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正算子

定义

TL(V) ,如果 T 是自伴的且对于任意 vV 都有 Tv,v0 ,那么则称 T 是一个正算子(positive operator)。

注意,在 V 是复向量空间时,只有在 T 是自伴算子的情况下才有讨论是否为正算子的意义,因为复向量空间中只有自伴算子才能使得 Tv,vR ,从而有与 0 比较的意义。

算子的平方根

设有算子 R 和算子 T ,如果 R2=T ,那么称 RT 的平方根。

正算子的等价条件

TL(V) ,则以下条件等价成立:

  1. T 是正算子;
  2. T 是自伴的且 T 的所有本征值都不为负;
  3. T 有正的平方根;
  4. T 有自伴的平方根;
  5. 存在算子 R 使得 T=RR;

证明:首先假设条件1成立,那么根据正算子定义,显然 T 是自伴的,设 λT 的本征值,v 是相应的本征向量,那么有

0Tv,v=λv,v=λv,v

因为 v0 ,所以 v,v=v2>0 ,那么此处的 λ>0 ,故而条件2成立。

假设条件2成立,因为所有的自伴算子一定是正规的,所以根据谱定理可知 V 存在一个由 T 的本征向量组成的规范正交基 e1,,en ,设 T 相应于这组本征向量的本征值为 λ1,,λn 且都不为负,设算子 RL(V) 使得任意 1jn

Rej=λjej

显然对于每个 j 都有 R2ej=λjej=Tej , 所以 R2=T,即 RT 的平方根。

vV ,且 v=a1e1++anen ,那么对于有

Rv,v=λ1a12e1,e1++λnan2en,en

上式右边的每一项显然都大于等于零,故而可知 R 是正算子,所以条件3成立;且因为正算子都是自伴的,故而条件4也成立。

设条件4成立,显然 R=RT=R2 ,所以 T=R2=RR=RR ,条件5成立。

设条件5成立,那么

T=(RR)=R(R)=RR=T

所以 T 是自伴的,又因为

Tv,v=RRv,v=Rv,(R)v=Rv,R,v0

故而 T 是正算子,条件1成立。

至此已经证明条件1至5循环蕴含,故而这5个条件等价成立。

正算子的正平方根唯一

对于任意正算子 T ,有且只有一个平方根是正算子,这个唯一的正算子记作 T

证明: 设 TL(V) 是正算子,vVT 的一个本征向量,其对应的本征值为 λ ,那么可知 λ0Tv=λv

再设算子 RT 的一个正平方根。

因为正算子必然是自伴算子,故而根据谱定理可知 R 有一组本征向量 e1,,en 可以作为 V 的规范正交基,因为其本征值都是非负数,所以存在一组非负数 λ1,,λn 使得对于任意 1jn 都有 Rej=λjej

那么对于 T 的本征向量 v ,一定存在 a1,,anF 使得

v=a1e1++anen

于是

Rv=a1λ1e1++anλnenR2v=a1λ1e1++anλ1en

因为 R2=TTv=λv ,所以 R2v=λv ,可得

a1λ1e1++anλ1en=a1λe1++anλen

说明对于 j=1,,n ,存在一部分 λj=λ 的情况(当 aj0 时,可以存在 λjλ ,又因为 v0 ,所以一定有 aj0),所以得到

v={j:λj=λ}ajej

那么

Rv={j:λj=λ}ajλjej=λ({j:λj=λ}ajej)=λv

此时我们得到 Rv=λv 的结论,这意味这 T 的每个本征向量都可以唯一确定 R 的映射关系,又因为 T 必然是自伴算子,故而 T 的本征向量必然可以组成一个 V 的规范正交基,那么 RV 中的映射关系也就唯一确定了。

此处证明的核心思路可以形象地理解为:R 在空间 V 中各个“方向”上的“变化”都是确定的,那么 R 整体的变化也就确定下来了)。

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