О λ-коммутировании, левом (правом) псевдоспектре и левом (правом) условном псевдоспектре линейных непрерывных операторов на ультраметрических банаховых пространствах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе мы демонстрируем некоторые спектральные свойства λ-коммутирования линейных непрерывных операторов в ультраметрических банаховых пространствах, а также изучаем операторные уравнения ASB=S и AS=SB. Мы рассматриваем некоторые свойства этих операторных уравнений; приводим иллюстративные примеры. С другой стороны, мы вводим и изучаем левый (правый) псевдоспектр и левый (правый) условный псевдоспектр линейных непрерывных операторов в ультраметрических банаховых пространствах. Мы доказываем, что левые псевдоспектры, связанные с различными ε>0, являются вложенными множествами, а пересечение всех левых псевдоспектров является левым спектром. Мы выявляем связь между левым (правым) псевдоспектром и левым (правым) условным псевдоспектром. Более того, доказываем еще ряд результатов, касающихся левого (правого) псевдоспектра и левого (правого) условного псевдоспектра линейных непрерывных операторов в ультраметрических банаховых пространствах.

Полный текст

1. Introduction and preliminaries

The classical theory of commutators was studied by H. Weyl [1] and J. von Neumann [2] and it played an important role in quantum mechanics [3–5]. In [6], C. R. Putnam collected some properties of the commutation of continuous linear operators in a Hilbert space over the field of complex numbers . Recently, many researchers studied and explored the operator equation AS=λSA where λ\{0}, A and S are continuous linear operators on complex Hilbert spaces, see [7–9].

In ultrametric operator theory, the author [10] extended and studied the operator equation of the form AS=λSA where λK\{0}, A and S are continuous linear operators on ultrametric Banach spaces over K. He presented some spectral properties of λ-commuting operators on ultrametric Banach spaces over  and he gave an illustrative examples, see [10].

Recently, A. Ammar et al. [11] introduced and studied the pseudospectra of closed linear operators on ultrametric Banach spaces. On the other hand, A. Ammar et al. [12] introduced and studied the condition pseudospectra of continuous linear operators on ultrametric Banach spaces and gave some of its properties.

In [13], the author presented and studied the determinant spectrum, the -determinant spectrum, and the C-trace pseudospectrum of ultrametric matrix pencils.

There are many studies on pseudospectra and condition pseudospectra of continuous linear operator pencils and λ-commuting of operators in ultrametric operator theory, see [14–17]. In Section 5, we consider the problem of finding the eigenvalues of the generalized eigenvalue problem of the form

P(λ)x=0,

where P(λ)=k=0mλkAk, AkMn(K), λK, xKn and Mn(K) is the space of all n×n matrices over K. I is the identity matrix of Mn(K). If CMn(K), the determinant of C is denoted by det(C) (for details on the space Mn(K) see [18] and [19]).

Throughout this paper, p is the field of p-adic numbers, E is an ultrametric infinite-dimensional Banach space over a complete ultrametric valued field K with a non-trivial valuation || and L(Ε) denotes the set of all continuous linear operators on E. Recall that K is called spherically complete if each decreasing sequence of balls in K has a non-empty intersection. For more details, see [20]. Let SL(Ε), R(S), N(S), S, σp(S), σ(S) and ρ(S) denote the range, the kernel, the adjoint, the point spectrum, the spectrum and the resolvent set of S respectively [20].

The aim of this paper is to demonstrate some spectral properties of λ-commuting of continuous linear operators on ultrametric Banach spaces and we introduce and study the operator equations AS=SB and ASB=S for some SL(Ε). Moreover, some illustrative examples are provided. On the other hand, we introduce and study the left (right) pseudospectrum and the left (right) condition pseudospectrum of continuous linear operators on ultrametric Banach spaces. We obtain some results related to them. We continue by recalling some preliminaries.

Definition 1.1. [20] A field K is said to be ultrametric if it is endowed with an absolute value ||:K+ such that 

(i) |α|=0 if, and only if, α=0; 

(ii) For all λ,αK,|λα|=|λ||α|; 

(iii) For each λ,αK,|λ+α|max{|λ|,|α|}.

Definition 1.2. [20] Let E be a vector space over K. A mapping :Ε+ is said to be an ultrametric norm if: 

(i) For all xE, x=0 if and only if x=0, 

(ii) For any xE and λK, λx=|λ|x, 

(iii) For each x,yE, x+ymax(x,y). 

Definition 1.3. [20] An ultrametric Banach space is a complete ultrametric normed space.

Example 1.1. [20] Let c0K be the space of all sequences xii in K such that limixi=0. Then c0K is a vector space over K and

xii=supi|xi|

is an ultrametric norm for which c0K, is an ultrametric Banach space.

Theorem 1.1. [21] Let E be an ultrametric Banach space over a spherically complete field K. For each xΕ=Ε\{0}, there exists xE such that x(x)=1 and x=x1. 

Definition 1.4. [20] An ultrametric Banach space E over K is called a free Banach space if there is a family (xi)iIΕ indexed by a set I such that all xE is written in a unique fashion as x=iIλixi and x=supiI|λi|xi. The family (xi)iI is called an orthogonal basis for E. If, for each iI, xi=1, hence xiiI is called an orthonormal basis of E. 

Definition 1.5. [20] Let ω=(ωi)i be a sequence of K=K\{0}. We define Eω by

Εω={x=(xi)i:i  xiK,  and  limi|ωi|12|xi|=0},

and it is equipped with the norm

xΕω:x=(xi)i  x=supi(|ωi|12|xi|).

Remark 1.1. [20]

(i) The space (Εω,) is an ultrametric Banach space.

(ii) If

,:Εω×ΕωK,   (x,y)i=0xiyiωi,

where x=(xi)i and y=(yi)i. Then the space (Εω,,,) is called an ultrametric Hilbert space.

(iii) The orthogonal basis {ei,i} is called the canonical basis of Eω where for all i, ei=|ωi|12. 

Remark 1.2. [20] Let K=p, if p1(mod4), then i=1p and i2=1. 

Definition 1.6. [20] Let SMn(K). The spectrum σ(S) of S is defined by

σ(S)={λK:SλI  is not invertible}.

By Definition 6 of [13] (where B=I), we have the following:

Definition 1.7. If SMn(K) and ε>0. Then the ε-determinant spectrum dε(S) of S is the following set:

From Remark 2 of [13] (where B=I), we get

Remark 1.3. Note that for each SMn(K) and ε>0, σ(S)dε(S) and d0(S)=σ(S). 

The λ-commuting of operators is defined as follows.

Definition 1.8. [10] Let A,BL(Ε), A and B are called λ-commuting operators if AB=λBA for some λK. 

Example 1.2. [10] Let K=p with p1(mod4), let A and B be defined on p×p respectively by

A=0110  andB=0ii0.

Then AB=BA.

Example 1.3. [10] Let λK, let A and B be defined on K3 by

A=1001λ01λλ2  andB=000100010.

Then AB=λBA. 

Example 1.3. [10] Let λK such that |λ|>1 and let A,BL(c0(K)) be given respectively by

B(x1,x2,x3,)=(x1λ,x2λ2,x3λ3,)  forall  (x1,x2,x3,)c0(K)

and

forall  n1,  Aen=en+1,

where (en)n1 is a base of c0(K). Hence AB=λBA. 

Let AL(Ε) be given, set Sλ(A)={BL(Ε):AB=λBA}. We collect some properties of λ-commuting operators.

Proportion 1.1. [10] Let AL(Ε) and λK.  

(i) If B1,B2Sλ(A), hence B1+B2Sλ(A) and B1B2Sλ2(A); 

(ii) If B is invertible and λ0, then B1S1λ(A); 

(iii) Sλ(A) is closed in the uniform operator topology 

(iv) If AB=λBA and AB0, then Ap(B)=p(λB)A where p is a non-constant polynomial.

Proposition 1.2. [10] Let A,BL(Ε) and λp such that AB=λBA, AB0 and B<p11p. Then

AeB=eλBA.

Proposition 1.3. [10] If A,BL(Ε), λK with AB=λBA, hence σp(AB)=λσp(BA). 

Proposition 1.4. [10] Let A,BL(Ε), λK with AB=λBA. Then ρ(AB)λρ(BA). Furthermore, for any μρ(AB),  

Proposition 1.5. [10] Let A,BL(Ε) and λK with AB=λBA. Then 

(i) N(AB)=N(BA); 

(ii) R(AB)=R(BA); 

(iii) For all μK,N(ABμ)=N(BAλ1μ); 

(iv) For any μK,R(ABμ)=R(BAλ1μ). 

From Proposition 1.5, we conclude:

Theorem 1.2. [10] If A,BL(Ε) and λK with AB=λBA, then

σe(AB)=λσe(BA).

For AL(Ε), set r(A)=limnAn1n. We have the following proposition.

Proposition 1.6. [10] Let A,BL(Ε) and λK with |λ|=1 and AB=λBA. Then r(AB)r(A)r(B). 

We continue with the following definitions.

Definition 1.9. [20] Let E be a non-Archimedean Banach space over K and let BL(Ε), the spectrum σ(B) of B is defined by

σ(B)={μK:BμI  isnotinvertible},

the resolvent set of B is defined by ρ(B)=K\σ(B). 

Definition 1.10. [13] Let BMn(K), the trace Tr(B) of B is defined by inbi,i where for each i{1,,n}, bi,iK are diagonal coefficients of B

Proposition 1.7. [13] Let B,CMn(K). Then 

(i) For any λK, Tr(B+λC)=Tr(B)+λTr(C), 

(ii) Tr(BC)=Tr(CB). 

We have:

Definition 1.11. [13] Let BMn(K), ε>0, the trace pseudospectrum Trε(B) of B is given by

Trε(B)=σ(B){λK:|Tr(BλI)|ε}.

The trace pseudoresolvent Trρε(B) of B is defined by

Trρε(B)=ρ(B){μK:|Tr(BμI)|>ε}.

Lemma 1.1. [20] Let SL(Ε) with S<1, then (IS)11. 

2. λ-commuting of ultrametric operators

Similar to the proof of Proposition 1, we conclude:

Proposition 2.1. Let A,BL(Ε) and λK such that |λ|=1 and AB=λBA. Then r(BA)r(A)r(B). 

Question: In Proposition 2.1, if |λ|1, does r(BA)r(A)r(B) hold?

Definition 2.1. Suppose that Ε|K|. Let AL(Ε), the approximate spectrum σap(A) of A is defined by

σap(A)={μK:(xn)nΕnxn=1andlimn(AμI)xn=0}.

Proposition 2.2. Suppose that Ε|K|. If A,BL(Ε), λK with AB=λBA0, then σap(AB)=λσap(BA). 

Proof. Let μσap(AB), then there is (xn)n in E such that for each n, xn=1 and limn(ABμI)xn=0. Since

(BAμλI)xn=(ABμI)xn|λ|. (2.1)

Then μλσap(BA) that is, μλσap(BA). Similarly, if μλσap(BA) and using (1), we get μσap(AB). 

Lemma 2.1. Let A,BL(Ε), λK such that AB=λBA0. Then for any n, AnB=λnBAn. 

Proof. Since AB=λBA0. Then A2B=λABA=λ2BA2. One can see that for all n, AnB=λnBAn. 

Proposition 2.3. Let A,BL(Ε), λp such that AB=λBA, AB0 and A<p11p. Then

eAB=BeλA.

Proof. By A<p11p, we get eA and eλA exist. Since AB=λBA0. Using Lemma 2, we conclude that

eAB=BeλA.  

In the finite-dimensional ultrametric Banach space, we obtain.

Proposition 2.4. If A,BMn(K) are invertible matrices and λK such that AB=λBA, then λn=1. 

Proof. From det(AB)=λndet(BA) and det(BA)=det(AB). We get λn=1. 

From Proposition 4.2, we have the following:

Corollary 2.1. If A,BMn(K) are invertible matrices and λK such that AB=λBA, then |λ|=1. 

Proposition 2.5. Let A,BMn(K) and λK with AB=λBA. Then μdε(AB) if and only if μλdε|λ|n(BA). 

Proof. From det(ABμI)=det(λBAμI)=λndet(BAμλI) for μK and λK. Then μdε(AB) if and only if μλdε|λ|n(BA). 

Proposition 2.6. Let A,BMn(K) and λK with AB=λBA and AB0. If tr(AB)0 or tr(BA)0, then λ=1. 

Proof. Since tr(AB)=λtr(BA)=λtr(AB) and (tr(AB)0 or tr(BA)0), we get λ=1. 

Let E is a free Banach space over K, we set L0(Ε)={AL(Ε):Aexists}.

Proposition 2.7. [20] If A,BL0(Εω) and λK, then 

(i) (A+λB)=A+λB. 

(ii)  (AB)=BA.

Definition 2.2. [20] Let AL0(Εω). We have 

(i) A is said to be selfadjoint if A=A; 

(ii) A is said to be normal if AA=AA; 

(iii) A is said to be unitary if AA=AA=I. 

The following proposition describes some spectral properties of λ-commuting operators.

Proposition 2.8. Let A,BL0(Εω) and λK with ABλBA0. If A is a selfadjoint, then ABB=BBA and ABBis selfadjoint.

Proof. If A,BL0(Εω) with AB=λBA, then (AB)=(λBA). Hence

BA=λAB. (2.2)

Since A is a selfadjoint and by (2), we get BA=λAB. On the other hand

ABB=λBAB=λλ1BBA=BBA,

and

(ABB)=(BB)A=BBA=ABB.

As the proof of Proposition 2.8, we get the following:

Proposition 2.9. Let A,BL0(Εω) and λK with AB=λBA0. If B is a selfadjoint, then BAA=AAB and AAB is selfadjoint. 

By Proposition 2.8 and Proposition 2.9, we conclude that: 

Lemma 2.2. Let A,BL0(Εω) and λK with AB=λBA0. If A and B are selfadjoint operators, then AB2=B2A and BA2=A2B.   

Proposition 2.10. Let A,BL0(Εω) and λK with AB=λBA0 and BA20. If A and B are selfadjoint operators, then λ{1,1}.  

Proof. From AB=λBA, we get A2B=λ2BA2. By Lemma 2.2, we have A2B=B2A=λ2BA2. Since BA20, we get λ2=1. Then λ{1,1}. 

We give another proof of Proposition 2 without the condition BA20.  

Proposition 2.11. Let A,BL0(Εω) and λK with AB=λBA0. If A and B are selfadjoint operators, then λ{1,1}. 

Proof. From A and B are selfadjoint operators, we get (AB)=(λBA), hence

BA=λAB. (2.3)

Using AB=λBA and (3), we get AB=λ2AB. Hence λ2=1. 

Thus λ{1,1}. 

Proposition 2.12. Let A,BL(Εω). If there is an unitary operator UL0(Εω) with AB=UBA=BAU, then AB2A=BA2B. 

Proof. Since AB=UBA=BAU, we have

AB2A=UBABA=BAUBA=BAAB=BA2B.

Lemma 2.3. Let A,BL0(Εω) be selfadjoint operators. If there is an unitary operator UL0(Εω) with AB=UBA. Then 

(i) U and U* commute with AB

(ii) U and U* commute with BA. 

Proof. (i)  From AB=UBA, we have BA=ABU. Hence AB=UBA=UABU. Thus ABU=UAB and UAB=ABU.

(ii)  From (i), we get UBA=(ABU)=(UAB)=BAU. On the other hand BAU=UUBAU=UBAUU=UBA. 

Proposition 2.13. Let A,BL0(Εω) be selfadjoint operators. If there is an unitary operator UL0(Εω) with AB=UBA. Then AB2A=BA2B. 

Proof. From Lemma 2.3, UBA=BAU. Therefore, BA2B=BAAB=BAUBA=UBABA=ABBA=AB2A. 

Lemma 2.4. Let A,BL(Ε). If AB2=B2A and BA2=A2B, then AB2A=BA2B. 

Proof. One can see that AB2A=B2A2 and BA2B=B2A2. Thus AB2A=BA2B. 

Question: Let A,BL0(Ε) be selfadjoint operators. Is the converse of Lemma 2 hold?

Example 2.1. Let K=p and let A and B be defined on p2 by

A=a0bλa  andB=0010,

where λap\{0}. Then AB=λBA. Let λK, let A and B be defined on K3 by

A=a00bλa0cλbλ2a  andB=000100010.

Then AB=λBA.

Lemma 2.5. Let A,BL0(Εω). If there is unitary operators U,VL0(Εω) with AB=UBA and BA=VAB, then the following statements hold: 

(i) AB commutes with U and U; 

(ii) BA commutes with V and V. 

Proof. (i) From AB=UBA, we have BA=ABU. Hence AB=UBA=UABU. Thus ABU=UAB and UAB=ABU.

(ii) By BA=VAB, we get AB=BAV. Thus BA=VBAV. Hence BAV=VBA and VBA=BAV. 

Theorem 2.1. If A,BL0(Εω) are selfadjoint operators and λK with AB=λBA0, then AB and BA are normal commuting operators.

Proof. Set S=AB, hence S=BA. From S=AB=λBA, we get S=λS. Then SS=λ(S)2=SS. Thus AB is normal and SS=SS. Hence AB and BA are normal commuting operators.

Theorem 2.2. Let AL0(Εω) and let BL(Εω) and λK with AB=λBA0, AB=BA and AA=I with B0. Then λ=1. 

Proof. From AB=λBA, hence AAB=λABA. Since AB=BA and AA=I, we get B=λABA=λBAA=λB. Hence (λ1)B=0. Since B0, we get λ=1. 

Proposition 2.14. Let A,BL0(Εω). If there is unitary operators U,VL0(Εω) with AB=UBA and BA=VAB. Then AB and BA are normal.

Proof. By Lemma 2, we get UBA=BAU. Then

AB(AB)=ABBA=UBABA=BAUBA=BAAB=(AB)AB

and

(BA)BA=ABBA=BAVBA=BABAV=BA(BA).

Definition 2.3. [22] Let AL(Ε), A is said to be bounded below if for each xE, MxAx for some M>0. 

We have the following statement.

Theorem 2.3. Let A,BL(Ε) and λK such that AB=λBA0. Then AB is bounded below if and only if A and B are bounded below. 

Proof. Suppose that AB is bounded below and AB=λBA0. Then there is M>0 with for each xE, MxABxABx.

Hence B is bounded below. Since MxABx for any xE, and AB=λBA0, it follows that for every xE, M|λ|BxAx. Consequently, A is bounded below.

Conversely, it is easy to see that if A and B are bounded below, then AB is bounded below.

3. Some properties of ultrametric operator equations

In this section, let A,BL(Ε). We shall study the operator equations AS=SB and ASB=S for some SL(Ε). We continue with the following results.

Lemma 3.1. Let A,B,SL(Ε) such that AS=SB and ASB=S. If A2I or IB2 is invertible, then S=0. 

Proof. From AS=SB and ASB=S, we have S=SB2. Then S(IB2)=0. Since IB2 is invertible, we conclude that S=0. Similarly, one can see that (A2I)S=0. From A2I is invertible, then S=0. 

Further, R(S) denotes the range of S dense in E, i.e. R(S)¯=Ε.

Proposition 3.1. Let A,B,SL(Ε) and R(S)¯=Ε such that AS=SB and ASB=S. Then A2=I.  

Proof. From AS=SB and ASB=S, then (A2I)S=0. Hence R(S)N(A2I). Since R(S)¯=Ε, we get A2=I. 

One can see the following: 

Lemma 3.2. Let A,B,SL(Ε) with ASB=S. If S is one to one, then B is one to one. 

Proof. It follows by S is one to one and N(ASB)=N(S). 

Theorem 3.1. Let A,BL(Ε) such that A is injective and R(B) is dense. If A2S=SB2 and A3S=SB3, then AS=SB for some SL(Ε).  

Proof. Set U=AS and V=SB. Using A2S=SB2 and A3S=SB3. We get AU=VB and A2U=VB2. Then A(AU)=AVB=(UB)B, thus (AVVB)B=0. By R(B) is dense, we get B0 then AV=VB. From AU=VB=AV, we get A(UV)=0. From A is injective, then U=V. Hence AS=SB. 

Theorem 3.1. Let A,BL(Ε) with A is injective and R(B) is dense. If A2SB2=S and A3SB3=S, then ASB=S for some SL(Ε).  

Proof. From A2SB2=S and A3SB3=S, then A2SB2=A3SB3. Hence A2SB2A3SB3=0. Thus A(A2SB2ASB)B=0. From A is injective and R(B) is dense, we obtain that A2SB2ASB=0. Thus ASB=S.

4. Left (right) pseudospectum and left (right) condition pseudospectum of bounded linear operators on ultrametric Banach spaces

We introduce the following definitions.

Definition 4.1. Let E be an ultrametric Banach space over K and let AL(Ε).  

(i) A is said to be left invertible if there exists BL(Ε) such that BA=I. 

(ii) A is said to be right invertible if there exists CL(Ε) such that AC=I. 

Definition 4.2. Let E be an ultrametric Banach space over K. Let AL(Ε), the left spectrum σl(A) of A is defined by

σl(A)={λK:AλIis not left invertible inL(Ε)}.

Definition 4.3. Let E be an ultrametric Banach space over K. Let AL(Ε), the right spectrum σr(A) of A is defined by

σr(A)={λK:AλIis not right invertible inL(Ε)}.

Definition 4.4. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0, the left spectrum σεl(A) of A is defined by

σεl(A)=σl(A){λK:inf{Cl:Cla left inverse ofAλI}>ε1},

with the convention inf{Cl:Cla left inverse ofAλI}= if AλI is not left invertible.

 Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0, the right spectrum σεr(A) of A is defined by

σεr(A)=σr(A){λK:inf{Cr:Cra right inverse ofAλI}>ε1},

with the convention inf{Cr:Cra right inverse ofAλI}= if AλI is not right invertible.

We obtain the following results.

Remark 4.1. From Definition 4.4 and Definition 4.5, we get

σl(A)σεl(A)σε(A)

and

σr(A)σεr(A)σε(A).

Proposition 4.1. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0, we have 

(i) σl(A)=ε>0σεl(A) and σr(A)=ε>0σεr(A). 

(ii) For all ε1 and ε2 such that 0<ε1<ε2, σl(A)σε1l(A)σε2l(A) and σr(A)σε1r(A)σε2r(A). 

Proof. (i) From Definition 4.4, for any ε>0, σl(A)σεl(A). Conversely, if λε>0σεl(A), hence for all ε>0,λσεl(A). If λσl(A), then

λ{λK:inf{Cl:Cla left inverse ofAλI}>ε1},

taking limits as ε0+, we get inf{Cl:Cla left inverse ofAλI}=. Thus λσl(A). Similarly, we obtain σr(A)=ε>0σεr(A).

(ii)  For ε1 and ε2 such that 0<ε1<ε2. Let λσε1l(A), then

inf{Cl:Cla left inverse ofAλI}>ε11>ε21,

hence λσε2l(A). Similarly, we have σr(A)σε1r(A)σε2r(A). 

Proposition 4.2. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and  ε>0.Then

CL(Ε):C<εσl(A+C)σεl(A). (4.1)

Proof. If λCL(Ε):C<εσl(A+C). We argue by contradiction. Suppose that λσεl(A), hence λσl(A) and inf{Cl:Cla left inverse ofAλI}ε1, thus CCl<1. Let D defined on E by

D=n=0Cl(CCl)n.

One can see that D is well-defined and D=Cl(I+CCl)1. Hence for all yE, D(I+CCl)y=Cly. Set y=(AλI)x, we have for all xE, 

x=D(I+CCl)(AλI)x=D(AλI+CCl(AλI))x=D(AλI+C)x.

Hence A+CλI is left invertible which is contradiction with λCL(Ε):C<εσl(A+C). Thus, (4) holds.

Theorem 4.1. Let E be an ultrametric Banach space over a spherically complete field K such that Ε|K|, let AL(Ε) and ε>0. Then,

σεl(A)=CL(Ε):C<εσl(A+C).

Proof. According to the proposition 4 the embedding (inclusion) (4) is satisfied.

Conversely, suppose that λσεl(A). We discuss two cases.

First case: If λσl(A), we may set C=0.

Second case: Assume that λσεl(A) and λσl(A), then for all Cl a left inverse of AλI, we have Cl>1ε. Hence, there exists yΕ\{0} such that

Clyy>1ε. 4.2)

Set y=(AλI)x, then Cly=x. From (4.2), we have (AλI)x<εx. Since Ε|K|, then there exists cK\{0} such that |c|=x. Putting z=c1x, then z=1, hence (AλI)z<ε. By Theorem 1.1, there exists ϕE such that ϕ(z)=1 and ϕ=z1=1. Define

for all yΕ,Cy=ϕ(y)(AλI)z. 

Then CL(Ε) and C<ε, since for all yE, 

Cy=ϕ(y)(AλI)z<εy.

Furthermore, we have (AλI+C)z=0. Thus AλI+C is not left invertible. Consequently, λCL(Ε):C<εσl(A+C). 

We continue with the following definitions.

Definition 4.6. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0, the left condition pseudospectrum Λεl(A) of A is defined by

Λεl(A)=σl(A){λK:inf{(AλI)Dl:Dla left inverse ofAλI}>ε1},

with the convention inf{(AλI)Dl:Dla left inverse ofAλI}= if AλI is not left invertible.

Definition 4.7. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0, the right condition pseudospectrum Λεr(A) of A is defined by

Λεr(A)=σr(A){λK:inf{AλIDr:Dra right inverse ofAλI}>ε1},

with the convention inf{AλIDr:Dra right inverse ofAλI}= if AλI is not right invertible. 

We have the following results. 

Remark 4.2. From Definition 4.6 and Definition 4.7, we get

σl(A)Λεl(A)Λε(A)

and

σr(A)Λεr(A)Λε(A).

Proposition 4.3. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0, we have 

(i) σl(A)=ε>0Λεl(A) and σr(A)=ε>0Λεr(A). 

(ii) For all ε1 and ε2 such that 0<ε1<ε2, σl(A)Λε1l(A)Λε2l(A) and σr(A)Λε1r(A)Λε2r(A). 

Proof. (i)  From Definition 4.6, for any ε>0, σl(A)Λεl(A). Conversely, if λε>0Λεl(A), hence for all ε>0,λΛεl(A). If λσl(A), then

λ{λK:inf{AλIDl:Dla left inverse ofAλI}>ε1},

taking limits as ε0+, we get inf{AλIDr:Dla left inverse ofAλI}=. Hence λσl(A). Similarly, we obtain σr(A)=ε>0Λεr(A).

(ii) For ε1 and ε2 such that 0<ε1<ε2. Let λΛε1l(A), then

inf{AλIDl:Dla left inverse ofAλI}>ε11>ε21,

hence λΛε2l(A). Similarly, we have σr(A)Λε1r(A)Λε2r(A). 

Proposition 4.4. Let E be an ultrametric Banach space over K and let AL(Ε) and for every ε>0 and AλI0. Then, 

(i) λΛεl(A) if, and only if, λσεAλIl(A). 

(ii) λσεl(A) if and only if λΛεAλIl(A). 

Proof. (i) Let λΛεl(A), then λσl(A) or

inf{(AλI)Cl:Cla left inverse ofAλI}>ε1.

Hence λσl(A) or for all Cl a left invertible of AλI, Cl>1ε(AλI). Consequently, λσεAλIl(A). The converse is similar.

(ii)  Let λσεl(A), then, λσl(A) or for all Cl a left inverse of AλI, Cl>ε1. Thus λσl(A) or for all Cl a left inverse of AλI, (AλI)Cl>ε1(AλI). Then, λΛεAλIl(A).

The converse is similar.

One can see the following corollary.

Corollary 4.1. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0. If α,βK with β0, then Λεl(βA+αI)=α+βΛεl(A).   

Proposition 4.5. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) such that AλI and CA=inf{AλI:λK} and ε>0. Then σεl(A)ΛεCAl(A).  

Proof. Let μσεl(A), then μσl(A) or for all Cl a left inverse of AμI,Cl>ε1. Since AμICA>0. Then μσl(A) or for all Cl a left inverse of AμI, AμICl>ε1CA. Hence λΛεCAl(A). 

Lemma 4.1. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε) and ε>0. If λΛl(A)\σl(A). Then there exists xΕ\{0} such that (AλI)x<εAλIx.  

Proof. If λΛl(A)\σl(A), then for all Cl a left inverse of AλI, we have

Thus

Cl>1εAλI.

Then there exists yΕ\{0} such that

Clyy>1εAλI. (4.3)

Set y=(AλI)x, then Cly=x. From (6), we have (AλI)x<εAλIx. 

Theorem 4.2. Let E be an ultrametric Banach space over K, let AL(Ε), λK and ε>0. If there exists CL(Ε) with C<εAλI and λσl(A+C). Then, λΛεl(A).  

Proof. Assume that there exists CL(Ε) such that

C<εAλI   and   λσl(A+C).

If λΛεl(A), hence λσl(A) and for each Cl a left inverse of AλI, AλIClε1. Consider D defined on E by

D=n=0Cl(CCl)n.

Consequently D=Cl(I+CCl)1. Hence for all yE, D(I+CCl)y=Cly. Put y=(AλI)x, then

(xΕ)D(AλI+C)x=x

Then AλI+C is a left invertible which is a contradiction. Thus λΛεl(A). 

Set Cε(Ε)={CL(Ε):C<εAλI}, we have.

Theorem 4.3. Let E be an ultrametric Banach space over a spherically complete field K such that Ε|K|, let AL(Ε) and ε>0. Then,

Λεl(A)=CCε(Ε)σl(A+C).

Proof. By Theorem 4.2, we have CCε(Ε)σl(A+C)Λεl(A). Conversely, assume that λΛεl(A). If λσl(A), we may put C=0. If λΛεl(A) and λσl(A). By Lemma 4.1 and Ε|K|, there exists xΕ\{0} such that x=1 and (AλI)x<εAλI.

By Theorem 1.1, there is φE such that φ(x)=1 and φ=x1=1. Consider C on E defined by for all yX,Cy=ϕ(y)(AλI)x. Hence, C<εAλI and D(C)=Ε. Moreover, for xΕ\{0},(AλI+C)x=0. Then, (AλI+C) is not left invertible. Consequently, λCCε(Ε)σl(A+C). 

5. Determinant spectrum of non-Archimedean polynomial pencils

From Proposition 1 and Theorem 2 and Theorem 3 of [13], we get. 

Theorem 5.1. Let CMn(K). Hence, 

(i) If 0<ε1ε2, Trε1(C)Trε2(C), 

(ii) If βK and αK\{0}, hence Trε(αC+βI)=αTrε|α|(C)+β, 

(iii) For any α,λK, we have Trε(αI)={λK:|λα|ε|n|}. 

Theorem 5.2. Let C,S,AMn(K) and ε>0. If S=ACA1, then Trε(S)=Trε(C). 

Theorem 5.3. Let CMn(K), hence for any ε>0, 

Trδ(C)+Bf(0,ε|n|)Trγ(C)

with γ=max{ε,δ}, if δ<ε, we get

Trδ(C)+Bf(0,ε|n|)Trε(C).

We have the following example.

Example 5.1. If

A=1002M2(p).

Then for any ε>0, 

Trε(A)={1,2}{λp:|32λ|pε}.

By Definition 5 of [13], we get.

Definition 5.1. Let CMn(K), ε>0. Then the ε-trace set trε(C) of C is

From Remark 1, Theorem 4, Proposition 2 and Proposition 3 of [13], we get. 

Remark 5.1. For each ε>0, trε(C)Trε(C).

Theorem 5.4. If B,CMn(K). Then, for any ε>0,  

(i) trε(BC)=trε(CB), 

(ii) trε(B)+trε(C)trε(B+C). 

Proposition 5.1. Let CMn(K), ε>0, if λ,μtrε(C) and αK with α1. Then αμ+(1α)λtrε(C).   Let CMn(K), ε>0 with C<ε. If λ,μtrε(C), then λμtrε(C). 

The following propositions are valid.

Proposition 5.2. Let BMn(K), λK and ε>0. If there exists CMn(K) with |Tr(C)|ε and Tr(BλIC)=0, then λtrε(B).  

Proof. Since Tr(BλIC)=0 and |Tr(C)|ε, hence Tr(BλI)=Tr(C) and |Tr(C)|ε, then |Tr(BλI)|=|Tr(C)|ε. Hence λtrε(B). 

Proposition 5.3. Let AMn(K), λK and ε>0. If there is CMnK with |Tr(C)|>ε and Tr(AλIC)=0, then λtrε(A).  

Proof. Assume that there is CMn(K) with |Tr(C)|>ε and Tr(AλIC)=0. If λtrε(A), thus |Tr(AλI)|=|Tr(C)|ε which is contradiction with |Tr(C)|>ε and Tr(AλIC)=0. 

Proposition 5.4. Let AMn(K), λK and ε>0. If λtrε(A), then there exists CMn(K) with |Tr(C)|>ε and Tr(AλIC)=0.  

Proof. If λtrε(A), hence |Tr(AλI)|>ε. Set C=Tr(AλI)nI. Thus CMn(K) and |Tr(C)|=|Tr(Tr(AλI)nI)|=|Tr(AλI)nTr(I)|=|Tr(AλI)nn|=|Tr(AλI)|>ε. 

Proposition 5.5. Let AMn(K), λK and ε>0. If λtrε(A), then there exists CMn(K) with |Tr(C)|ε and Tr(AλIC)=0. 

Proof. If λtrε(A), hence |Tr(AλI)|ε. Set C=Tr(AλI)nI. Thus CMn(K) and |Tr(C)|=|Tr(Tr(AλI)nI)|=|Tr(AλI)nTr(I)|=|Tr(AλI)nn|=|Tr(AλI)|ε. 

From Definition 6 and Remark 2 of [13], we get.

Definition 5.2. Let CMn(K), ε>0, the ε-determinant spectrum dε(C) of C is the set

dε(C)={λK:|det(CλI)|ε}.

Remark 5.2. If CMn(K), then for any ε>0, σ(C)dε(C) and d0=σ(C).  

Using Proposition 4 of [13], we get.  Let CMn(K). Then for any ε>0,  

(i) σ(C)=ε>0dε(C), 

(ii) For any 0<ε1ε2, dε1(C)dε2(C). 

We get: 

Example 5.2. Let

C=1111M2(p).

Then for any ε>0, dε(C)={μp:|μ(μ2)|pε}.   

Example 5.3. Let a,bp, cp and

C=ac0bM2(p).

Hence for any ε>0, dε(C)={λp:|aλ|p|bλ|pε}. 

Example 5.4. Let

C=abcdM2(p).

Thus for any ε>0, dε(C)={λp:|λ2λTr(C)+det(C)|pε}. 

Example 5.5. Let

C=0100M2(p).

Then for any ε>0, 

dε(C)={λp:|λ2|pε}.

We have the following propositions.

Proposition 5.8. Let D1,D2L(pn) be two diagonal operators with for each i{1,,n},D1ei=λiei and D2ei=μiei with λi,μip, λiλi+1 and μiμi+1. Then dε(D1,D2)={μp:|λ1μμ1|p|λnμμn|pε}. 

Proof. For each i{1,,n}, (D1λD2)ei=(λiλμi)ei where (ej)1jn is a basis of pn. Hence, |det(D1λD2)|p=|λ1λμ1|p|λnλμn|p. Consequently for any ε>0, 

dε(D1,D2)={μp:|det(D1μD2)|pε}

={μp:|μμ1λ1|p|μμnλn|pε}.

Proposition 5.9. Let CMn(K) be invertible and λK\{0}. Then for any ε>0, 

λdε(C)  ifandonlyif  λ1dε|det(λC)|(C1). (5.1)

Proof. By virtue of the relation

det(CλI)=det(λC(λ1C1))=det(λC)det(λ1C1),

where λ0, (5.1) is satisfied.

Proposition 5.10. Let B,CMn(K) with det(B)0 and ε>0. Then dε(BC)=dε(CB). 

Proof. Since B is invertible, then

det(BCλI)=det(B(CλB1))=det(B)det(CλB1)

=det(CλB1)det(B)=det(CBλI).

Then λdε(BC) if and only if λdε(CB). 

Now, we consider the problem of the eigenvalue of the polynomial pencil given by

P(λ)x=0,

where P(λ)=k=0nλkAk and AkMn(K) and xKn, we introduce the determinant pseudospectrum of polynomial pencils. Set P(λ)=k=0nλkAk and AkMn(K), we have.

Definition 5.3. Let P(λ)Mn(K), the resolvent set ρ(P(λ)) of the polynomial pencil P(λ) is

ρ(P(λ))={λK:P(λ)isinvertible},

the spectrum σ(P(λ)) of P(λ) is K\ρ(P(λ)). 

Definition 5.4. Let P(λ)Mn(K), ε>0, the ε-determinant spectrum dε(P(λ)) of the polynomial pencil P(λ) is defined by

dε(P(λ))={λK:|det(P(λ))|ε}.

Remark 5.3. From the Definition 5.4, if P(λ)Mn(K), then for any ε>0, σ(P(λ))dε(P(λ)) and d0=σ(P(λ)).  

Proposition 5.11. If P(λ)Mn(K), then 

(i) σ(P(λ))=ε>0dε(P(λ)), 

(ii) For all 0<ε1ε2, we have dε1(P(λ))dε2(P(λ)). 

Proof. (i)  Obvious.

(ii)  Let 0<ε1ε2 and λdε1(P(λ)). Then |det(P(λ))|ε1ε2. Hence λdε2(P(λ)). 

Example 5.36. Let

A=1111M2(p).

Set P(λ)=λ2A2I. Then for any ε>0, 

dε(P(λ))={λp:|(2λ1)(2λ+1))|pε}.

Let A,B,CMn(K). We consider P(λ)=λ2A+λB+C. For all λρ(P(λ)),R(λ,P)=(λ2A+λB+C)1.

Proposition 5.12. Let A,B,CMn(K). If the inclusions λρ(P) and μK with R(λ,P)((λ2μ2)A+(λμ)B)<1, then μρ(P) and R(μ,P)R(λ,P). 

Proof. Because

μ2A+μB+C=λ2A+λB+C((λ2μ2)A+(λμ)B)

=(λ2A+λB+C)IR(λ,P)((λ2μ2)A+(λμ)B),

and R(λ,P)((λ2μ2)A+(λμ)B)<1, there is R(μ,P) and R(μ,P)R(λ,P). 

The next theorem presents the perturbation of operators.

Theorem 5.5. Let E be a non-Archimedean Banach space over K, let B,CL(Ε). Let μρ(B,C) and λK with |λμ|<R(μ,B,C)C1, then λρ(B,C) and R(λ,B,C)R(μ,B,C) where R(λ,B,C)=(BλC)1. 

Proof. Let μρ(B,C), we have:

BλC=BμC+μCλC=(BμC)(I(λμ)R(μ,B,C)C).

Since λK with |λμ|<R(μ,B,C)C1, by Lemma 1.1,

(I(λμ)R(μ,B,C)C)1   and   (I(λμ)R(μ,B,C)C)11.

Then λρ(B,C) and R(λ,B,C)=(I(λμ)R(μ,B,C)C)1R(μ,B,C). Thus λρ(B,C) and R(λ,B,C)R(μ,B,C). 

From Theorem 5.5, we have.

Corollary 5.1. σ(B,C) is closed in K. 

From the results of M. Vishik [23] for C=I, there is a nonanalytic resolvent of an operator, for that we assume that application λρ(B,C)R(λ,B,C)=(BλC)1 is analytic on ρ(B,C).

Theorem 5.6. Let E be a non-Archimedean Banach space over an algebraically closed field K, let B,CL(Ε) with R(λ,B,C) is analytic on ρ(B,C). Then

ddλR(λ,B,C)=R(λ,B,C)CR(λ,B,C). (5.2)

Proof. Let λρ(B,C), let μK with |λμ|<R(λ,B,C)C1, by Theorem 5.5, we have:

R(μ,B,C)=(I(μλ)R(λ,B,C)C)1R(λ,B,C)

=k=0((μλ)R(λ,B,C)C)kR(λ,B,C).

Then

R(μ,B,C)R(λ,B,C)μλR(λ,B,C)CR(λ,B,C)

=k=2(μλ)k1(R(λ,B,C)C)kR(λ,B,C)

|λμ|supk2(μλ)k2(R(λ,B,C)C)kR(λ,B,C),

hence

limμλR(μ,B,C)R(λ,B,C)μλR(λ,B,C)CR(λ,B,C)=0.

Therefore, (5.2) is satisfied.

From Theorem 5.7 and B=I, we get. 

Theorem 5.7. Let E be a non-Archimedean Banach space over an algebraically closed field K, let CL(Ε) such that R(λ,C) is analytic on ρ(C). Then

ddλR(λ,C)=R(λ,C)2.

×

Об авторах

Джавад Эттайб

Региональная академия образования и обучения Касабланка Сеттат, Университетская средняя школа Хаммана Аль–Фатаваки

Автор, ответственный за переписку.
Email: jawad.ettayb@gmail.com

доктор математики, профессор 

Марокко, 26402, Хад Суалем, дорога в Беррешид

Список литературы

  1. H. Weyl, “Quantenmechanik und gruppentheorie”, Z. Physik, 46 (1927), 1–46.
  2. J. von Neumann, “Die eindeutigkeit der Schrodingerschen operatoren”, Mathematische Annalen, 104 (1931), 570–587.
  3. P. Busch, P. J. Lahti, P. Mittlestaedt, The Quantum Theory of Measurement, Springer-Verlag, Berlin, 1996.
  4. E. B. Davies, Quantum Theory of Open Systems, Academic Press, London-New York, 1976.
  5. S. Gudder, G. Nagy, “Sequential quantum measurements”, Journal of Mathematical Physics, 42:11 (2001), 5212–5222.
  6. C. R. Putnam, Commutation Properties of Hilbert Space Operators and Related Topics, Springer Verlag, New York, 1967.
  7. M. Cho, B.P. Duggal, R. Harte, S. OOta, “Operator equation AB = ABA”, International Math. Forum, 5:53–56 (2010), 2629–2637.
  8. C. Cowen, “Commutants and the operator equation AX = AXA”, Pacific J. Math., 80:2 (1979), 337–340.
  9. J. Yang, H. K. Du, “A note on commutativity up to a factor of bounded operators”, Proc. Amer. Math. Soc., 132:6 (2004), 1713–1720.
  10. J. Ettayb, “A-commuting of bounded linear operators on ultrametric Banach spaces and determinant spectrum of ultrametric matrices”, Topological Algebra and its Applications, 11 (2023), Article number: 20230103.
  11. A. Ammar, A. Bouchekoua, A. Jeribi, “Pseudospectra in a non-Archimedean Banach space and essential pseudospectra in Eω”, Filomat, 33:12 (2019), 3961–3976.
  12. A. Ammar, A. Bouchekoua, N. Lazrag, “The condition e-pseudospectra on non-Archimedean Banach space”, Boletín de la Sociedad Matemática Mexicana, 28:2 (2022), 1–24.
  13. J. Ettayb, “Pseudo-spectrum of non-Archimedean matrix pencils”, Bull. Transilv. Univ. Brasov. Series III: Mathematics and Computer Science, 4(66):1 (2024), 73–86.
  14. J. Ettayb, “Ultrametric Fredholm operators and approximate pseudospectrum”, Arab Journal of Mathematical Sciences, 2024 (to appear).
  15. J. Ettayb, “(N, e)-pseudospectra of bounded linear operators on ultrametric Banach spaces”, Gulf Journal of Mathematics, 17:1 (2024), 12–28.
  16. J. Ettayb, “Common properties of the operator equations in ultrametric specrtal theory”, Gulf Journal of Mathematics, 16:1 (2024), 79–95.
  17. J. Ettayb, “Condition pseudospectrum of operator pencils on non-archimedean Banach spaces”, 2023, arXiv: abs/2305.18401.
  18. R. A. Horn, C.R. Johnson, Topics in Matrix Analysis, Cambridge University Press & Assessment, Cambridge, 1991.
  19. K. G. Krishna, “Determinant spectrum: A generalization of eigenvalues”, Funct. Anal. Approx. Comput., 10:2 (2018), 1–12.
  20. T. Diagana, F. Ramaroson, Non-Archimedean Operators Theory, Springer, Cham, 2016.
  21. A. C. M. van Rooij, Non-Archimedean Functional Analysis, Monographs and Textbooks in Pure and Applied Math., 51, Marcel Dekker, Inc., New York, 1978.
  22. J. Ettayb, “Some results on non-Archimedean operators theory”, Sahand Communications in Mathematical Analysis, 20:4 (2023), 139–154.
  23. M. Vishik, “Non-Archimedean spectral theory”, J. Sov. Math., 30 (1985), 2513-2554.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».