Doppeloperatorintegral

Doppeloperatorintegrale (DOI, englisch Double Operator Integrals) sind in der Funktionalanalysis und der Störungstheorie Integrale der Form

$\operatorname {Q} _{\varphi }:=\int _{N}\int _{M}\varphi (x,y)\mathrm {d} E(x)\operatorname {T} \mathrm {d} F(y),$

wobei $\operatorname {T} :G\to H$ ein beschränkter linearer Operator zwischen zwei separablen Hilberträumen ist,

$E:(N,{\mathcal {A}})\to P(H),$

$F:(M,{\mathcal {B}})\to P(G)$

zwei Spektralmaße sind, wobei $P(H)$ hier für die Menge der orthogonalen Projektionen über $H$ steht, und $\varphi$ eine messbare skalarwertige Funktion ist, welche Symbol des DOI genannt wird. Die Integrale sind hier in Form von Stieltjes-Integralen zu verstehen.

DOI tauchten das erste Mal 1956 in einer Arbeit von Yuri L. Daletskii und Selim G. Krein auf, welche zwei selbstadjungierte Operatoren $A$ und $K$ auf Hilberträumen untersuchten (wobei $K$ die Perturbation von $A$ ist) und die Ableitung für bestimmte operatorwertige Funktionen

$t\mapsto f(A+tK),\quad f:\mathbb {R} \to \mathbb {C}$

in folgender Form

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left(f(A+tK)\right){\bigr \vert }_{t=0}=\int _{\mathbb {R} }\int _{\mathbb {R} }{\frac {f(x)-f(y)}{x-y}}\mathrm {d} E_{A}(x)K\mathrm {d} E_{A}(y)$

fanden, wobei hier $E_{A}(\cdot )$ das Spektralmaß von $A$ ist. Die Theorie der Doppeloperatorintegrale wurde im Wesentlichen von Michail Schljomowitsch Birman und Mikhail Zakharovich Solomyak in den späten 1960ern und 1970ern entwickelt. DOI können verwendet werden, um Normen von Operatoren-Differenzen

$\|f(A)-f(B)\|$

für operator-lipschitzstetige Funktionen $f$ abzuschätzen und sind dadurch wichtig in der Störungstheorie.

DOI sind Spezialfälle der Multipleoperatorintegralen

$\int \cdots \int \varphi (x_{1},\dots ,x_{n})\mathrm {d} E_{1}(x_{1})\operatorname {T_{1}} \mathrm {d} E_{2}(x_{2})\operatorname {T_{2}} \cdots \operatorname {T} _{n-1}\mathrm {d} E_{n}(x_{n}).$

Doppeloperatorintegral

Die Definition des Integrales induziert direkt eine weitere Abbildung

$\operatorname {Q} _{\varphi }=\operatorname {J} _{\varphi }^{E,F}\operatorname {T} ,$

welche Transformator genannt wird.

Wie sich herausstellt, hängt die Definition solcher DOI sowie die Klasse der zulässigen Symbolen $\varphi$ von der Wahl der betrachteten Operatorenräumen ab. In der ursprünglichen Betrachtung von Birman-Solomyak wurde der Operator $T$ auf die Klasse der Hilbert-Schmidt-Operatoren ${\mathcal {S}}_{2}$ eingeschränkt. Die Definition kann aber auf weitere Schatten-von-Neumann-Klassen respektive auf allgemeine beschränkte Operatoren $T$ erweitert werden, so lange $\operatorname {Q} _{\varphi }$ auch beschränkt bleibt.

Birman-Solomyak definierten nun folgendes Spektralproduktmaß ${\mathcal {E}}$ durch

${\mathcal {E}}(\Lambda \times \Delta )\operatorname {T} :=E(\Lambda )\operatorname {T} F(\Delta ),\quad \operatorname {T} \in {\mathcal {S}}_{2},$

für messbare Mengen $\Lambda \times \Delta \subset N\times M$, wo durch $\operatorname {Q} _{\varphi }$ durch

$\operatorname {Q} _{\varphi }:=\left(\int _{N\times M}\varphi (\lambda ,\mu )\;\mathrm {d} {\mathcal {E}}(\lambda ,\mu )\right)\operatorname {T}$

für beschränkte und messbare Funktionen $\varphi$ definiert werden kann.

Anwendungsbeispiel aus der Störungstheorie

Wir betrachten nur einen Hilbertraum $H=G$ und zwei beschränkte, selbstadjungierte Operatoren $A,B$ auf $H$. Sei nun $\operatorname {T} :=B-A$ und $f$ eine Funktion auf einer Menge, die die Spektra von $A,B$ enthält. Weiter sei $\operatorname {J} _{f}:=\operatorname {J} _{f}^{E,F}$ der Transformator und $I$ der Identitätsoperator. Es gilt nach dem Spektralsatz $\operatorname {J} _{\lambda }I=A$ und $\operatorname {J} _{\mu }I=B$ und $\operatorname {J} _{\mu -\lambda }I=\operatorname {T}$, daraus folgt

$f(B)-f(A)=\operatorname {J} _{f(\mu )-f(\lambda )}I=\operatorname {J} _{\frac {f(\mu )-f(\lambda )}{\mu -\lambda }}\operatorname {J} _{\mu -\lambda }I=\operatorname {J} _{\frac {f(\mu )-f(\lambda )}{\mu -\lambda }}\operatorname {T} =\operatorname {Q} _{\varphi }$

und somit

$f(B)-f(A)=\int _{\sigma (A)}\int _{\sigma (B)}{\frac {f(\mu )-f(\lambda )}{\mu -\lambda }}(\mu -\lambda )\mathrm {d} E_{A}(\lambda )\mathrm {d} F_{B}(\mu )=\int _{\sigma (A)}\int _{\sigma (B)}{\frac {f(\mu )-f(\lambda )}{\mu -\lambda }}\mathrm {d} E_{A}(\lambda )\operatorname {T} \mathrm {d} F_{B}(\mu ).$

Literatur

• M. S. Birman und M. Z. Solomyak: Double Stieltjes operator integrals. In: Consultants Bureau Plenum Publishing Corporation (Hrsg.): Topics of Math. Physics. Band 1, 1967, S. 25–54. 
• M. S. Birman und M. Z. Solomyak: Double Stieltjes operator integrals. II. In: Consultants Bureau Plenum Publishing Corporation (Hrsg.): Topics of Math. Physics. Band 2, 1968, S. 19–46. 
• Vladimir V. Peller: Multiple operator integrals in perturbation theory. In: Bull. Math. Sci. Band 6, 2016, S. 15–88, doi:10.1007/s13373-015-0073-y. 
• M. S. Birman und M. Solomyak: Lectures on Double Operator Integrals. 2002 (a mini-course given by the authors at the Mittag-Leffler Institute).