ kA∗Ak ≤ kA∗k . kAk = kAk2
entonces kA∗Ak = kAk2. Y, por un razonamiento an´alogo, kAA∗k = kAk2 lo que concluye la prueba. 2
Proposici´on III.55 Sean H un C -espacio de Hilbert, y A ∈ L(H). Una condici´on
necesaria y suficiente para que el operador A sea autoadjunto es que hAx, xi est´e en IR para todo x en H.
Demostraci´on:
(⇒) Dado x ∈ H, podemos, usando las propiedades ya enunciadas, ver que para todo x punto de H hAx; xi = hx; A∗xi = hx; Axi = hAx; xi luego hAx; xi ∈IR.
Operadores Acotados 125
(⇐) Supongamos que hAx; xi ∈IR para todo x en H, entonces
hA(x + y); (x + y)i = hAx; xi + hAy; yi + hAy; xi + hAx; yi
como -por hip´otesis- los dos primeros sumandos son reales se sigue que 1 = (hAy; xi + hAx; yi) ∈IR entonces
hAy; xi + hAx; yi = hx; Ayi + hy; Axi
= hA∗x; yi + hA∗y; xi
Usando la hip´otesis una vez m´as la cantidad
hA(x + i.y); (x + i.y)i = hAx; xi + hAi.y; i.yi + i.hAy; xi − i.hAx; yi
resulta real, y por el mismo razonamiento efectuado anteriormente 2 := i. (hAy; xi − hAx; yi) ∈IR entonces
hAy; xi − hAx; yi = − (hx; Ayi − hy; Axi)
= −hA∗x; yi + hA∗y; xi
Sumando 2.hAy; xi = 1 + 2 = 2.hA∗y; xi ∀x, y ∈ H y luego A = A∗ como se afirm´o. 2
Observaci´on III.56 N´otese que en las hip´otesis de la proposici´on anterior se insiste en
que el espacio de Hilbert sea un C-espacio vectorial, o sea IF=C , de lo contrario la tesis puede no verificarse como lo muestra el contraejemlpo siguiente: En el caso de H =IR2,
considerado como IR-espacio de Hilbert con el producto usual hx; yi :=Pni=1xi.yi; en IR2
se puede definir al operador lineal y acotado A(x1, x2) := Ã 0 1 −1 0 ! Ã x1 x2 ! que no es au- toadjunto, pues A∗ = Ã 0 −1 1 0 !
6= A , sin embargo hAx; xi =³ x1 x2
´Ã 0 1 −1 0 ! Ã x1 x2 ! = x1.x2− x2.x1= 0 ∈IR ∀x ∈IR2.
En un espacio de Hilbert, podemos definir una relaci´on de orden sobre los ope- radores autoadjuntos de manera que esta resulte lineal, adem´as podremos caracterizar a estos operadores con el uso de la teoria espectral (secci´on ??) y as´ı analizar mejor (con m´as elementos) sus propiedades.
Definici´on III.57 (Operadores positivos) ¶Decimos que A ∈ L(H) es positivo si y
s´olo si
hAx; xi ≥ 0 ∀x ∈ H
Luego A ≤ B ⇐⇒ 0 ≤ B − A .
Ejemplo 61 En Cn los operadores positivos son exactamente las matrices semi-definidas
positivas, como es f´acil de comprobar. Por definici´on, A es semidefinida positiva si y s´olo si 0 ≤ hAx; xi = xt.A.x .
Ejemplo 62 En L2(µ), para que M
ϕ≥ 0 es necesario y suficiente que 0 ≤ hMϕ(f ); f i =
R
X(f.ϕ).f dµ =
R
X|f |2.ϕ dµ para toda f ∈ L2(µ), y como bi´en se puede comprobar
tomando las funciones caracter´ısticas, esto se dar´a si y s´olo si ϕ ≥ 0 p.p..
Proposici´on III.58 Sea P ∈ L(H) idempotente (P2 = P ), entonces son equivalentes:
1. P es autoadjunto. 2. P es normal.
3. P es una proyecci´on ( R(P ) = Ker(P )⊥ ).
4. P es la proyecci´on ortogonal sobre R(P ). 5. P es positivo.
Demostraci´on:
Se piden disculpas por el ”siga las flechas”que viene a continuaci´on. Si alg´un lector encontrase una demostraci´on menos laber´ıntica -le rogamos- comuniquesela a los autores, gracias.
(1 ⇒ 2) Es trivial.
(2 ⇒ 3) P es normal, luego por definici´on, P∗P = P P∗ y, para todo h ∈ H, resulta
kP hk2 = hP h; P hi = hP∗P h; hi = hP P∗h; hi = hP∗h; P∗hi = kP∗hk2
entonces Ker(P ) = Ker(P∗) = R(P )⊥ y Ker(P )⊥R(P ).
(3 ⇒ 4) Sea M := R(P ); dado h ∈ H lo reescribimos como h = (h − P h) + P h. Por hip´otesis, P h⊥h − P h pues M = R(P ) = Ker(P )⊥ y P (h − P h) = P h − P2h = 0, si definimos PM la proyecci´on ortogonal sobre M entonces este nuevo operador permite reescribir a h como (h − PMh) + PMh = h = (h − P h) + P h. Por la definici´on de la
Operadores Acotados 127
(4 ⇒ 5) Sea h ∈ H, h = h1+ h2 donde h1 ∈ R(P ) y h2 ∈ Ker(P ) entonces, como h1 es ortogonal a h2, se observa que
hP h; hi = hP (h1+ h2); h1+ h2i
= hh1; h1i + hh1; h2i + h0; h1+ h2i
= kh1k2 ≥ 0
(5 ⇒ 3) Sea h ∈ H, h = h1 + h2 donde h1 ∈ R(P ) y h2 ∈ Ker(P ), luego por hip´ote- sis 0 ≤ hP h; hi = hP (h1 + h2); h1 + h2i = hh1; h1i + hh1; h2i y − kh1k2 ≤ hh1; h2i de donde derivaremos una contradicci´on, a saber si hh1; h2i 6= 0 entonces definiendo a
f
h1 := h1 ∈ R(P ) y hf2 := −2.kh1k
2
hh1;h2i .h2 ∈ Ker(P ), reescribiendo la desigualdad anterior, y
reemplazando, tenemos que =
− kh1k2 ≤ hh1;−2.kh1k 2 hh1;h2i .h2i = −2.kh1k2 hh1;h2i .hh1; h2i = −2. kh1k2 Lo que es -claramente- absurdo pues h1 6= 0.
(3 ⇒ 1) Dados h = h1+ h2, g = g1 + g2 ∈ H donde h1, g1 ∈ R(P ) y h2, g2 ∈ Ker(P ) entonces hP h; gi = hh1; g1i y