3) В ортонормированном базисе строки и столбцы матрицы унитарного оператора U ортонормированные.
4)
Рассмотрим скалярное произведение. Следовательно, для того, чтобы линейный
оператор U был унитарным необходимо и достаточно, чтобы он
переводил какой-либо ортонормированный базим
в
ортонормированный базис
.
Определение.
Матрица с элементами, удовлетворяющая условиям (3,
4), называется унитарной матрицей.
Замечание. Т.к. переход от одного ортонормированного базиса к другому осуществляется унитарным оператором, матрица перехода от одного ортонормированного базиса к другому такому же является унитарной.
Лемма 1. Собственные значение унитарного оператора по модулю равны 1 (лежат на окружности единичного радиуса).
Доказательство.
Пусть х – собственный вектор унитарного оператора U и - соответствующее собственное значение:
. Рассмотрим
Лемма 2. Пусть
унитарный оператор U, действующий в n-мерном пространстве
Х, а е – его собственный вектор. Тогда (n-1)-мерное
пространство, состоящее из векторов
инвариантно относительно U.
Доказательство.
пространство
инвариантно.
Теорема 1. Для любого унитарного оператора в n-мерном пространстве существует n попарно ортогональных собственных векторов, соответствующие им собственные значения по модулю равны 1.
Доказательство.
Унитарный оператор U имеет в Х хотя бы один собственный вектор, обозначим
его через. По лемме 2 (n-1)-мерное
подпространство
, состоящее из всех векторов
пространства Х ортогональных к
, инвариантно относительно
унитарного оператора U. Продолжая это процесс, мы получим n
попарно ортогональных собственных векторов
унитарного
оператора U. По лемме 1 собственные значения, соответствующие
собственным векторам, по модулю равны 1.
Теорема 2. Для
любого унитарного оператора U в n-мерном пространстве Х существует ортонормированный
базис, в котором матрица этого оператора диагональна: (5).
Доказательство. Пусть
U – унитарный оператор, тогда по теореме 1 существует ортонормированный
базис пространства Х из собственных векторов унитарного оператора U:. В этом базисе матрица U имеет
вид (5), а числа
в силу леммы 1.
15. Спектральная характеристика нормального оператора. Критерий простоты структуры линейного оператора.
Определение. Линейный
оператор называется нормальным, если
.
Замечание. Унитарные и самосопряженный линейные операторы являются частными случаями нормальных операторов.
Теорема. Спектральная характеристика нормального
оператора. Для того, чтобы существовал
ортонормированный базис, в котором линейный оператор приводится к диагональной
форме, необходимо и достаточно, чтобы.
Доказательство.
Необходимость.
Пусть в некотором ортонормированном базисе матрица оператора А диагональна, т.к. базис ортонормированный, то матрица
оператора
будет
(транспонирование,
сопряжение). Следовательно,
.
Достаточность.
Пусть. Покажем, что у операторов А и
существует общий собственный вектор
:
Линейная оболочка
будет одномерным инвариантным подпространством,
а
будет также инвариантным подпространством.
Докажем это:
Пусть.
также будет принадлежать
, т.к.
.
Рассмотрим теперь действие оператора А из
(
)… Продолжая этот процесс, получим
ортогональный базис из собственных векторов, нормируем его – нормированный.
Определение. называется оператором простой структуры,
если А имеет n линейно независимых собственных векторов.
Теорема. Критерий простоты структуры линейного
оператора. Для того,
чтобы линейный оператор А имел простую структуру необходимо и достаточно, чтобы
для любого корня характеристического уравнения
кратности
ранг
.
Доказательство.
Необходимость. А – оператор простой структуры. Следовательно, существуют n линейно независимых векторов,
выбирая которые в качестве базиса L, получим, что матрица линейного оператора в базисе имеет вид:
.
Причем среди
могут быть одинаковые. Если через А
обозначить матрицу линейного оператора в некотором произвольном базисе
, то
, где Р
– матрица перехода от базиса е из собственных векторов к базису f. Следовательно
, т.е.
и
подобны и имеют одинаковый ранг.
.
числу
отличных от нуля ее диагональных элементов, т.е. числу корней характеристического
уравнения неравных
, т.о.
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.