有界線性算子
有界線性算子是賦範空間之間的線性映射,它從不把距離放大超過某個固定的倍數。可把它想成一台機器,吸入向量、吐出向量,尊重加法與縮放,並帶有一個保證的最大放大率:沒有任何輸入會被拉伸到超過它長度的某個有限倍。
確切地說,設 X 與 Y 是賦範空間,T : X -> Y 線性,即 T(a x + b y) = a T x + b T y。若存在常數 M 使對所有 X 中的 x 有 ||T x|| <= M ||x||,則稱 T 有界。最小的這種 M 就是算子範數 ||T||。關鍵事實是:對線性映射而言,有界恰好等同於連續——線性的 T 連續若且唯若它有界,且此時它甚至是一致連續與利普希茨的。
當心術語:這裡的“有界”並不是說像是有界集——一個非零線性映射會把整個無界空間映到無界的像上。它指的是在單位球上有界,即拉伸因子有一致的上界。在無窮維中,無界(不連續)的線性映射確實存在,例如多項式空間上的微分,故有界是一個真正的假設,而非自動成立。
積分 T f = 從 0 到 1 對 f 的積分是 C[0, 1] 上的有界泛函:|T f| <= integral |f| <= max|f| = ||f||,故 ||T|| <= 1(實際上 = 1,由 f = 1 達到)。然而微分 D f = f' 無界:取 f_n(x) = sin(n x)/n,則 ||f_n|| = 1/n -> 0,而 ||D f_n|| = ||cos(n x)|| = 1,故沒有任何有限的 M 行得通。
積分有界;微分是經典的無界算子。
為何有界與連續僅對線性映射等價?線性使你能把原點處的單個界限搬到處處:若 T 在 0 處連續則處處連續,而在 0 處連續意味著小輸入給出小輸出,這恰是一個拉伸界。非線性映射缺乏這種齊次性,故對它們二者分道揚鑣。