핵작용소

함수해석학에서, 핵작용소(核作用素, 영어: nuclear operator)는 그 성분들의 ${\displaystyle p}$거듭제곱들의 합이 수렴하는 콤팩트 작용소이다. 특히, ${\displaystyle p=1}$일 경우(즉, 성분들의 합이 절대 수렴)를 대각합류 작용소(對角合類作用素, 영어: trace-class operator)라고 하며, 이 경우 무한 차원의 경우에도 대각합을 정의할 수 있다. ${\displaystyle p=2}$인 경우를 힐베르트-슈미트 작용소(Hilbert-Schmidt作用素, 영어: Hilbert–Schmidt operator)라고 한다.

정의

${\displaystyle \mathbb {K} \in \{\mathbb {R} ,\mathbb {C} \}}$가 실수체 또는 복소수체 가운데 하나라고 하자. 임의의 양의 실수 ${\displaystyle p\in \mathbb {R} ^{+}}$가 주어졌다고 하자.

두 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-힐베르트 공간 ${\displaystyle V}$, ${\displaystyle W}$ 사이의 유계 작용소

${\displaystyle T\colon V\to W}$

가 다음과 같은 꼴의 급수로 표현될 수 있다면, ${\displaystyle T}$를 ${\displaystyle p}$차 핵작용소(${\displaystyle p}$次核作用素, 영어: ${\displaystyle p}$-nuclear operator)라고 한다.

${\displaystyle T=\sum _{0\leq i<N}\alpha _{i}f_{i}\langle e_{i},-\rangle }$

여기서

• ${\displaystyle 0\leq N\leq \infty }$이다.
• ${\displaystyle (e_{i})_{0\leq i<N}}$는 ${\displaystyle V}$ 속의 정규 직교열이다. 즉, ${\displaystyle \langle e_{i},e_{j}\rangle =\delta _{ij}}$이어야 한다. (그러나 ${\displaystyle (e_{i})_{0\leq i<N}}$는 ${\displaystyle V}$의 정규 직교 기저일 필요가 없다. 예를 들어, 만약 ${\displaystyle V}$가 분해 가능 공간이 아니라면 이는 정규 직교 기저일 수 없다.)
• ${\displaystyle (f_{i})_{0\leq i<N}}$는 ${\displaystyle W}$ 속의 정규 직교열이다. 즉, ${\displaystyle \langle f_{i},f_{j}\rangle =\delta _{ij}}$이어야 한다. (그러나 ${\displaystyle (f_{i})_{0\leq i<N}}$는 ${\displaystyle W}$의 정규 직교 기저일 필요가 없다. 예를 들어, 만약 ${\displaystyle W}$가 분해 가능 공간이 아니라면 이는 정규 직교 기저일 수 없다.)
• ${\displaystyle (\alpha _{i})_{0\leq i<N}\in \operatorname {L} ^{p}(\{i\}_{0\leq i<N};\mathbb {K} )}$. (여기서 ${\displaystyle \operatorname {L} ^{p}(\{i\}_{0\leq i<N};\mathbb {K} )}$은 크기 ${\displaystyle N}$의 이산 공간 위의 르베그 공간이다. 만약 ${\displaystyle N=\infty }$라면 이는 ${\displaystyle \ell ^{p}(\mathbb {K} )}$이며, ${\displaystyle N<\infty }$라면 이는 ${\displaystyle \mathbb {K} ^{N}}$이다.)
• 급수의 수렴은 유계 작용소 공간 ${\displaystyle \operatorname {B} (V,W)}$의 작용소 노름에 대한 것이다.

만약 ${\displaystyle p=1}$일 경우, 1차 핵작용소는 대각합류 작용소 또는 단순히 핵작용소라고 불린다.^{[1]:207, §VI.6} 만약 ${\displaystyle p=2}$일 경우, 2차 핵작용소는 힐베르트-슈미트 작용소라고 불린다.^{[1]:210, §VI.6}

${\displaystyle V}$와 ${\displaystyle W}$ 사이의 ${\displaystyle p}$차 핵작용소들의 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-벡터 공간을

${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)\subseteq \operatorname {B} (V,W)}$

로 표기하자. 이는 유계 작용소 공간 ${\displaystyle \operatorname {B} (V,W)}$의 부분 공간이므로, 따라서 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-노름 공간을 이룬다.

바나흐 공간의 경우

핵작용소의 정의는 ${\displaystyle 0<p\leq 1}$의 경우 바나흐 공간으로 일반화될 수 있다.^[2][3] 그러나 ${\displaystyle p>1}$일 경우 이는 그렇지 않다.^[4][5]

연산

대각합

임의의 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-힐베르트 공간 ${\displaystyle V}$에 대하여, ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{1}(V,V)}$ 위에 다음과 같은 함수를 정의할 수 있으며, 이를 대각합이라고 한다.

${\displaystyle \operatorname {tr} \colon {\mathfrak {S}}_{p}(V,V)\to \mathbb {K} }$

${\displaystyle \operatorname {tr} \left(\sum _{0\leq i<N}\langle e_{i},-\rangle \alpha _{ij}e_{j}\right)=\sum _{i=0}^{N}\alpha _{ij}}$

이는 사용되는 정규 직교 벡터열 ${\displaystyle e_{i}}$에 의존하지 않음을 보일 수 있다.

이는 ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{1}(V,V)}$ 위의 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-선형 변환을 이룬다.

샤텐 노름

마찬가지로, ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)}$ 위에 다음과 같은 샤텐 ${\displaystyle p}$-노름(영어: Schatten ${\displaystyle p}$-norm)을 정의할 수 있다.

${\displaystyle \|\|_{p}\colon {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)\to \mathbb {R} _{\geq 0}}$

${\displaystyle \|\|_{p}\colon T\mapsto \operatorname {tr} _{V}(T^{*}T)^{p/2}=\operatorname {tr} _{W}(TT^{*})^{p/2}}$

(${\displaystyle T^{*}}$는 에르미트 수반이다. ${\displaystyle 1/q}$거듭제곱을 취하는 것은 ${\displaystyle T^{*}T}$가 자기 수반 작용소이기 때문에 가능하며, 그 결과는 항상 ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{1}}$에 속한다.) (물론, ${\displaystyle p<1}$일 경우 샤텐 ${\displaystyle p}$-노름은 사실 노름이 아니다.) 이는 위와 동치로 ${\displaystyle T}$의 (대수적 중복수를 고려한) 특잇값 ${\displaystyle (s_{i})_{i=0}^{N}}$들이 주어졌을 때

${\displaystyle \|T\|=\sum _{0\leq i<N}|s_{i}|^{p}}$

로 정의될 수 있다.

위와 같은 ${\displaystyle p}$-노름을 부여하면, ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)}$는 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-바나흐 공간을 이룬다.^{[4]:232, §1}

힐베르트-슈미트 내적

특히, ${\displaystyle p=2}$인 경우, ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{2}(V,W)}$는 힐베르트 공간을 이룬다. 구체적으로, 그 내적은 다음과 같다.

${\displaystyle \langle S,T\rangle =\operatorname {tr} (S^{*}T)}$

이 내적은 힐베르트-슈미트 내적(Hilbert-Schmidt內積, 영어: Hilbert–Schmidt inner product)이라고 한다.

이에 따라, 다음과 같은 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-힐베르트 공간 사이의 동형(유니터리 변환)이 존재한다.

${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{2}(V,W)\to {\bar {V}}{\hat {\otimes }}_{\mathbb {K} }W}$

${\displaystyle \sum _{0\leq i<N}\langle e_{i},-\rangle \alpha _{ij}f_{j}\mapsto \sum _{0\leq i<N}\alpha _{ij}{\bar {e}}_{i}\otimes _{\mathbb {K} }f_{j}}$

여기서 ${\displaystyle {\hat {\otimes }}_{\mathbb {K} }}$는 (대수적) ${\displaystyle \mathbb {K} }$-텐서곱의 완비화 (=힐베르트 텐서곱)를 뜻한다.

임의의 ${\displaystyle 0<p<2}$에 대하여, ${\displaystyle {\mathcal {S}}_{p}(V,V)}$ 위에도 힐베르트-슈미트 내적을 부여할 수 있으나, 이 경우 일반적으로 이 내적 공간은 힐베르트 공간을 이루지 못하며, 내적에 대한 완비화는 ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{2}(V,V)}$이다.

성질

포함 관계

정의에 따라, 임의의 ${\displaystyle 0<p\leq p'<\infty }$에 대하여 다음이 성립한다.

${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)\subseteq {\mathfrak {S}}_{p'}(V,W)}$

또한, 만약 ${\displaystyle V}$와 ${\displaystyle W}$가 무한 차원이라면 이 포함 관계는 일치하지 않는다. (만약 ${\displaystyle V}$와 ${\displaystyle W}$가 유한 차원이라면 물론 항상 ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)=\operatorname {B} (V,W)}$이다.)

특히, 두 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-힐베르트 공간 사이의 선형 변환에 대하여 다음과 같은 포함 관계가 성립한다.

선형 변환 ⊇ 유계 작용소 ⊇ 콤팩트 작용소 ⊇ 힐베르트-슈미트 작용소 ⊇ 대각합류 작용소

연산에 대한 닫힘

임의의 ${\displaystyle 0<p<\infty }$에 대하여, ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)}$는 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-벡터 공간을 이룬다. 즉, 이들은 유한 합과 스칼라 곱에 대하여 닫혀 있다. 또한, 임의의 ${\displaystyle T\in {\mathfrak {S}}_{p}(V,W)}$에 대하여, 그 에르미트 수반 역시 다음과 같은 핵작용소이다.

${\displaystyle T^{*}\in {\mathfrak {S}}_{p}(W,V)}$

만약 ${\displaystyle V=W}$일 경우, 임의의 ${\displaystyle 0<p<\infty }$에 대하여, ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{p}(V,V)\subseteq \operatorname {B} (V,V)}$는 바나흐 대수 ${\displaystyle \operatorname {B} (V,V)}$의 양쪽 아이디얼을 이룬다.^{[4]:232, §1}

다음과 같은 곱셈 정리(-定理, 영어: multiplication theorem)가 성립한다. 임의의

${\displaystyle 0<p,q<\infty }$

에 대하여,

${\displaystyle 1/r=1/p+1/q}$

를 정의하면, 임의의 세 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-힐베르트 공간 ${\displaystyle U,V,W}$에 대하여 다음이 성립한다.^{[4]:232, §1}

${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{q}(V,W){\mathfrak {S}}_{p}(U,V)\subseteq {\mathfrak {S}}_{r}(U,W)}$

${\displaystyle \|TS\|_{r}r\leq \|T\|_{q}\|S\|_{p}\qquad \forall S\in {\mathfrak {S}}_{p}(U,V),\;T\in {\mathfrak {S}}_{q}(V,W)}$

위상수학적 성질

힐베르트 공간 ${\displaystyle V}$에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.

• ${\displaystyle {\mathfrak {S}}_{2}(V,V)\subseteq \operatorname {B} (V,V)}$는 (유계 작용소들의 바나흐 대수 ${\displaystyle \operatorname {B} (V,V)}$에 작용소 노름 위상을 부여하였을 때) 닫힌집합이다.
• ${\displaystyle V}$는 유한 차원 ${\displaystyle \mathbb {K} }$-힐베르트 공간이다.

고윳값과의 관계

다음이 주어졌다고 하자.

• ${\displaystyle \mathbb {K} }$-힐베르트 공간 ${\displaystyle V}$
• 대각합류 작용소 ${\displaystyle T\in {\mathfrak {S}}_{1}(V,V)}$
• ${\displaystyle T}$의 고윳값들이 (대수적 중복수를 포함하여) ${\displaystyle (\lambda _{i})_{0\leq i<\dim _{\mathbb {K} }{\mathcal {H}}}}$라고 하자.

그렇다면, 리츠키 정리(Лидский定理, 영어: Lidskii’s theorem)에 따르면 다음이 성립한다.

${\displaystyle \operatorname {tr} T=\sum _{0\leq i<\dim _{\mathbb {K} }{\mathcal {H}}}\lambda _{i}}$

예

힐베르트-슈미트 작용소의 대표적인 예는 힐베르트-슈미트 적분 작용소(영어: Hilbert–Schmidt integral operator)이다.

연결 열린집합 ${\displaystyle U\subseteq \mathbb {R} ^{n}}$ 및 함수

${\displaystyle f\in \operatorname {L} ^{2}(U\times U;\mathbb {C} )}$

가 주어졌다고 하자. 그렇다면, ${\displaystyle f}$에 대응하는 힐베르트-슈미트 적분 작용소는 다음과 같다.

${\displaystyle T\colon \operatorname {L} ^{2}(U;\mathbb {C} )\to \operatorname {L} ^{2}(U;\mathbb {C} )}$

${\displaystyle Tu(x)=\int _{U}f(x,y)u(y)\,\mathrm {d} y}$

이 경우, 그 힐베르트-슈미트 노름은 ${\displaystyle f}$의 L² 노름과 같다.

${\displaystyle \|T\|_{2}=\|f\|_{\operatorname {L} ^{2}}}$

역사

힐베르트-슈미트 적분 작용소는 다비트 힐베르트^[6][7][8][9]와 에르하르트 슈미트^[10][11][12] 가 1900년대에 연구하였다. 이후 그 특성을 임의의 힐베르트 공간에 대하여 추상화하여 힐베르트-슈미트 작용소의 개념이 도입되었다.

힐베르트 공간에서, 임의의 ${\displaystyle p}$에 대한 ${\displaystyle p}$-핵작용소의 개념은 로베르트 샤텐(폴란드어: Robert Schatten, 1911~1977)과 존 폰 노이만이 1948년에 도입하였다.^[13]:580

리츠키 정리는 우크라이나 태생의 수학자 빅토르 보리소비치 리츠키(러시아어: Ви́ктор Бори́сович Ли́дский, 우크라이나어: Ві́ктор Бори́сович Лі́дський 빅토르 보리소비치 리지키^[*], 1924~2008)가 증명하였다.