Замкнутость линейных операторов
Определение 1.Линейный оператор А, действующий из банахова пространства
в банахово пространство
, называется замкнутым, если для любой последовательности
и такой, что последовательность
одновременно с последовательностью
,причём элемент
, а элемент
.
Комментарий. Из определения следует, что если
, то непрерывный линейный оператор всегда замкнут (НЛО всегда ЗЛО: “теорема о пришельцах”). Обратное, вообще говоря, неверно. То есть существуют замкнутые линейные операторы с областью определения, плотной в X, которые не являются непрерывными.
Пример 1. Покажем, что оператор дифференцирования
не ограничен, если действует из
в
.
Пусть оператор дифференцирования
действует из
в
, то есть операторное уравнение имеет вид
. Этот оператор определен не на всем пространстве непрерывных функций, а лишь на подпространстве непрерывных функций, имеющих непрерывную производную. Вообще, характерной особенностью разрывных операторов является то, что они не определены на всём пространстве. В пространстве
норма
.Возьмем из
последовательность
. Она ограничена в
:
. Рассмотрим
.Тогда
. Таким образом, оператор
переводит ограниченное множество в неограниченное, то есть этот оператор не является ограниченным. Такая же ситуация с последовательностью
. В
норма
, а
. Тогда
, то есть оператор дифференцирования
не ограничен, то есть не является непрерывным. Это значит, что прямая задача некорректна на данной паре пространств
. 
Но если в пространстве исходных данных
выбрать более сильную норму, то ситуация изменится.
Рассмотрим пространство
как пространство
, а пространство
как пространство
. Тогда
Теперь
и задача дифференцирования стала корректной, но на паре пространств
. 
На паре пространств
оператор дифференцирования является замкнутым, если область его определения есть
.
Действительно, пусть последовательность
в
,
. Тогда последовательности
и
сходятся равномерно на сегменте
и работает теорема о почленном дифференцировании последовательности функций. Отсюда
, то есть функция
принадлежит области определения оператора
и
. Но это и означает замкнутость оператора
. 
Комментарий. Заметим, что хотя на паре пространств
прямая задача дифференцирования корректна, обратная не корректна, так как оператор
является вырожденным. Его ядро нетривиально и состоит из функций
. Чтобы найти
, нужно для любой функции
решить уравнение
. Но первообразная непрерывной функции определяется с точностью до постоянной - элемента из
оператора
. Поэтому обратный оператор не существует. Для того чтобы он существовал, то есть задача стала корректной, надо поставить задачу Коши. Определим, например, оператор
на подпространстве
непрерывно дифференцируемых функций
, удовлетворяющих условию
. Решение этой задачи Коши есть
, тогда
.
Определение 2. Прямым произведением
линейных пространств
и
называют множество всех упорядоченных пар
,
, причём
.
произвольное число.
Комментарий. Нетрудно видеть, что
линейное пространство. Если
и
нормированные пространства, то
нормированное пространство с нормой
.
Определение 3. Пусть оператор
действует из банахова пространства
в банахово пространство
. Графиком оператора
называется множество пар
, то есть
.
Определение 4. Пусть
линейное многообразие пространства
. График оператора
замкнут, если из того, что
следует, что
, а
.
Таким образом, линейный оператор
, действующий из
в банахово пространство
, замкнут, если его график есть замкнутое линейное подпространство пространства
.
Теорема1. Пусть
, где А – замкнутый линейный оператор, имеющий обратный оператор
. Тогда
также является замкнутым.
График оператора
может быть получен из графика оператора А путем ''перестановки" точек:
это одни и те же точки.
Пример (продолжение). Посмотрим теперь на оператор дифференцирования как на обратный к оператору интегрирования
, заданному на паре пространств
. Равномерно сходящуюся последовательность функций всегда можно почленно интегрировать, то есть
и оператор интегрирования непрерывен. Тогда по “теореме о пришельцах” он замкнут. Обратным к нему является оператор дифференцирования, который замкнут согласнотеореме1.
Комментарий. Почти очевидно, что
банахово пространство, если и только если
и
банаховы.Если
, то НЛО всегда ЗЛО. Когда верно обратное?
Теорема2. (теорема Банаха о замкнутом графике). Пусть
, где линейный оператор
, отображающий всё банахово пространство
на всё банахово пространство
, имеет замкнутый график. Тогда
- линейный непрерывный оператор.
1. Покажем, что
есть подпространство
. Пусть
и
. Тогда их линейная комбинация
Поскольку оператор А – ЗЛО по условию, то
замкнут в
, то есть это подпространство.
2. На подпространстве
(замкнутое подпространство банахова пространства само является банаховым пространством)
рассмотрим оператор проецирования
, действующий по правилу
. Это линейный оператор, так как
Таким образом, оператор
биективно отображает банахово пространство
на банахово пространство
. Покажем, что он непрерывен:
. Тогда по теореме Банаха о гомеоморфизме существует непрерывный линейный обратный оператор
:
то есть
. Тогда
линейный непрерывный оператор. 
Комментарий. Для оператора
, отображающего всё банахово пространство
на всё банахово пространство
, понятия замкнутости и непрерывности совпадают. Выясним, при каких условиях эти понятия совпадают, если
.
Теорема3(Критерий замкнутости линейного оператора) Пусть
, где пространства
и
банаховы.Линейный непрерывный оператор А замкнут, если и только если множество
замкнуто.
Необходимость. Пусть оператор
НЛО и множество
замкнуто. Покажем, что
замкнут. Рассмотрим последовательность
. Так как множество
замкнуто,
, а из того, что оператор
непрерывен, следует, что
, что и означает замкнутость оператора
.
Достаточность. Пусть оператор
НЛО и замкнут. Покажем, что множество
замкнуто. Пусть
,
, а
- предельная точка
. Тогда
, то есть последовательность
фундаментальна. Так как пространство
банахово, то последовательность
, а из замкнутости оператора
следует, что
.