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等距同构 ​

定义 ​

对于算子 S∈L(V) ,如果它对任意 v∈V 都有 ‖Sv‖=‖v‖ ,那么则称 S 是等距同构(isometry)。

等距同构即保持向量范数不变的算子。

术语上,分别将实内积空间上的等距同构称之为正交算子;复内积空间上的等距同构称之为酉算子。

等距同构的等价条件 ​

设 S∈L(V) ,则以下条件等价:

  1. S 是等距同构;
  2. 对所有 u,v∈V 均有 ⟨Su,Sv⟩=⟨u,v⟩ ;
  3. 对于 V 中的任意规范正交向量组 e1,…en 均满足 Se1,…,Sen 是规范正交的;
  4. S∗S=I ;
  5. SS∗=I ;
  6. S∗ 是等距同构;
  7. S 是可逆的且 S−1=S∗ ;

证明:

条件1成立时,根据极化恒等式,对任意 u,v∈V 都有

⟨Su,Sv⟩=‖Su+Sv‖2−‖Su−Sv‖2+i‖Su+iSv‖2−i‖Su−iSv‖24=‖S(u+v)‖2−‖S(u−v)‖2+i‖S(u+iv)‖2−i‖S(u−iv)‖24=‖u+v‖2−‖u−v‖2+i‖u+iv‖2−i‖u−iv‖24=⟨u,v⟩

因此条件1蕴含条件2。

当条件2成立时,可知在 V 中的某一规范正交向量组 e1,…,en 中的任意两个向量 ej,ek 都有

⟨Sej,Sek⟩=⟨ej,ek⟩=0

有因为 S 保持向量的范数不变,故而 Se1,…,Sen 还是规范正交的。因此条件2蕴含条件3。

当条件3成立时,设 e1,…,en 是 V 的一个规范正交基,那么对于其中任意两个向量 ej,ek 都有

⟨S∗Sej,ek⟩=⟨Sej,(S∗)∗ek⟩=⟨Sej,Sek⟩=⟨ej,ek⟩

因为对于任意向量 u,v∈V ,u 和 v 都可以表示为 e1,…,en 的线性组合,那么 ⟨S∗Su,v⟩ 可以用两个规范正交基的线性组合做内积来表示,最后展开会消去 S (此处省略展开过程,太冗长了),最终可以得到 ⟨S∗Su,v⟩=⟨u,v⟩=⟨Iu,v⟩ 。因此条件3蕴含条件4。

条件4显然蕴含条件5。

当条件5成立时,对于任意 v∈V 有

‖S∗v‖2=⟨S∗v,S∗v⟩=⟨(S∗)∗S∗v,v⟩=⟨SS∗v,v⟩=⟨v,v⟩=‖v‖2

可得 ‖S∗v‖=‖v‖ ,所以 S∗ 也是等距同构,条件5蕴含条件6。

当条件6成立时,因为伴随映射的存在性,结合条件4和条件5的蕴含关系,可以得出此时条件7成立。

当条件7成立时,对于任意 v∈V 有

‖Sv‖2=⟨Sv,Sv⟩=⟨S∗Sv,v⟩=⟨S−1Sv,v⟩=⟨Iv,v⟩=⟨v,v⟩=‖v‖2

所以 ‖Sv‖=‖v‖ ,因此条件7蕴含条件1。

至此已经证明以上条件是依次蕴含的关系,从而已证以上条件成立的等价性。

复内积空间下的等价条件 ​

设 V 是复内积空间,且有 S∈L(V) ,则以下条件等价成立:

  1. S 是等距同构;
  2. V 有一个由 S 的本征向量组成的规范正交基,并且这组本征向量对应的本征值绝对值均为1;

证明:

假设条件1成立,那么可知 S∗S=I=SS∗ ,故而 S 是个正规算子,根据复谱定理可知,必然存在一组 S 的本征向量构成的规范正交基 e1,…,en ,设对应的本征值为 λ1,…,λn ,那么对于任意 j∈{1,…,n} 都有

|λj|=λj‖ej‖=‖λjej‖=‖Sej‖=‖ej‖=1

因此条件1蕴含条件2。

假设条件2成立,那么根据规范正交基的相关性质,对于任意 v∈V 有

v=⟨v,e1⟩e1+⋯+⟨v,en⟩en‖v‖2=|⟨v,e1⟩|2+⋯+|⟨v,en⟩|2

将 S 作用于第一个等式

Sv=⟨v,e1⟩Se1+⋯+⟨v,en⟩Sen=λ1⟨v,e1⟩e1+⋯+λn⟨v,en⟩en

因为 |λj|=1 ,代入上式并平方,可得

‖Sv‖2=|⟨v,e1⟩|2+⋯+|⟨v,en⟩|2

所以 ‖Sv‖2=‖v‖2 ,可得 ‖Sv‖=‖v‖ ,即 S 是等距同构,条件2蕴含条件1。

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