Обратный оператор к оператору  — оператор, который каждому из множества значений оператора ставит в соответствие единственный элемент из области определения оператора , являющийся решением уравнения . Если оператор имеет обратный, то есть уравнение имеет единственное решение при любом из , то называется обратимым. Обратный оператор обозначается .

Определение и условия существования Другое определение: оператор называется обратным к оператору , если , где  — единичный оператор. Если выполняется только соотношение или только то оператор называется левым обратным или правым обратным соответственно. Если оператор имеет левый обратный и правый обратный, то они равны между собой, а оператор является обратимым. Если обратный оператор существует, он определяется единственным образом.

Оператор обратим, если он отображает на взаимно однозначно, то есть при различных принимает различные значения . Если оператор  — линейный, то для существования обратного оператора достаточно, чтобы выполнялось только при .

Линейный оператор (даже ограниченный) может иметь обратный, определённый не на всём пространстве. Например, в пространстве линейный оператор

имеет обратный, который определен для векторов с первой координатой равной нулю: .

Свойства

Оператор , обратный к линейному оператору, также линеен. ,  — сопряжённый оператор.

Теоремы об обратном операторе

Теорема Банаха

Пусть  — линейный ограниченный оператор, взаимно однозначно отображающий банахово пространство на банахово пространство . Тогда обратный оператор ограничен.

Теорема Банаха является одним из основных принципов линейного анализа. Из неё следует теорема об открытом отображении: линейное непрерывное отображение банахова пространства на (всё) банахово пространство открыто.

Достаточные условия существования обратного оператора Пусть линейный оператор , отображающий линейное нормированное пространство на линейное нормированное пространство , удовлетворяет для любого условию

где  — некоторая константа. Тогда существует обратный ограниченный линейный оператор . Пусть  — линейный ограниченный обратимый оператор, действующий из банахова пространства в банахово пространство и  — линейный ограниченный оператор из в такой, что . Тогда оператор имеет ограниченный обратный, причём . Пусть  — банахово пространство,  — тождественный оператор в , а  — такой линейный ограниченный оператор, отображающий в себя, что . Тогда оператор существует, ограничен и представляется в виде ряда .

Примеры

Преобразование Фурье

можно рассматривать как линейный ограниченный оператор, действующим из пространства в себя. Обратным оператором для него является обратное преобразование Фурье .

Операторы интегрирования и дифференцирования Для оператора интегрирования

действующего в пространстве непрерывных функций , обратным будет оператор дифференцирования:

определённый на линейном многообразии непрерывно дифференцируемых функций, таких что .

Оператор Штурма-Лиувилля Для дифференциального оператора Штурма-Лиувилля

определённого на линейном многообразии дважды непрерывно дифференцируемых функций таких, что , обратным оператором является интегральный оператор

где  — функция Грина.  — линейный ограниченный оператор в .

Интегральный оператор Пусть

— интегральный оператор в пространстве непрерывных функций . При достаточно малых значениях параметра оператор (где  — единичный оператор) имеет ограниченный обратный , где  — резольвента ядра . Зная резольвенту, можно найти решение интегрального уравнения

при любом свободном члене .

Обратный оператор в конечномерном пространстве Оператор в конечномерном пространстве обратим тогда и только тогда, когда его ранг совпадает с размерностью пространства. Иначе говоря, определитель его матрицы отличен от нуля. Обратному оператору отвечает обратная матрица.

См. также Линейное отображение Обратная функция Изоморфизм Банахово пространство Линейный непрерывный оператор

Примечания

Литература

Категория:Теория операторов Категория:Функциональный анализ