Серия Неймана - Википедия - Neumann series

А Серия Неймана это математический ряд формы

${ Displaystyle сумма _ {к = 0} ^ { infty} T ^ {k}}$

куда Т является оператор и ${ displaystyle T ^ {k}: = {} T ^ {k-1} circ {T}}$ это k раз повторное применение. Это обобщает геометрическая серия.

Серия названа в честь математика. Карл Нойманн, который использовал его в 1877 году в контексте теория потенциала. Серия Neumann используется в функциональный анализ. Он составляет основу Лиувилля-Неймана, который используется для решения Интегральные уравнения Фредгольма. Это также важно при изучении спектр ограниченных операторов.

Характеристики

Предположим, что Т - линейный ограниченный оператор на нормированное векторное пространство Икс. Если серия Неймана сходится в норма оператора, то Id - Т является обратимый и его обратный ряд:

${ displaystyle ( mathrm {Id} -T) ^ {- 1} = sum _ {k = 0} ^ { infty} T ^ {k}}$,

куда ${ displaystyle mathrm {Id}}$ это оператор идентификации в Икс. Чтобы понять почему, рассмотрим частичные суммы

${ displaystyle S_ {n}: = sum _ {k = 0} ^ {n} T ^ {k}}$.

Тогда у нас есть

${ displaystyle lim _ {n rightarrow infty} ( mathrm {Id} -T) S_ {n} = lim _ {n rightarrow infty} left ( sum _ {k = 0} ^ { n} T ^ {k} - sum _ {k = 0} ^ {n} T ^ {k + 1} right) = lim _ {n rightarrow infty} left ( mathrm {Id} - T ^ {n + 1} right) = mathrm {Id}.}$

Этот результат для операторов аналогичен геометрическая серия в ${ Displaystyle mathbb {R}}$, в котором находим:

${ displaystyle (1-x) cdot (1 + x + x ^ {2} + cdots + x ^ {n-1} + x ^ {n}) = 1-x ^ {n + 1},}$

${ displaystyle 1 + x + x ^ {2} + cdots = { frac {1} {1-x}}.}$

Один случай, когда сходимость гарантирована, - это когда Икс это Банахово пространство и |Т| <1 в операторной норме или ${ displaystyle sum | T ^ {n} |}$ сходится. Однако есть также результаты, которые дают более слабые условия сходимости ряда.

Пример

Позволять ${ displaystyle C in mathbb {R} ^ {3 times 3}}$ быть предоставленным:

${ displaystyle { begin {pmatrix} 0 & { frac {1} {2}} & { frac {1} {4}} { frac {5} {7}} & 0 & { frac {1} {7}} { frac {3} {10}} & { frac {3} {5}} & 0 end {pmatrix}}.}$

Нам нужно показать, что C меньше единицы в некоторых норма. Поэтому рассчитываем:

${ displaystyle { begin {align} || C || _ { infty} & = max _ {i} sum _ {j} | c_ {ij} | = max left lbrace { frac { 3} {4}}, { frac {6} {7}}, { frac {9} {10}} right rbrace = { frac {9} {10}} <1. end {выровнено }}}$

Таким образом, мы знаем из приведенного выше утверждения, что ${ Displaystyle (I-C) ^ {- 1}}$ существуют.

Множество обратимых операторов открыто

Следствие состоит в том, что множество обратимых операторов между двумя банаховыми пространствами B и B ' открыто в топологии, индуцированной операторной нормой. Действительно, пусть S : B → B'- обратимый оператор и пусть Т: B → B'быть другим оператором. Если

|S – Т | < |S⁻¹|⁻¹,

тогда Т также обратимо.

Поскольку | Id - S⁻¹Т| <1 ряд Неймана Σ (Id - (S⁻¹Т))^k сходится, поэтому имеем

Т⁻¹S = (Id - (Id - S⁻¹Т))⁻¹ = Σ (Id - (S⁻¹Т))^k.

Принимая нормы, получаем

|Т⁻¹S| ≤ 1 / (1 - | Id - (S⁻¹Т)|).

Норма Т⁻¹ может быть ограничено

${ displaystyle | T ^ {- 1} | leq { tfrac {1} {1-q}} | S ^ {- 1} | quad { text {where}} quad q = | ST | , | S ^ {- 1} |.}$

Приложения

Серия Neumann использовалась для линейного обнаружения данных в массовых многопользовательских беспроводных системах с множеством входов и выходов (MIMO). Использование усеченного ряда Неймана позволяет избежать вычисления явной обратной матрицы, что снижает сложность определения линейных данных с кубической до квадратной.^[1]

Рекомендации

• Вернер, Дирк (2005). Функциональный анализ (на немецком). Springer Verlag. ISBN  3-540-43586-7.