Самосопряженный оператор - NiNa.Az

В математике оператор ${\displaystyle A}$ в комплексном или действительном гильбертовом пространстве ${\displaystyle {\mathfrak {H}}}$ называется эрмитовым, симметрическим, если он удовлетворяет равенству ${\displaystyle (Ax,y)=(x,Ay)}$ для всех ${\displaystyle x,y}$ из области определения ${\displaystyle A}$. Здесь и далее полагается, что ${\displaystyle (x,y)}$ — скалярное произведение в ${\displaystyle {\mathfrak {H}}}$. Название дано в честь французского математика Шарля Эрмита.

Оператор в ${\displaystyle {\mathfrak {H}}}$ называется самосопряжённым, или гипермаксимальным эрмитовым, если он совпадает со своим сопряжённым.

Самосопряжённый оператор является симметрическим; обратное, вообще говоря, не верно. Для непрерывных операторов, определённых на всём пространстве, понятия симметрический и самосопряжённый совпадают.

Свойства

1. Спектр (множество собственных чисел) самосопряжённого оператора является вещественным.

Доказательство

Для всякого собственного значения ${\displaystyle \lambda }$ по определению верно ${\displaystyle A\left(x\right)=\lambda x}$. Следовательно, по определению самосопряжённого преобразования равны следующие выражения:

${\displaystyle \left({A\left(x\right),x}\right)=\left({\lambda x,x}\right)=\lambda \left({x,x}\right)}$

и

${\displaystyle \left({x,A\left(x\right)}\right)=\left({x,\lambda x}\right)={\overline {\lambda }}\left({x,x}\right)}$,

откуда ${\displaystyle \lambda ={\overline {\lambda }}}$ — число ${\displaystyle \lambda }$ вещественное.

2. В унитарных конечномерных пространствах матрица самосопряжённого оператора является эрмитовой. (В частности, в евклидовом пространстве матрица самосопряжённого оператора является симметрической.)

Доказательство

В унитарном пространстве скалярное произведение определяется как ${\displaystyle \left({x,y}\right)=\xi ^{T}{\overline {\eta }}}$, где ${\displaystyle \xi }$ и ${\displaystyle \eta }$ - координатные столбцы векторов ${\displaystyle x}$ и ${\displaystyle y}$ соответственно. Отсюда по определению самосопряжённого оператора равны выражения

${\displaystyle \left({A\left(x\right),y}\right)=\left({A\xi }\right)^{T}{\overline {\eta }}=\xi ^{T}A^{T}{\overline {\eta }}}$

и

${\displaystyle \left({x,A\left(y\right)}\right)=\xi ^{T}{\overline {A\eta }}=\xi ^{T}{\overline {A}}{\overline {\eta }}}$

Следовательно, ${\displaystyle A^{T}={\overline {A}}}$, что и есть определение эрмитовой матрицы.

3. У эрмитовой матрицы всегда существует ортонормированный базис из собственных векторов — собственные векторы, соответствующие различным собственным значениям, ортогональны.

Доказательство

Лемма 1. Собственные подпространства самосопряжённого преобразования попарно ортогональны.

Доказательство леммы 1: Имеются два различных собственных значения ${\displaystyle \lambda }$ и ${\displaystyle \mu }$. Соответственно для векторов ${\displaystyle x}$ и ${\displaystyle y}$ из соответствующих им собственных подпространств выполняется ${\displaystyle A\left(x\right)=\lambda x}$ и ${\displaystyle A\left(y\right)=\mu y}$. Отсюда ${\displaystyle \left({A\left(x\right),y}\right)=\left({\lambda x,y}\right)=\lambda \left({x,y}\right)}$ равно ${\displaystyle \left({x,A\left(y\right)}\right)=\left({x,\mu y}\right)={\overline {\mu }}\left({x,y}\right)}$. Но собственные значения самосопряжённого преобразования вещественны, можно из последнего выражения вынести ${\displaystyle \left({x,A\left(y\right)}\right)=\mu \left({x,y}\right)}$. Таким образом, по определению самосопряжённого преобразования можно получить ${\displaystyle \left({\lambda -\mu }\right)\left({x,y}\right)=0}$, откуда при различности собственных значений ${\displaystyle \lambda \neq \mu }$ ясно, что ${\displaystyle \left({x,y}\right)=0}$, что и требовалось доказать.

Лемма 2. Если подпространство ${\displaystyle E'}$ инвариантно относительно самосопряжённого преобразования ${\displaystyle A}$, то ортогональное дополнение этого подпространства также инвариантно относительно ${\displaystyle A}$.

Доказательство леммы 2: Известно, что образ любого вектора ${\displaystyle x}$, принадлежащего подпространству ${\displaystyle E'}$, лежит в нём. Следовательно, для любого вектора ${\displaystyle y\in \left({E'}\right)^{\bot }}$ выполняется ${\displaystyle \left({A\left(x\right),y}\right)=0}$. Так как преобразование ${\displaystyle A}$ самосопряжённое, то отсюда следует, что ${\displaystyle \left({x,A\left(y\right)}\right)=0}$, то есть образ любого вектора ${\displaystyle y}$ из ${\displaystyle \left({E'}\right)^{\bot }}$ принадлежит ${\displaystyle \left({E'}\right)^{\bot }}$, что и означает, что подпространство ${\displaystyle \left({E'}\right)^{\bot }}$ инвариантно относительно преобразования A, что и требовалось доказать.

Доказательство свойства 3:

Для оператора R в n-мерном пространстве существует по крайней мере одно собственное значение${\displaystyle \lambda _{1}}$. По свойству 1 это собственное значение вещественно. Можно найти отвечающий ему собственный вектор е₁. Без ограничения общности можно считать, что ${\displaystyle |e_{1}|=1}$. Если n=1, то доказательство завершено.

Рассмотрим Е₁ - линейную оболочку элемента е₁, являющуюся одномерным инвариантным собственным подпространством R. Пусть Е^n-1 - ортогональное дополнение к Е₁ . Тогда по лемме 2 Е^n-1 инвариантно относительно рассматриваемого оператора. Рассмотрим его теперь как R', как действующий только в Е^n-1 . Тогда очевидно, что он будет самосопряженным оператором, заданным в Е^n-1 , поскольку Е^n-1 инвариантно относительно R по лемме 2 и, кроме того, для ${\displaystyle \forall }$х,у ${\displaystyle \in }$ Еⁿ  : (Rx,y) = (x,Ry), в том числе и для ${\displaystyle \forall }$х,у ${\displaystyle \in }$ Е^n-1.

Применяя изложенные выше рассуждения, найдем новое собственное значение ${\displaystyle \lambda _{2}}$ и соответствующий ему собственный вектор ${\displaystyle e_{2}}$ . Без ограничения общности можно считать, что ${\displaystyle |e_{2}|=1}$. При этом ${\displaystyle \lambda _{2}}$ может случайно совпасть с ${\displaystyle \lambda _{1}}$ , однако, из построения ясно, что ${\displaystyle (e_{1},e_{2})=0}$. Если п=2, то доказательство завершено. Иначе рассмотрим Е - линейную оболочку ${\displaystyle {(e_{1},e_{2})}}$ и её ортогональное дополнение Е^n-2. Найдём новое собственное значение ${\displaystyle \lambda _{3}}$ и соответствующий ему собственный вектор ${\displaystyle e_{3}}$ и т.д.

Аналогичные рассуждения проводим до исчерпания Еⁿ .

Доказательство завершено.

4. Для эрмитова оператора А определитель det ||A|| его матрицы равен произведению собственных значений.

Матрицы

Основная статья: Эрмитово-сопряжённая матрица

Матрицей, эрмитово сопряжённой к данной, называют матрицу ${\displaystyle A^{\dagger },}$ получаемую из исходной матрицы ${\displaystyle A}$ путём её транспонирования и перехода к комплексно сопряжённой, то есть ${\displaystyle (A^{\dagger })_{ij}=A_{ji}^{*}}$. Это естественное определение: если записать линейное отображение и эрмитово сопряжённый ему оператор в любом базисе в виде матриц, то их матрицы будут эрмитово сопряжёнными. Матрицу, равную своему эрмитовому сопряжению, называют эрмитовой, или самосопряжённой: для неё ${\displaystyle A^{\dagger }=A}$.

Применение

Эрмитовы операторы играют важную роль в квантовой механике, где с их помощью представляют наблюдаемые физические величины, см. Принцип неопределённости Гейзенберга.

См. также

• Сопряжённый оператор
• Самосопряжённость