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
. Следовательно, для того, чтобы линейный
оператор U был унитарным необходимо и достаточно, чтобы он
переводил какой-либо ортонормированный базим  в
ортонормированный базис
 в
ортонормированный базис .
.
Определение.
Матрица с элементами , удовлетворяющая условиям (3,
4), называется унитарной матрицей.
, 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:
 - соответствующее собственное значение: . Рассмотрим
. 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
, состоящее из векторов  инвариантно относительно U.
 инвариантно относительно U.
Доказательство.
 пространство
пространство  инвариантно.
 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
. По лемме 2 (n-1)-мерное
подпространство , состоящее из всех векторов
пространства Х ортогональных к
, состоящее из всех векторов
пространства Х ортогональных к , инвариантно относительно
унитарного оператора U. Продолжая это процесс, мы получим n
попарно ортогональных собственных векторов
, 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.
 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).
(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 этом базисе матрица U имеет
вид (5), а числа  в силу леммы 1.
 в силу леммы 1.
15. Спектральная характеристика нормального оператора. Критерий простоты структуры линейного оператора.
Определение. Линейный
оператор  называется нормальным, если
 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
, т.к. базис ортонормированный, то матрица
оператора  будет
 будет  (транспонирование,
сопряжение). Следовательно,
 (транспонирование,
сопряжение). Следовательно, .
.
Достаточность.
Пусть . Покажем, что у операторов А и
. Покажем, что у операторов А и  существует общий собственный вектор
 существует общий собственный вектор :
:
 Линейная оболочка
Линейная оболочка  будет одномерным инвариантным подпространством,
а
 будет одномерным инвариантным подпространством,
а  будет также инвариантным подпространством.
Докажем это:
 будет также инвариантным подпространством.
Докажем это:
Пусть .
.  также будет принадлежать
 также будет принадлежать , т.к.
, т.к. .
Рассмотрим теперь действие оператора А из
.
Рассмотрим теперь действие оператора А из  (
 ( )… Продолжая этот процесс, получим
ортогональный базис из собственных векторов, нормируем его – нормированный.
)… 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.
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
 характеристического уравнения
кратности  ранг
 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:
 имеет вид: .
Причем среди
.
Причем среди  могут быть одинаковые. Если через А
обозначить матрицу линейного оператора в некотором произвольном базисе
 могут быть одинаковые. Если через А
обозначить матрицу линейного оператора в некотором произвольном базисе , то
, то , где Р
– матрица перехода от базиса е из собственных векторов к базису f. Следовательно
, где Р
– матрица перехода от базиса е из собственных векторов к базису f. Следовательно , т.е.
, т.е.  и
и  подобны и имеют одинаковый ранг.
 подобны и имеют одинаковый ранг. .
.  числу
отличных от нуля ее диагональных элементов, т.е. числу корней характеристического
уравнения неравных
числу
отличных от нуля ее диагональных элементов, т.е. числу корней характеристического
уравнения неравных , т.о.
, т.о. .
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.