- ⇒: L⊥M⇒PM(x)⊥L⇒PL(PM(x))=0⇒PLPM=0.
⇐: ∀x∈M, 有 PM(x)=x, 由 PLPM=0⇒PL(x)=0 即 x⊥L, 从而 L⊥M.
- ⇒: ∀x∈H, 根据正交分解定理, 存在唯一的 x0∈M,x1∈M⊥ 使得 x=x0+x1, 且有 PM(x)=x0. 另一方面, 有唯一的 x0′∈M⊥,x1′∈(M⊥)⊥=M 使得 x=x0′+x1′, 且 PL(x)=x0′. 由于分解的唯一性, 我们有 x0=x1′,x0′=x1. 进而 (PL+PM)(x)=x0+x1=x 即 PL+PM=I.
⇐: 仍考虑正交分解 ∀x∈H,x=x0+x1. 此时 PL(x)=(I−PM)(x)=x−x0=x1=PM⊥(x). 即 PL=PM⊥. 从而 L=M⊥.
- ⇒: ∀x∈H, 在 M 上正交分解 x=x0+x1, 在 L∩M 上分解 x=z0+z1, 再在 L 上分解 x0=y0+y1,x1=y0′+y1′, 由 PLPM=PL∩M, 从而 PL(PM(x))=PL(y0+y1)=y0=PL∩M(x)=z0. 那么 PM(PL(x))=PMPL(z0+z1)=PM(z0)+PMPL(y1+y0′+y1′)=z0+PM(y0′).
下证 PM(y0′)=0.
而我们有 z1=y0′+y1+y1′∈(L∩M)⊥,y1,y1′∈L⊥. 由 L∩M⊂L, 故 (L∩M)⊥⊃L⊥ 进而 y1,y1′∈(L∩M)⊥, 从而 y0′∈(L∩M)⊥.
又 y0′∈L 所以 (y0′,L⊥)=0⇒(y0′,L⊥∩M)=0. 考虑 L∩M 作为 M 上的闭线性子空间, ∀x∈M 可以唯一正交分解为 x=x0+x1, x0∈L∩M,x1∈L⊥∩M. 而此时 y0′⊥L⊥∩M, 之前证了 y0′⊥L∩M. 从而 y0′⊥M. 即有 PM(y0′)=0.
综上 PMPL(x)=z0+PM(y0′)=z0=PL∩M(x)=PLPM(x). 即 PLPM=PMPL.
⇐: ∀x∈H, 在 M 上正交分解 x=x0+x1, 再在 L 上正交分解 x0=y0+y1.
根据条件有 PLPM(x)=y0=PM(PL(x)). 因为右边最后一个算子是 PM 所以结果肯定在 M 上, 即 y0∈M.
又 y0∈L, 即 y0∈L∩M. 下面考虑 PL∩M(x)=PL∩M(y0+y1+x1)=y0+PL∩M(y1)+PL∩M(x1).
由 y1∈L⊥,x1∈M⊥ 且 L∩M⊂L,L∩M⊂M. 从而 L⊥,M⊥⊂(M∩L)⊥. 故 PL∩M(y1)=PL∩M(x1)=0. 因此有 PLPM(x)=y0=PL∩M(x). 即 PLPM=PL∩M.
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