Spectral Theory: Basic Concepts and Applications by David Borthwick, ISBN-13: 978-3030380014

Description

Spectral Theory: Basic Concepts and Applications by David Borthwick, ISBN-13: 978-3030380014

[PDF eBook eTextbook]

• Publisher: ‎ Springer; 1st ed. 2020 edition (March 13, 2020)
• Language: ‎ English
• 348 pages
• ISBN-10: ‎ 3030380017
• ISBN-13: ‎ 978-3030380014

This textbook offers a concise introduction to spectral theory, designed for newcomers to functional analysis. Curating the content carefully, the author builds to a proof of the spectral theorem in the early part of the book. Subsequent chapters illustrate a variety of application areas, exploring key examples in detail. Readers looking to delve further into specialized topics will find ample references to classic and recent literature.

Beginning with a brief introduction to functional analysis, the text focuses on unbounded operators and separable Hilbert spaces as the essential tools needed for the subsequent theory. A thorough discussion of the concepts of spectrum and resolvent follows, leading to a complete proof of the spectral theorem for unbounded self-adjoint operators. Applications of spectral theory to differential operators comprise the remaining four chapters. These chapters introduce the Dirichlet Laplacian operator, Schrödinger operators, operators on graphs, and the spectral theory of Riemannian manifolds.

Spectral Theory offers a uniquely accessible introduction to ideas that invite further study in any number of different directions. A background in real and complex analysis is assumed; the author presents the requisite tools from functional analysis within the text. This introductory treatment would suit a functional analysis course intended as a pathway to linear PDE theory. Independent later chapters allow for flexibility in selecting applications to suit specific interests within a one-semester course.

Table of Contents:

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Hilbert Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Normed Vector Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Lp Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Bounded Linear Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Hilbert Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Sobolev Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 Orthogonality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.7 Orthonormal Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 Unbounded Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Adjoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Closed Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Symmetry and Self-adjointness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 Compact Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 Spectrum and Resolvent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1 Definitions and Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Resolvent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Spectrum of Self-adjoint Operators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 Spectral Theory of Compact Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5 The Spectral Theorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1 Unitary Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2 The Main Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3 Functional Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4 Spectral Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6 The Laplacian with Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.1 Self-adjoint Extensions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Discreteness of Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3 Regularity of Eigenfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.4 Eigenvalue Computations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.5 Asymptotics of Dirichlet Eigenvalues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.6 Nodal Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.7 Isoperimetric Inequalities and Minimal Eigenvalues . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7 Schrödinger Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.1 Positive Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.2 Relatively Bounded Perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.3 Relatively Compact Perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.4 Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.5 Semiclassical Asymptotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.6 Periodic Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8 Operators on Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.1 Combinatorial Laplacians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.2 Quantum Graphs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.3 Spectral Properties of Compact Quantum Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.4 Eigenvalue Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.5 Eigenvalue Asymptotics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9 Spectral Theory on Manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.1 Smooth Manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.2 Riemannian Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.3 The Laplacian. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.4 Spectrum of a Compact Manifold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.5 Heat Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.6 Wave Propagation on Compact Manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.7 Complete Manifolds and Essential Self-adjointness . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9.8 Essential Spectrum of Complete Manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
A Background Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
A.1 Measure and Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
A.2 Lp Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
A.3 Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
A.4 Elliptic Regularity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

David Borthwick is Professor and Director of Graduate Studies in the Department of Mathematics at Emory University, Georgia, USA. His research interests are in spectral theory, global and geometric analysis, and mathematical physics. His monograph  Spectral Theory of Infinite-Area Hyperbolic Surfaces appears in Birkhäuser’s Progress in Mathematics, and his Introduction to Partial Differential Equations is published in Universitext.

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