Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ангеом 2 семестр экзамены.docx
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
82 Кб
Скачать
☆

22. Полярное разложение линейного оператора.

Предложение. Всякий линейный оператор π (матрица) в унитарном пространстве однозначно представим(а) в виде суммы эрмитова (эрмитовой матрицы) и косоэрмитова оператора (косоэрмитовой матрицы).

Доказательство. Если π=ν1+τ1=ν2+τ2,где ν1,ν2–эрмитовы, а τ1,τ2–косоэрмитовы операторы, то ν1−ν2=τ2−τ1. Следовательно,(ν1−ν2)∗=(τ2−τ1)∗.Поэтому,ν1−ν2=−τ2+τ1,откуда ν1−ν2=O. Значит ν1=ν2 и τ1=τ2. Следовательно, если это разложение существует, то только единственное.

Полагаем ν=1/2·(π+π∗) и τ=1/2·∗(π−π∗). Легко видеть, что ν∗=1/2·(π∗+π∗∗)=ν и τ∗=1/2·∗(π∗−π∗∗)=−τ. Следовательно ν эрмитов, а τ косоэрмитов операторы. Очевидно, что ν+τ=π. В случае вещественного оператора в евклидовом пространстве, предыдущее доказательство полностью сохранится, а опе-

ратор ν будет симметрическим, и τ кососимметрическим. Беря ортонормированный

базис пространства V извлекаем из этого доказательства матричную формулировку

утверждения.

Определение. Симметрический оператор ν называется положительно определенным, если Sp(ν) положителен. Симметрический оператор называется неотрицательным, если Sp(π) неотрицателен.

Случай представления оператора в виде произведения операторов из заданного

класса более сложен, поэтому рассматриваем только вещественные невырожденные операторы π.

Теорема.(о полярном разложении оператора) Для каждого невырожденного линейного оператора в евклидовом пространстве V существуют и единственны положительно определенные операторы ν1,ν2 и ортогональные операторы τ1,τ2 такие, что π=ν1τ1–левое разложение и π=τ2ν2–правое разложение.

Доказательство. Существование. Сконцентрируемся на доказательстве правого разложения. В конце доказательства укажем какие нужно внести изменения, чтобы получить левое разложение. Полагаем η=π∗π. Поймем, что оператор η положительно определен. Действительно, η∗=(π∗π)∗=π∗π∗∗=π∗π=η. Поэтому оператор η симметрический. Если ρ∈Sp(η), то существует вектор a∈V такой, что η(a)=ρa. Рассмотрим скалярное произведение (η(a),a)=(ρa,a)=ρ(a,a). С другой стороны (η(a),a)=(π∗π(a),a)=(π(a),π∗∗(a))=(π(a),π(a))>0. Следовательно, ρ>0 и оператор η положительно определен.

Рассмотрим положительно определенный оператор ν1 , который в этом базисе имеет матрицу

Aeν1=

Тогда ν21=η=π∗π. Рассмотрим оператор τ1=πν−11.Этот оператор ортогонален. Действительно, τ∗1τ1=(πν−11)∗πν−11=(ν−11)∗π∗πν−11=ν−11π∗πν−11=ν−11ν21ν−11=ε. Итак оператор τ1 ортогонален и π=τ1ν1. Для построения левого разложения необходимо вначале взять вспомогательный оператор η2=ππ∗. Этот оператор положительно определен, что доказывается тем же способом. Строится положительно определенный оператор ν2 такой, что ν22=η2. В конце доказательства надо взять оператор τ2=ν−12π и понять, что он ортогонален.

Единственность. Пусть оператор π имеет два правых представления π=τν=τ’ν’, где τ,τ’ ортогональные операторы и ν,ν’ положительно определенные операторы. Тогда π∗π=(τν)∗τν=ν∗τ∗τν=νεν=ν2. Аналогично, π∗π=(ν’)2. Так как операторы ν,ν’ положительно определены, то ν=ν’. Следовательно, τ=πν−1=π(ν’)−1=τ’. Для левого разложения доказательство единственности аналогично.

В качестве упражнения сформулируйте чисто матричный аналог теоремы (2.6.3)

встречающийся, например, в книге [1]. Конечно, автор тешит себя надеждой, что

студент вечерами прорабатывает этот электронный учебник и он в это время выдер-

живает конкуренцию с Интернетом, с играми бродилками, с телевизором (да мало

ли других искушений). Теорема верна (кроме единственности) для любых операторов, не обязательно невырожденных, то есть для каждого оператора π существуют неотрицательные операторы ν1,ν2 и ортогональные операторы τ1,τ2 такие, что ν1τ1=π=τ2ν2.

Теорема. Пусть π линейный оператор евклидовом пространстве. Тогда следующие условия эквивалентны

a) π нормален;

b) Если π=τν, где τ–ортогональный, а ν–неотрицательный симметрический операторы, то τν=ντ.

Доказательство. a) =⇒ b) Пусть π нормальный оператор и π = τν, где τ ортогональный и ν неотрицательный операторы. Тогда π∗π=ππ∗. Следовательно, (τν)∗τν=τν(τν)∗. Поэтому, ν∗τ∗τν=τνν∗τ∗. Отсюда νεν=τν2τ−1, т.е. ν2=τν2τ−1. Так как ν неотрицательный симметрический оператор, то отсюда следует, что ν=τντ−1. Отсюда заключаем, что τν=ντ.

b) =⇒ a). Пусть π=τν=ντ, где τ–ортогональный, а ν–неотрицательный симметрический операторы. Проверим, что π∗π=ππ∗. Действительно, π∗π=(τν)∗τν=ν∗τ∗τν=νεν=ν2. С другой стороны ππ∗=ντ(ντ)∗=νττ∗ν∗=νεν=ν2. Следовательно, оператор π нормален.