![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
Линейный оператор унитарного пространства
называется нормальным, если
,
т. е. если он перестановочен со своим сопряжённым.
Если ортонормированный базис пространства
и
матрица нормального оператора
в этом базисе, то по теореме из §1.3 имеем
.
Справедливы следующие три теоремы о нормальных операторах.
ТЕОРЕМА 1. Всякий собственный вектор нормального оператора
, соответствующий собственному значению
будет и собственным вектором оператора
, который соответствует комплексно-сопряжённому значению
.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Если линейный оператор, а
тождественный оператор
, то
также линейный оператор, сопряжённым для которого будет
(т. к.
). По условию
нормальный оператор, значит
. Нетрудно проверить, что
.
Из того, что является собственным вектором оператора
следует, что
, значит
То есть и
. □
ТЕОРЕМА 2. Собственные векторы, соответствующие различным собственным значениям нормального оператора будут ортогональны.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Пусть .
Тогда
.
Откуда , следовательно
, т. к.
. □
ТЕОРЕМА 3. (основная о нормальных операторах). Для каждого нормального оператора в унитарном пространстве
найдётся ортонормированный базис, составленный из собственных векторов оператора
. Матрица
имеет в этом базисе диагональный вид.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Пусть характеристический корень линейного оператора
(по основной теореме алгебры комплексных чисел [3] такой корень существует). Ему соответствует собственный вектор
. Рассмотрим множество
, которое является подпространством пространства
и называется ортогональным к
. Так как
, то для любого вектора
справедливо
.
Таким образом, как только
. Такое подпространство называется инвариантным, относительно оператора
.
Рассмотрим оператор , заданный на
следующим образом:
. Оно называется ограничением
на
. Заметим, что собственные векторы
будут собственными векторами и
.
Далее аналогично находим в собственный вектор
оператора
. Пусть
подпространство векторов, ортогональных к
и
.
будет опять инвариантным относительно
, т. к. является пересечением двух инвариантных подпространств. В нём снова найдётся собственный вектор
оператора
. И т. д.
Продолжая указанную процедуру, получим ортогональный базис пространства
, составленный из собственных векторов оператора
. Остаётся нормировать этот базис.
В этом базисе матрица линейного оператора будет иметь диагональный вид [2]. □
Дата публикования: 2014-11-04; Прочитано: 1014 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!