スペクトル理論

数学において、スペクトル理論（スペクトルりろん、英語: spectral theory）とは、正方行列の固有ベクトル、固有値に関する理論の無限次元への拡張を指す。

スペクトル理論の名称は、ダフィット・ヒルベルトが自身のヒルベルト空間論の定式化に際して、“無限個の変数を持つ二次形式”に対応する固有値をスペクトルと呼んだことに由来する。スペクトル定理は、楕円体の主軸に関する定理の無限次元への拡張として考えられた。量子力学において、離散スペクトルの特徴をスペクトル理論を用いて説明できることが思いがけず知られるようになるが、それは後の時代の話である。

概説

スペクトル理論の定式化は主に3つの段階に分けられるが、いずれも重要である。ヒルベルトによる最初の定式化の後、物理学の要請に応える形で、主にフォン・ノイマンが抽象ヒルベルト空間とその上での正規作用素のスペクトル理論を発展させた。また、これに基づくさらに進んだ理論には、抽象的に与えられるバナッハ環の概念などが含まれる。このような理論の発展は、可換バナッハ環に関するゲルファント表現の理論を導き、さらにその非可換版としての非可換調和解析を生んだ。

これらの違いはフーリエ解析とのつながりに見ることができる。実数直線上のフーリエ変換は、ある意味では微分作用素としての微分のスペクトルに関する理論である。しかし、物理現象を説明しようとすると、（ゲルファントの三つ組のような）一般化された固有関数を扱う必要が生じる。一方で群環を構成するのは容易であり、微分のスペクトルがフーリエ変換の基本性質を記述していることが、ポントリャーギン双対によって確認できる。

バナッハ空間上の作用素のスペクトル特性についても研究がなされており、例えばバナッハ空間上のコンパクト作用素は、行列と同様のスペクトル特性を多く有することが知られている。

スペクトル理論には以下の内容が含まれる。

参考文献

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表話編歴関数解析学
集合 / 部分集合のタイプ	均衡星状絶対凸凸併呑有界（英語版）放射状（英語版）対称（英語版）線型錐（部分集合）凸錐（部分集合）
線型位相空間のタイプ	バナッハ樽型界相 Brauner（英語版） F-空間有限次元フレシェ (tame) ヒルベルト LF空間局所凸マッキー（英語版）モンテル核型ノルム付き（ノルム）準ノルム付き回帰的リーススミス（英語版） Stereotype（英語版）ウェブ付き位相テンソル積（英語版）（ヒルベルト空間の（英語版））
位相	双対双対空間作用素強（極作用素） Ultrastrong（英語版）弱（作用素） Ultraweak（英語版）一様収束（英語版）
線型作用素	随伴双線型（形式）有界 / 非有界閉（英語版）連続 / 不連続コンパクトフレドホルムヒルベルト＝シュミット汎関数（正（英語版））正規核自己共役 Strictly singular（英語版）トレースクラス転置ユニタリ
集合の操作	代数的内部（核）内部ミンコフスキー和（英語版）極
バナッハ環	C-環スペクトル（C-環（英語版）半径) スペクトル理論
定理	Eberlein–Šmulian（英語版）開写像角谷の不動点ゲルファント＝マズールコーシー＝シュワルツの不等式 Goldstine（英語版）シャウダーの不動点パーセヴァルの等式ハーン–バナッハ（分離超平面）バナッハ＝アラオグル Banach–Saks（英語版） Banach–Mazur（英語版）フロイデンタールのスペクトル閉値域閉グラフベッセルの不等式マッキー＝アレンスマズールの補題リースの拡張 Lomonosov's invariant subspace（英語版）ニュートン＝カントロビッチ
解析	ボホナー空間フレシェ空間における微分（英語版）微分（フレシェガトー汎函数 holomorphic（英語版））積分（ボホナー Dunford ゲルファント＝ペティス方正弱) 汎函数計算（Borel（英語版） continuous（英語版） holomorphic（英語版））逆函数定理（Nash–Moser theorem（英語版））ベクトル測度
応用	量子力学の数学的定式化有限要素法偏微分方程式の解に対する精度保証付き数値計算
日本人研究者	加藤敏夫吉田耕作藤田宏増田久弥
海外の研究者	リース・フリジェシュステファン・バナフダフィット・ヒルベルトイズライル・ゲルファントピーター・ラックス
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