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自伴算子与正规算子 ​

伴随映射 ​

定义 ​

设 T∈V,W ,那么 T 的伴随映射(adjoint)记作 T∗ ,它是满足如下条件的函数: T∗:W→V : 对任意 v∈V 和 w∈W 均有 ⟨Tv,w⟩=⟨v,T∗w⟩ 。

相关性质 ​

  1. 伴随是线性映射。

证明:设 T∈L(V,W) 及其伴随映射 T∗∈L(W,V) ,取 w1,w2∈W 、v∈V ,那么

⟨v,T∗(w1+w2)⟩=⟨Tv,w1+w2⟩=⟨Tv,w1⟩+⟨Tv,w2⟩=⟨v,T∗w1⟩+⟨v,T∗w2⟩=⟨v,T∗w1+T∗w1⟩⇓T∗(w1+w2)=T∗w1+T∗w1

取 λ∈F 、w∈W,那么

⟨v,T∗(λw)⟩=⟨Tv,λw⟩=λ―⟨Tv,w⟩=λ―⟨v,T∗w⟩=⟨v,λT∗w⟩⇓T∗(λw)=λT∗w

至此已证明可加性与齐性,证毕。

  1. 对所有 S,T∈L(V,W) 均有 (S+T)∗=S∗+T∗ 。

证明:设 v∈V 、w∈W ,则

⟨v,(S+T)∗w⟩=⟨(S+T)v,w⟩=⟨Sv,w⟩+⟨Tv,w⟩=⟨v,S∗w⟩+⟨v,T∗w⟩
  1. 对任意 λ∈F 和 T∈L(V,W) 均有 (λT)∗=λ―T∗ 。

证明:设 v∈V 、w∈W ,则

⟨v,(λT)∗w⟩=⟨λTv,w⟩=λ⟨Tv,w⟩=λ⟨v,T∗w⟩=⟨v,λ―T∗w⟩
  1. 对于任意 T∈L(V,W) 均有 (T∗)∗=T 。

证明:设 v∈V 、w∈W ,则

⟨w,(T∗)∗v⟩=⟨(T∗)w,v⟩=⟨w,T∗v⟩―=⟨Tv,w⟩―=⟨w,Tv⟩
  1. 对于任意向量空间上的恒等算子 I 均有 I∗=I 。

易证,证明略。

  1. 对于 T∈L(V,W) 、S∈L(W,U) 有 (ST)∗=T∗S∗ 。

证明:取 v∈V 、w∈W 、u∈U ,则

⟨v,(ST)∗u⟩=⟨STv,u⟩=⟨Tv,S∗u⟩=⟨v,T∗S∗u⟩

伴随映射的零空间和值域 ​

设 T∈L(V,W) ,则:

  1. nullT∗=(rangeT)⊥
  2. rangleT∗=(nullT)⊥
  3. nullT=(rangeT∗)⊥
  4. rangeT=(nullT∗)⊥

共轭转置矩阵 ​

m×n 矩阵的共轭转置(conjugate transpose)矩阵就是将矩阵的转置矩阵的每个元素取复共轭得到的 n×m 矩阵。

例如矩阵

(12+3i4−5+6i7−8)

的共轭转置矩阵便是

(1−5−6i2−3i74−8)

伴随映射的矩阵 ​

设 T∈L(V,W) ,且 e1,…,en 是 V 的规范正交基,f1,…,fm 是 W 的规范正交基,那么 M(T∗,(f1,…,fm),(e1,…,en)) 是 M(T,(e1,…,en),(f1,…,fm)) 的共轭转置矩阵。

证明:因为f1,…,fm 是 W 的规范正交基,故而对于任意 1≤k≤n 都有

Tek=⟨Tek,f1⟩f1+⋯+⟨Tek,fm⟩fm

那么设 1≤j≤m , M(T,(e1,…,en),(f1,…,fm)) 可以写成

(⟨Te1,f1⟩…⟨Tek,f1⟩…⟨Ten,f1⟩⋮⋮⋮⟨Te1,fj⟩…⟨Tek,fj⟩…⟨Ten,fj⟩⋮⋮⋮⟨Te1,fm⟩…⟨Tek,fm⟩…⟨Ten,fm⟩)

反之,因为 e1,…,en 是 V 的规范正交基,所以

T∗fj=⟨T∗fj,e1⟩e1+⋯+⟨T∗fj,en⟩en

对于 ⟨T∗fj,ek⟩ 做变换

⟨T∗fj,ek⟩=⟨fj,(T∗)∗ek⟩=⟨fj,Tek⟩=⟨Tek,fj⟩―

最终得到

T∗fj=⟨Te1,fj⟩―e1+⋯+⟨Ten,fj⟩―en

所以 M(T∗,(f1,…,fm),(e1,…,en)) 可以写成

(⟨Te1,f1⟩―…⟨Te1,fj⟩―…⟨Te1,fm⟩―⋮⋮⋮⟨Tek,f1⟩―…⟨Tek,fj⟩―…⟨Tek,fm⟩―⋮⋮⋮⟨Ten,f1⟩―…⟨Ten,fj⟩―…⟨Ten,fm⟩―)

显然两个矩阵是共轭转置关系。

自伴算子 ​

定义 ​

设 T∈L(V) ,如果 T=T∗ ,则称 T 是自伴(self-adjoint)的。即 T 对于任意 v,w∈V 都有 ⟨Tv,w⟩=⟨v,Tw⟩ 。

相关性质 ​

  1. 自伴算子的本征值都是实数。

证明:设 T∈L(V) 且 T∗=T ,取 λ∈F 、v∈V 使得 Tv=λv ,那么

λ‖v‖2=⟨λv,v⟩=⟨Tv,v⟩=⟨v,T∗v⟩=⟨v,λv⟩=λ―‖v‖2

所以 λ=λ― ,因此 λ∈R 。

  1. 设 V 是复内积空间,若 T∈L(V) 且对于任意 v∈V 都有 ⟨Tv,v⟩=0 ,那么 T 只能是 0 算子,即T=0。

证明:根据算子极化恒等式可知,对于任意 u,w∈V 都有

⟨Tu,w⟩=⟨T(u+w),u+w⟩−⟨T(u−w),u−w⟩4+i⟨T(u+iw),u+iw⟩−i⟨T(u−iw),u−iw⟩4

因为 ⟨Tv,v⟩=0 ,故而上式中的 ⟨T(u+w),u+w⟩ 、⟨T(u−w),u−w⟩ 、⟨T(u+iw),u+iw⟩ 、⟨T(u−iw),u−iw⟩ 都为 0 。

所以对于任意 u,w∈V 都有 ⟨Tu,w⟩=0 , 所以 T 只能为 0 。

  1. 设 V 是复内积空间,T∈L(V) 且 v∈V,那么 T 是自伴的情况与 ⟨Tv,v⟩=R 等价成立。

证明:我们构造以下等式

⟨Tv,v⟩−⟨Tv,v⟩―=⟨Tv,v⟩−⟨v,Tv⟩=⟨Tv,v⟩−⟨T∗v,v⟩=⟨(T−T∗)v,v⟩

当 T 是自伴的情况成立时

⟨(T−T∗)v,v⟩=⟨(T−T)v,v⟩=⟨0,v⟩=0⇓⟨Tv,v⟩−⟨Tv,v⟩―=0⇓⟨Tv,v⟩=⟨Tv,v⟩―

显然 ⟨Tv,v⟩=0 的情况也随之成立。

反之,当 ⟨Tv,v⟩=0 成立时,显然 ⟨(T−T∗)v,v⟩=0 ,那么此时显然 T=T∗ ,即 T 是自伴的情况随之成立。

  1. 在内积空间 V 中,若 T∈L(V) 且对于任意 v∈V 都有 ⟨Tv,v⟩=0,那么 T=0 。

在复内积空间中,性质2已经证明过。至于实内积空间,将算子极化恒等式退化到实内积空间的情况下即可证明。

正规算子 ​

定义 ​

设有内积空间 V 以及算子 T∈L(V) ,那么当 TT∗=T∗T 时,则称该算子 T 是正规的(normal)。

相关性质 ​

设有内积空间 V 、T∈L(V) 以及任意 v∈V,那么以下性质均成立。

  1. T 是正规的情况与 ‖Tv‖=‖T∗v‖ 等价成立。

证明:若 T 是正规的,那么 ⟨(T∗T−TT∗)v,v⟩=0 ,因此

⟨T∗Tv,v⟩=⟨TT∗,v⟩⇓‖Tv‖2=‖T∗v‖2⇓‖Tv‖=‖T∗v‖

证明完毕,反之,当 ‖Tv‖=‖T∗v‖ 成立时,将上述过程倒转,即可证明 T 时正规的。

  1. 若 T 是正规的,那么 T 与 T∗ 有相同的本征向量。

证明:设 v∈V 是 T 相应于本征值 λ∈F 的本征向量,则

(T−λI)(T−λI)∗=(T−λI)(T∗−λ―I)=TT∗−λ―T−λT∗+λ2(T−λI)∗(T−λI)=(T∗−λ―I)(T−λI)=T∗T−λT∗−λ―T+λ2

因为 T∗T=TT∗ ,代入上边的两个等式可得 (T−λI)(T−λI)∗=(T−λI)∗(T−λI) ,因此 T−λI 也是正规的。根据性质1可得

0=‖(T−λI)v,v‖=‖(T−λI)∗v,v‖=‖(T−λ―I)∗v,v‖

因此 v 是相应于 T∗ 的本征值 λ― 的本征向量。

  1. 若 T 是正规的,且相应于 T 有多个不同的本征值,那么这些本征值所对应的本征向量之间互相正交。

证明: 设 α,β∈F 是 T 不同的两个本征值,其分别对应的本征向量是 u,v∈V 。那么

(α−β)⟨u,v⟩=⟨(α−β)u,v⟩=⟨αu,v⟩−⟨βu,v⟩=⟨Tu,v⟩−⟨Tu,v⟩=0

因为 α≠β ,所以 α−β≠0 ,最后可知 ⟨u,v⟩=0 ,即向量 u 和 v 正交。

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