Но он даже не определен на всем пространстве?
Или так (выкладки не делал, но вроде должно быть так):
Если взять множество функций
это множество ограничено (и должно было бы при положительном ответе переводится в компактное), но образы этих функций вообще не лежат в L2 (-∞, ∞).
Может быть я уже что-то забыл из этой темы. Отнеститись критически.
В книге
Н.И. Ахиезер, И.М. Глазман "Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве"
комп. оператор по определению должен быть задан на всем пространстве. В этой же книге отдельным параграфом разобран оператор дифференцирования в нужном Вам пространстве.