算子矩阵的谱问题是近年来线性算子理论中较为活跃的研究课题之一, 许多学者对其进行过研究, 参见文献[1-4]及其所引文献.我们知道, 如果$M$是Hilbert空间$X$上线性算子$T$的不变子空间, 在空间分解$X=M\oplus M^{\bot}$下, 线性算子$T$有如下上三角矩阵表示:
国内外许多学者对$2\times 2$上三角算子矩阵的补问题和Weyl定理进行了研究, 取得了丰硕的研究成果[5-8].近来, $3\times 3$算子矩阵的扰动问题引起了一些学者的兴趣, 文献[9]通过对角元的信息给出了所有以这些算子为对角元的算子矩阵的Weyl型定理, 文献[10]则给出了对角元给定的所有$3\times 3$算子矩阵的可能点谱、可能剩余谱、可能连续谱和可能谱的刻画.文献[11]研究了一类$3\times 3$算子矩阵的本质谱.我们考虑$3\times3$上三角算子矩阵的点谱和剩余谱, 推广了文献[12]的结论, 给出了一类无界$3\times3$上三角算子矩阵点谱和剩余谱的完全描述, 并且在$l^{2}\times l^{2}\times l^{2}$中构造了一些剩余谱非空的上三角算子矩阵实例, 为进一步研究$3\times3$上三角算子矩阵的谱理论提供了重要事实.
除非特别说明, 本文始终用$X$表示Hilbert空间.为了简洁, $X$和乘积空间$X\times X\times X$中的单位算子均用$I$表示.若$A$是Hilbert空间中的线性算子, 我们用$D(A)$、$R(A)$和$A^{\ast}$分别表示$A$的定义域、值域和共轭算子; $N(A)$表示$A$的零空间, 即$N(A)=\{x\in D(A)|Ax=0\}$. $W^{c}$表示集合$W$相对于复数域$\mathbb{C}$的补集, $\emptyset$表示空集.
定义2.1 若$W_{1}$和$W_{2}$为$X$的子集, 则$W_{1}+W_{2}$定义为
若$W_{1}, W_{2}$中有一个为$\emptyset$, 约定$W_{1}+W_{2}=\emptyset$.
定义2.2 [13] $X$中的线性算子$T$的谱$\sigma(T)$可分为三个互不相交的集合的并集, 即
其中
1) 称$\lambda$为$T$的点谱, 如果$\lambda I-T$不是单射.点谱的全体记为$\sigma_{p}(T)$, 即
2) 称$\lambda$为$T$的剩余谱, 如果$\lambda I-T$是单射并且$\overline{R(\lambda I-T)}\neq X$.剩余谱的全体记为$\sigma_{r}(T)$, 即
3) 称$\lambda$为$T$的连续谱, 如果$\lambda I-T$是单射, $\overline{R(\lambda I-T)}= X$, 并且它的逆算子不连续.连续谱的全体记为$\sigma_{c}(T)$, 即
定理3.1 设$H= \left( \begin{array}{ccc} A & E & F \\ 0 & B & 0\\ 0 & 0 & C \\ \end{array} \right)$是Hilbert空间$X\times X\times X$中的稠定闭线性算子, $D(B)\subset D(E),D(C)\subset D(F)$, 则
其中$E_{1}=E|_{N(\lambda I-B)\setminus\{0\}}$是$E$在$N(\lambda I-B)\setminus\{0\}$的限制, $F_{1}=F|_{N(\lambda I-C)\setminus\{0\}}$是$F$在$N(\lambda I-C)\setminus\{0\}$的限制.
证 由$D(B)\subset D(E),D(C)\subset D(F)$, 可知$D(H)=D(A)\times D(B)\times D(C).$为叙述简洁, 令
先证$\sigma_{p}(A)\cup M\cup N\cup Q\subset\sigma_{p}(H)$.若$\lambda\in\sigma_{p}(A)$, 则存在$x_{0}\in D(A)$且$x_{0}\neq0$, 有$(\lambda I-A)x_{0}=0$.从而
满足如下的算子方程组
故$\lambda\in\sigma_{p}(H)$.
若$\lambda\in M$, 则有$\lambda\in\sigma_{p}(B)$, 从而$N(\lambda I-B)\setminus\{0\}\neq\emptyset$, 又由$R(E_{1})\cap R(\lambda I-A)\neq\emptyset$, 则存在$x_{0}\in D(A)$和$y_{0}\in N(\lambda I-B)\setminus\{0\}$使得
从而$Ey_{0}=(\lambda I-A)x_{0}$, 又由$y_{0}\in N(\lambda I-B)\setminus\{0\}$, 自然有$y_{0}\neq0$且$(\lambda I-B)y_{0}=0$, 从而对上面存在的$x_{0},y_{0}$, 有$\left( \begin{array}{c} x_{0} \\ y_{0} \\ 0 \\ \end{array} \right) \in D(H)$且满足方程组$(3.1)$, 因此$\lambda\in\sigma_{p}(H)$.同理可证$\lambda\in N$时, $\lambda\in\sigma_{p}(H)$.
若$\lambda\in Q$, 则$\lambda\in\sigma_{p}(B), \lambda\in\sigma_{p}(C)$, 从而$N(\lambda I-B)\setminus\{0\}\neq\emptyset$, $N(\lambda I-C)\setminus\{0\}\neq\emptyset$, 又由$R(\lambda I-A)\cap(R(E_{1})+R(F_{1}))\neq\emptyset$, 故存在$x_{0}\in D(A)$, $y_{0}\in N(\lambda I-B)\setminus\{0\}$, $z_{0}\in N(\lambda I-C)\setminus\{0\}$, 使得
从而$(\lambda I-A)x_{0}-Ey_{0}-Fz_{0}=0$, 又由$y_{0}\in N(\lambda I-B)\setminus\{0\}$, $z_{0}\in N(\lambda I-C)\setminus\{0\}$, 自然有$(\lambda I-B)y_{0}=0,(\lambda I-C)z_{0}=0$, 即$\left( \begin{array}{c} x_{0} \\ y_{0} \\ z_{0}\\ \end{array} \right) \in D(H)$且$\left( \begin{array}{c} x_{0}\\ y_{0} \\ z_{0}\\ \end{array} \right)\neq0$满足方程组$(3.1)$, 即$\lambda\in \sigma_{p}(H)$.进而证明了$\sigma_{p}(A)\cup M\cup N\cup Q\subset \sigma_{p}(H)$.
下面证明$\sigma_{p}(H)\subset \sigma_{p}(A)\cup M\cup N\cup Q $.对于任意$\lambda\in \sigma_{p}(H)$, 存在
满足方程组$(3.1)$.以下分四种情况讨论:
1) 若$y_{0}=0, z_{0}=0$, 则必有$x_{0}\neq0$, 此时方程$(\lambda I-A)x_{0}-Ey_{0}-Fz_{0}=0$变为$(\lambda I-A)x_{0}=0$, 这意味着$\lambda\in\sigma_{p}(A)$.
2) 若$y_{0}=0, z_{0}\neq0$, 则由$(\lambda I-C)z_{0}=0$可得$\lambda\in\sigma_{p}(C)$且$z_{0}\in N(\lambda I-C)\setminus\{0\}$, 此时方程组的第一个方程变为$(\lambda I-A)x_{0}-Fz_{0}=0$, 从而$(\lambda I-A)x_{0}=F_{1}z_{0}$, 即
故$\lambda\in N$.
3) 若$y_{0}\neq0, z_{0}=0$, 类似前面的证明可知$\lambda\in\sigma_{p}(B)$且$R(E_{1})\cap R(\lambda I-A)\neq\emptyset$, 因此$\lambda\in M$.
4) 若$y_{0}\neq0, z_{0}\neq0$, 则$\lambda\in\sigma_{p}(B)$, $\lambda\in\sigma_{p}(C)$, 并且有$y_{0}\in N(\lambda I-B)\setminus\{0\}$, $z_{0}\in N(\lambda I-C)\setminus\{0\}$, 且$(\lambda I-A)x_{0}=E_{1}y_{0}+F_{1}z_{0}$, 从而
若$E_{1}y_{0}\in R(\lambda I-A)$或$F_{1}z_{0}\in R(\lambda I-A)$, 则$\lambda\in M\cap N$, 从而$\lambda\in M\cup N$.若$E_{1}y_{0}\overline{\in}R(\lambda I-A)$且$F_{1}z_{0}\overline{\in}R(\lambda I-A)$, 即$R(\lambda I-A)\cap R(E_{1})=\emptyset$, $R(\lambda I-A)\cap R(F_{1})=\emptyset$, 此时$\lambda\in Q$.
综上所述$\lambda\in\sigma_{p}(H)$, 则$\lambda\in\sigma_{p}(A)\cup M\cup N\cup Q$.证毕.
注3.1 定理3.1中的结论$\sigma_{p}(H)$可描述为七个互不相交的集合之并:
由定理3.1证明中的(3.2) 和(3.3) 两式可看出, 若去掉定理3.1中条件$D(B)\subset D(E), D(C)\subset D(F)$, 有如下结论:
推论3.1 设$X$是Hilbert空间, $H= \left( \begin{array}{ccc} A & E & F \\ 0 & B & 0\\ 0 & 0 & C \\ \end{array} \right)$是$X\times X\times X$中的稠定闭线性算子, $D(H)=D(A)\times (D(E)\cap D(B))\times (D(F)\cap D(C))$, 则
其中$E_{2}=E|_{(N(\lambda I-B)\cap D(E))\setminus\{0\}}$是$E$在$(N(\lambda I-B)\cap D(E))\setminus\{0\}$的限制,
是$F$在$(N(\lambda I-C)\cap D(F))\setminus\{0\}$的限制.
定理3.2 设$X$是Hilbert空间, $H= \left( \begin{array}{ccc} A & E & F \\ 0 & B & 0\\ 0 & 0 & C \\ \end{array} \right)$是$X\times X\times X$中的稠定闭线性算子, $D(B)\subset D(E), D(C)\subset D(F)$, 则
其中$E_{3}=E|_{D(B)}$是$E$在$D(B)$的限制, $F_{3}=F|_{D(C)}$是$F$在$D(C)$的限制. $E_{1}$、$F_{1}$同定理3.1.
证 为简便计, 令
根据定理3.1, 可知$(\sigma_{p}(H))^{c}=S_{1}\cup S_{2}\cup S_{3}\cup S_{4}$.注意到$\overline{R(\lambda I-H)}\neq X\times X\times X$当且仅当
令
根据剩余谱的定义, 有
利用结合的运算律, 便证明了定理3.2.
同推论3.1, 若去掉定理3.2中关于定义域的限制条件$D(B)\subset D(E), D(C)\subset D(F)$, 则有如下的结论:
推论3.2 设$X$是Hilbert空间, $H= \left( \begin{array}{ccc} A & E & F \\ 0 & B & 0\\ 0 & 0 & C \\ \end{array} \right)$是$X\times X\times X$中的稠定闭线性算子, $D(H)=D(A)\times (D(E)\cap D(B))\times (D(F)\cap D(C))$, 则
其中$E_{4}=E|_{D(B)\cap D(E)}$是$E$在$D(B)\cap D(E)$的限制, $F_{4}=F|_{D(C)\cap D(F)}$是$F$在$D(C)\cap D(F)$的限制, $ B_{1}=B|_{D(B)\cap D(E)}$是$B$在$D(B)\cap D(E)$的限制, $C_{1}=C|_{D(C)\cap D(F)}$是$C$在$D(C)\cap D(F)$的限制. $E_{2}$、$F_{2}$定义同推论3.1.
注3.2 若$A, B, C, E, F$为$X$中的有界线性算子, 则$D(B)\subset D(E), D(C)\subset D(F)$自然成立, 故前文所有结论对于$X\times X\times X$上的有界算子矩阵$H$均适用.
本节举例说明上三角算子矩阵$H$的剩余谱可以非空, 进而验证了定理3.2的有效性.
例1 设$X=l^{2}(0, \infty)$, 对于任意$x\in l^{2}$, $x=(x_{1}, x_{2}, x_{3}, x_{4},\cdots)$, 令
记
则$-1\in\sigma_{r}(H)$, 从而$\sigma_{r}(H)$非空.
证 经计算易知$-1\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $-1\overline{\in}\sigma_{p}(B)$, $-1\overline{\in}\sigma_{p}(C)$, $\forall x, y, z\in X$, 有
易证$M$是$X$的真闭子空间, 又$R(-I-A)+R(E_{3})+R(F_{3})$包含于$M$中, 从而
综上, $-1\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $-1\overline{\in}\sigma_{p}(B)$, $-1\overline{\in}\sigma_{p}(C)$, $\overline{R(-I-A)+R(E_{3})+R(F_{3})}\neq X$.由定理3.2可知, $-1\in\sigma_{r}(H)$, 即$\sigma_{r}(H)$非空.
例2 设$X=l^{2}(0, \infty)$, 对于任意$x\in l^{2}$, $x=(x_{1}, x_{2}, x_{3}, \cdots)$, 令
且
经计算易知$-1\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $-1\in\sigma_{r}(B)$, $-1\overline{\in}\sigma_{p}(C)$, 由定理3.2可知, $-1\in\sigma_{r}(H)$, 于是$\sigma_{r}(H)$非空.
例3 设$X=l^{2}(0, \infty)$, 对于任意$x\in l^{2}$, $x=(x_{1}, x_{2}, x_{3}, \cdots)$, 令
通过计算, 有$ C=A^{\ast}$.令
则$\sigma_{r}(H)$非空.
证 经计算可知, $0\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $0\overline{\in}\sigma_{p}(B)$, $0\in\sigma_{p}(C)$且
于是$F_{1}m =(0, 0, m_{1}, 0, -2 m_{1}, \cdots)$, 由于$m_{1}\neq0$, 故$R(-A)\cap R(F_{1})=\emptyset$.对于任意$x, y, z\in X$, 有
若$-x_{2}-z_{1}=0 $, 显然$\overline{R(-A)+R(E_{3})+R(F_{3})}\neq X$.若$-x_{2}-z_{1}\neq0$, 取
进而$-Ax-E_{3}y-F_{3}z$与非零元$q$正交, 因此$q \in (R(-A)+R(E_{3})+R(F_{3}))^{\perp}$, 所以$\overline{R(-A)+R(E_{3})+R(F_{3})}\neq X $.
综上所述,
由定理3.2可知$0\in\sigma_{r}(H)$, 即$\sigma_{r}(H)$非空.
例4 设$X=l^{2}(0, \infty)$, 对于任意$x\in l^{2}$, $x=(x_{1}, x_{2}, x_{3}, \cdots)$, 令
证 首先经计算, 我们有$0\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $0\overline{\in}\sigma_{p}(B)$, $0\in\sigma_{p}(C)$且
于是$F_{1}m =(0, 0, m_{1}, 0, 0, \cdots)$, 进而$R(-A)\cap R(F_{1})=\emptyset$, 又因为$\overline{R(-C)}\neq X$.
综上$0\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $0\overline{\in}\sigma_{p}(B)$, $0\in\sigma_{p}(C)$, $R(-A)\cap R(F_{1})=\emptyset$, $\overline{R(-C)}\neq X$, 由定理3.2可知, $0\in\sigma_{r}(H)$, 即$\sigma_{r}(H)$非空.
例5 设$X=l^{2}(0, \infty)$, 对于任意$x\in l^{2}$, $x=(x_{1}, x_{2}, x_{3}, \cdots)$, 令
证 经计算易知$0\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $0\in\sigma_{p}(B)$, $0\in\sigma_{p}(C)$且
于是$F_{1}m =(0, 0, m_{1}, 0, -2m_{1}, \cdots)$, 进而$R(-A)\cap R(F_{1})=\emptyset$.同理$R(-A)\cap R(E_{1})=\emptyset$.注意到$E_{1}n+F_{1}m=(0, n_{1}, m_{1}, -n_{1}, -2m_{1}-2 n_{1}, \cdots)$, 有$R(-A)\cap( R(E_{1})+R(F_{1}))=\emptyset$.
对于任意$x, y, z\in X$, 可得
若$ -x_{1}-z_{1}=0$, 则$\overline{R(-A)+R(E_{3})+R(F_{3})}\neq X $.若$ -x_{1}-z_{1}\neq0$, 则取
由于$-Ax-E_{3}y-F_{3}z$与$q$正交, 所以, $\overline{R(-A)+R(E_{3})+R(F_{3})}\neq X $.综上$0\overline{\in}\sigma_{p}(A)$, $0\in\sigma_{p}(B)$, $0\in\sigma_{p}(C)$, $R(-A)\cap R(F_{1})=\emptyset$, $R(-A)\cap R(E_{1})=\emptyset$, $R(-A)\cap( R(E_{1})+R(F_{1})=\emptyset$, $\overline{R(-A)+R(E_{3})+R(F_{3})}\neq X $.由定理3.2可知, $0\in\sigma_{r}(H)$, 即$\sigma_{r}(H)$非空.