写在前面

Fredholm定理是泛函分析中的一个定理,本文给出的是用矩阵语言表述的阉割版。

定理内容

AFm×nA \in \mathbb{F}^{m \times n},l:RnRm\mathscr{l}: \R^{n} \to \R^{m}。对于给定的 bRmb \in \R^{m},方程 Ax=bAx = b 是否有解?

(1)bIm(A)b(Ker(AT));b\in\operatorname{Im}(A)\Leftrightarrow b\in\operatorname({Ker}(A^{T}))^{\perp};

(2)xKer(A)x(Im(AT)).(2)x\in\operatorname{Ker}(A)\Leftrightarrow x\in\operatorname({Im}(A^{T}))^{\perp}.

证明

只证(1).
充分性:

bIm(A)    xRn,Ax=b.b\in\operatorname{Im}(A)\iff\exists x\in\R^n,Ax=b.

νKer(AT),bTν=(Ax)Tν=xTATν=0(因为ATν=0).\Rightarrow\forall\nu\in\operatorname{Ker}(A^T),有b^T\nu=(Ax)^T\nu=x^TA^T\nu=0(因为A^T\nu=0).

另一方面,要证(Ker(AT))Im(A),(\operatorname{Ker}(A^T))^{\perp}\subset\operatorname{Im}(A),只需证Ker(AT)(Im(A)).\operatorname{Ker}(A^T)\supseteq (\operatorname{Im}(A))^{\perp}.

ν(Im(A))ωRn,νT(Aω)=ωTATν=0.\nu\in\operatorname({Im}(A))^{\perp}\Rightarrow\forall\omega\in\R^n,\nu^T(A\omega)=\omega^T A^T\nu=0.

不妨设ω=ATν,\omega=A^T\nu,(ATν)TATν=0ATν=0,νKer(AT).(A^T\nu)^TA^T\nu=0\Rightarrow A^T\nu=0,即\nu\in\operatorname{Ker}(A^T).

一个小例题

A=(1236),A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 6 \end{pmatrix},Ax=bAx=bbb为何值时有解?

解:
bIm(A)b(Ker(AT)).b\in\operatorname{Im}(A)\Rightarrow b\in(\operatorname{Ker}(A^T))^{\perp}.

易得AT=(1326),A^T=\begin{pmatrix} 1 & 3\\ 2 & 6 \end{pmatrix},
令$$\begin{pmatrix}
1 & 3\
2 & 6
\end{pmatrix}$$

(xy)=(00)\begin{pmatrix} x\\ y \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} 0\\ 0 \end{pmatrix}

(1300)\Rightarrow\begin{pmatrix} 1 & 3\\ 0 & 0 \end{pmatrix}
(xy)=(00),\begin{pmatrix} x\\ y \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} 0\\ 0 \end{pmatrix},ATx=bA^Tx=b的通解ω=t(3,1)T\omega=t(-3,1)^T,即Ker(AT)=t(31)\operatorname{Ker}(A^T)=t\begin{pmatrix} -3\\ 1 \end{pmatrix}

(Ker(AT))=t(1,3)\Rightarrow(\operatorname{Ker}(A^T))^{\perp}=t(1,3)(b1,b2)=t(1,3).\Rightarrow(b_1,b_2)=t(1,3).