Сопряженные и симметричные линейные операторы в евклидовом пространстве. Линейные операторы в евклидовых пространствах

25.04.2019 Советы

Рассмотрим -мерное евклидово пространство . Пусть дан произвольный линейный оператор в .

Определение 10. Линейный оператор называется транспонированным оператором для оператора , если для любых векторов и из :

. (106)

Существование и единственность транспонированного оператора устанавливаются совершенно аналогично тому, как это делалось в § 8 для сопряженного оператора в унитарном пространстве.

Транспонированный оператор обладает следующими свойствами:

2. ,

3. ( – вещественное число),

Введем ряд определений.

Определение 11. Линейный оператор называется нормальным, если

Определение 12. Линейный оператор называется симметрическим, если

Определение 13. Симметрический оператор называется неотрицательным, если для любого вектора из

Определение 14. Симметрический оператор называется положительно определенным, если для любого вектора из

Определение 15. Линейный оператор называется кососимметрическим, если

Произвольный линейный оператор всегда представим, и притом однозначно, в виде

где – симметрический, а – кососимметрический оператор.

Действительно, из (107) следует

Из (107) и (108) вытекает

. (109)

Обратно, формулы (109) всегда определяют симметрический оператор и кососимметрический , для которых имеет место равенство (107).

И носят название симметрической и кососимметрической компонент оператора .

Определение 16. Оператор называется ортогональным, если он сохраняет метрику пространства, т. е. если для любых векторов из

. (110)

Равенство (110) в силу (106) можно переписать так: . Отсюда следует:

Обратно, из (111) вытекает (110) (при произвольных векторах ). Из (111) следует: , т. е.

Мы будем ортогональный оператор называть оператором первого рода, если , и второго рода, если .

Симметрический, кососимметрический, ортогональный операторы суть частные виды нормального оператора.

Рассмотрим произвольный ортонормированный базис в данном евклидовом пространстве. Пусть линейному оператору в этом базисе соответствует матрица (здесь все – вещественные числа). Читатель без труда покажет, что транспонированному оператору отвечает в этом же базисе транспонированная матрица , где . Отсюда вытекает, что в ортонормированном базисе нормальному оператору отвечает нормальная матрица , симметрическому оператору отвечает симметрическая матрица , кососимметрическому оператору – кососимметрическая матрица и, наконец, ортогональному оператору – ортогональная матрица .

Аналогично тому, как это делалось в § 8 для сопряженного оператора, здесь устанавливается следующее предложение:

Если некоторое подпространство в инвариантно относительно линейного оператора , то ортогональное дополнение к в инвариантно относительно оператора .

Для исследования линейных операторов в евклидовом пространстве мы расширим евклидово пространство до некоторого унитарного пространства . Это расширение проведем следующим образом:

1. Векторы из будем называть вещественными векторами.

2. Введем в рассмотрение «комплексные» векторы , где и – вещественные векторы, т. е. .

3. Естественным образом определяются операции сложения комплексных векторов и умножения на комплексное число. Тогда совокупность всех комплексных векторов образует -мерное векторное пространство над полем комплексных чисел, содержащее в себе как часть .

4. В вводится эрмитова метрика так, чтобы в она совпадала с имеющейся там евклидовой метрикой. Читатель легко проверит, что искомая эрмитова метрика задается следующим образом:

Если и , то

Полагая при этом и , будем иметь:

Если выбрать вещественный базис, т. е. базис в , то будет представлять собой совокупность всех векторов с комплексными, а – с вещественными координатами в этом базисе.

Всякий линейный оператор в однозначно расширяется до линейного оператора в :

Среди всех линейных операторов в операторы, получившиеся в результате такого расширения из операторов в , характеризуются тем, что переводят в . Такие операторы будем называть вещественными.

В вещественном базисе вещественные операторы определяются вещественными матрицами, т. е. матрицами с вещественными элементами.

Вещественный оператор переводит комплексно сопряженные векторы и снова в комплексно сопряженные

У вещественного оператора вековое уравнение имеет вещественные коэффициенты, поэтому умеете с корнем -й кратности оно имеет и корень -й кратности . Из следует: , т. е. сопряженным характеристическим числам соответствуют сопряженные собственные векторы.

Двумерное подпространство имеет вещественный базис: . Плоскость в с этим базисом будем называть инвариантной плоскостью оператора , отвечающей паре характеристических чисел . Пусть .

Тогда, как легко видеть,

Рассмотрим вещественный оператор простой структуры с характеристическими числами:

где – вещественные числа, причем .

Тогда соответствующие этим характеристическим числам собственные векторы можно выбирать так, чтобы

образуют базис в евклидовом пространстве . При этом

(114)

В базисе (113) оператору соответствует вещественная квазидиагональная матрица

. (115)

Таким образом, для каждого оператора простой структуры в евклидовом пространстве существует такой базис, в котором оператору соответствует матрица вида (115). Отсюда следует, что всякая вещественная матрица простой структуры вещественно-подобна канонической матрице вида (115):

Транспонированный оператор для в после расширения становится сопряженным оператором для в . Следовательно, нормальный, симметрический, кососимметрический, ортогональный операторы в после расширения становятся соответственно нормальным, эрмитовым, умноженным на эрмитовым, унитарным вещественным операторами в .

Нетрудно показать, что для нормального оператора в евклидовом пространстве можно выбрать канонический базис – ортонормированный базис (113), для которого имеют место равенства (114). Поэтому вещественная нормальная матрица всегда вещественно- и ортогонально-подобна матрице вида (115):

(117)

У симметрического оператора в евклидовом пространстве все характеристические числа вещественны, так как после расширения этот оператор становится эрмитовым. Для симметрического оператора в формулах (114) следует положить . Тогда получим:

Симметрический оператор в евклидовом пространстве всегда имеет ортонормированную систему собственных векторов с вещественными характеристическими числами. Поэтому вещественная симметрическая матрица всегда вещественно- и ортогонально-подобна диагональной матрице

У кососимметрического оператора в евклидовом пространстве все характеристические числа чисто мнимы (после расширения этот оператор равен произведению на эрмитов оператор). Для кососимметрического оператора в формулах (114) следует положить:

после чего эти формулы принимают вид

(120)

Поскольку является нормальным оператором, базис (113) можно считать ортонормированным. Таким образом, всякая вещественная кососимметрическая матрица вещественно- и ортогонально-подобна канонической кососимметрической матрице:

. (124)): из равенств параллельно вектору . Нами доказана теорема Эйлер – Даламбера:

Произвольное конечное движение в трехмерном евклидовом пространстве представляет собой винтовое перемещение вокруг некоторой неподвижной оси.

220400 Алгебра и геометрия Толстиков А.В.

Лекции 15. Линейные операторы в евклидовых пространствах

План

1. Сопряженные операторы евклидовых пространствах и их свойства.

2. Самосопряженные операторы.

3. Ортогональные матрицы и их свойства.

4. Ортогональные операторы и их свойства.

1. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Наука, 1984.

2. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии. 1997.

3. Воеводин В.В. Линейная алгебра.. М.: Наука 1980.

4. Сборник задач по для втузов. Линейная алгебра и основы математического анализа. Под ред. Ефимова А.В., Демидовича Б.П.. М.: Наука, 1981.

5. Бутузов В.Ф., Крутицкая Н.Ч., Шишкин А.А. Линейная алгебра в вопросах и задачах. М.: Физматлит, 2001.

6. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1980.

1. Сопряженные операторы евклидовых пространствах и их свойства. Пусть E - евклидово пространство над полем действительных чисел R , на котором определено скалярное произведение векторов (a ,b ), a , b ÎE.

Определение 1. Линейный оператор A * евклидова пространства E называется сопряженным линейному оператору A * пространства E , если для любых векторов a , b ÎE выполняется условие:

(Aa ,b ) = (a , A * b ). (1)

Лемма 1. Если произведение данной строки U на любой столбец Y равно нулю, то строка U нулевая. Если произведение любой строки X t на данную столбец U равно нулю, то столбец нулевой.

Доказательство. Пусть U = (u 1 , u 2 ,…, u n ), Y = (y 1 , y 2 ,…, y n ) t . По условию теоремы для любых чисел y 1 , y 2 ,…, y n U Y = (u 1 , u 2 ,…, u n )(y 1 , y 2 ,…, y n ) t = u 1 y 1 + u 2 y 2 +…+ u n y n =0. Если все числа y 1 , y 2 ,…, y n равны 0, кроме y j , которое =1, то отсюда получаем, что u j (i = 1,2,…,n ). Поэтому U =0. Аналогично доказывается второе утверждение теоремы.

Теорема 1. Пусть v = (v 1 , v 2 ,…, v n ) - базис евклидова пространства E , A - матрица линейного оператора A относительно базиса v , G = (g ij ) - матрица Грама базиса v . Если для линейного оператора A существует сопряженный оператор A * , то выполняется равенство

A t G = G A * . (2)

Доказательство. Пусть X и Y координатные столбцы векторов a , b ÎE относительно базиса v , A и A * матрицы линейных операторов A и A * относительно базиса v . Тогда

(Aa , b ) =(v (AX ), vY ) = (AX ) t GY , (a , A * b ) = X t G A * Y. (3)

Отсюда по формуле (1) получим равенство (AX ) t GY = X t G A * Y, справедливое для любых вектор столбцов X и Y. Так как векторы a , b произвольные, то по лемме 1 получаем A t G = G A * .

Теорема 2. Если базис v = (v 1 , v 2 ,…, v n ) евклидова пространства E ортонормированный, то матрица A * сопряженного линейного оператора A * является транспонированной к матрице Aоператора A ;

A t = A * . (4)

Доказательство. Так как матрица Грамма ортонормированного базиса единичная, G = E , то (4) следует из (2).

Следствие 1 . Для любого оператора A справедливо равенство (A * ) * = A .

Доказательство. По формуле (4) для матриц линейных операторов (A * ) * и A в ортонормированном базисе имеем (A * ) * = (A t ) t = A . Поэтому (A * ) * = A .

Следствие 2 . Для любых оператора A , B справедливо равенство (AB ) * = B * A * .

Доказательство. По формуле (4) для матриц линейных операторов A , B и A * , B * в ортонормированном базисе имеем (AB ) * = (AB ) t = B t A t = B * A * . Поэтому (AB ) * = B * A * .

Следствие 3 . Собственные значения линейных операторов A и A * совпадают .

Доказательство. Так как характеристические многочлены матриц и совпадают, то собственные значения линейных операторов, которые являются корнями характеристического уравнения совпадают.

Теорема 3. Для любого линейного оператора A евклидова пространства E существует единственный сопряженный линейный оператор A * .

Доказательство. Пусть v = (v 1 , v 2 ,…, v n) ортонормированный базис евклидова пространства E , A - линейный оператор с матрицей A относительно базиса v . Рассмотрим в E линейный оператор B с матрицей A t относительно данного базиса. Оператор B существует и единственный. Правые части равенств (3) равны: (AX ) t GY = X t G A * Y. Поэтому равны и левые (Aa , b ) = (a , Bb ). Поэтому оператор B - сопряженный для оператора A .

2. Самосопряженные операторы.

Определение 1. Линейный оператор A евклидова пространства E называется самосопряженным или симметричным , если A = A * , т.е. для любых векторов двух a , b ÎE выполняется условие:

(Aa , b ) = (a , Ab ). (1)

Теорема 1 . Линейный оператор A евклидова пространства E самосопряжен тогда и только, когда матрица A линейного оператора A в ортогональном базисе симметрическая матрица, т. е . A = A * .

Линейные самосопряженные операторы
Портабельные Windows-приложения на сайте Bodrenko.com

§ 5. Линейные самосопряженные операторы
в евклидовом пространстве .

1. Понятие сопряженного оператора. Мы будем рассматривать линейные операторы в конечномерном евклидовом пространстве V. Определение 1. Оператор А* из L(V, V) называется сопряженным к линейному оператору А, если для любых х и у из V выполняется соотношение

(Ах, у) = (х, А*у). (5.51)

Легко убедиться в том, что оператор А*, сопряженный к линейному оператору А, сам является линейным оператором. Это вытекает из очевидного соотношения

справедливого для любых элементов х, у 1 , у 2 и любых комплексных чисел α и β.

Докажем следующую теорему.

Теорема 5.12. Каждый линейный оператор А имеет единственный сопряженный.

Доказательство. Очевидно, скалярное произведение (Ах, у) представляет собой полуторалинейную форму (см. гл. 4, § 3, п. 1 и определение полуторалинейной формы). По теореме 5.11 существует единственный линейный оператор А* такой, что эта форма может быть представлена в виде (х, А*у). Таким образом, (Ах, у) = х, А*у.
Следовательно, оператор А* - сопряженный к оператору А. Единственность оператора А* следует из единственности представления полуторалинейного оператора в виде E.44). Теорема доказана.

В дальнейшем символ А* будет обозначать оператор, сопряженный к оператору А.
Отметим следующие свойства сопряженных операторов:

Доказательства свойств 1°-4° элементарны, и мы предоставляем их читателю. Приведем доказательство свойства 5°. Согласно определению произведения операторов справедливо соотношение (АВ)х = А(Вх). С помощью этого равенства и определения сопряженного оператора получаем следующую цепочку соотношений:

((АВ)х, у) = (А(Вх), у) = (Вх, А*у) = = (х, В*(А*у)) = (х, (В*А*)у).

Таким образом, ((АВ)х, у) = (х, (В*А*)у). Иными словами, оператор В*А* является сопряженным к оператору АВ. Справедливость свойства 5° установлена.

Замечание. Понятие сопряженного оператора для вещественного пространства вводится совершенно аналогично. Выводы этого пункта и свойства сопряженных операторов справедливы и для этого случая (при этом свойство 3° формулируется так: (λА)* = λА*).

2. Самосопряженные операторы. Основные свойства.
Определение 2. Линейный оператор А из L(V, V) называется самосопряженным, если справедливо равенство

А* =А.

Самосопряженный оператор в вещественном пространстве определяется аналогично.
Простейшим примером самосопряженного оператора является тождественный оператор I (см. свойство 1° сопряженных операторов в предыдущем пункте).
С помощью самосопряженных операторов можно получить специальное представление произвольных линейных операторов. Именно, справедливо следующее утверждение.

Теорема 5.13 . Пусть А - линейный оператор, действующий в комплексном евклидовом пространстве V. Тогда справедливо представление А = А R + iА I , где А R и А I - самосопряженные операторы, называемые соответственно действительной и мнимой частью оператора А.

Доказательство. Согласно свойствам 2°, 3° и 4° сопряженных операторов (см. предыдущий пункт этого параграфа) операторы A R = (А + А*)/2 и А I = (А - А*)/2i - самосопряженные.

Очевидно, А = А R + iА I Теорема доказана.

В следующей теореме выясняются условия самосопряженности произведения самосопряженных операторов. Мы будем говорить, что операторы А и В коммутируют, если АВ = ВА.

Теорема 5.14. Для того чтобы произведение АВ самосопряженных операторов А и В было самосопряженным оператором, необходимо и достаточно, чтобы они коммутировали.
Доказательство . Так как А и В - самосопряженные операторы, то, согласно свойству 5° сопряженных операторов (см. п. 1 этого параграфа), справедливы соотношения
(АВ)* = В*А* = ВА (5.52)

Следовательно, если АВ = ВА , то (АВ)* = АВ , т.е. оператор АВ - самосопряженный. Если же АВ -самосопряженный оператор, то АВ = (АВ)* , и тогда, на основании (5.52), АВ = ВА. Теорема доказана.
В дальнейших теоремах устанавливается ряд важных свойств самосопряженных операторов.
Теорема 5.15. Если оператор А самосопряженный, то для любого х ϵ V скалярное произведение (Ах, х) - вещественное число.
Доказательство. Справедливость утверждения теоремы вытекает из следующего свойства скалярного произведения в комплексном евклидовом пространстве и определения самосопряженного оператора (Напомним, что если комплексное число равно своему сопряженному, то
это число - вещественное.)

Теорема 5.16. Собственные значения самосопряженного оператора вещественны.
Доказательство. Пусть λ - собственное значение самосопряженного оператора А. По определению собственного значения оператора А (см. определение 2 § 3 этой главы) существует ненулевой вектор х
такой, что Ах = λх. Из этого соотношения следует, что вещественное (в силу теоремы 5.15) скалярное произведение (Ах, х) может быть представлено в виде 2)

( 2) Напомним, что символ ||х|| обозначает норму элемента х.)

Так как ||х|| и (Ах, х) вещественны, то, очевидно, и λ - вещественное число. Теорема доказана.

В следующей теореме выясняется свойство ортогональности собственных векторов самосопряженного оператора.
Теорема 5.17. Если А - самосопряженный оператор, то собственные векторы, отвечающие различным собственным значениям этого оператора, ортогональны.

Доказательство. Пусть λ 1 и λ 2 - различные собственные значения (λ 1 ≠ λ 2) самосопряженного оператора A, a x 1 и х 2 - соответственно отвечающие им собственные векторы. Тогда имеют место соотношения Ax 1 = λ 1 x 1 , Ах 2 = λ 2 х 2 . Поэтому скалярные произведения (Ax 1 , х 2) и (x 1 , Aх 2) соответственно равны следующим выражениям 3):

3) Так как собственные значения самосопряженного оператора вещественны, то

Так как оператор А самосопряженный, то скалярные произведения (Ax 1 , х 2) и (x 1 , Aх 2) равны, и поэтому из последних соотношений путем вычитания получаем равенство

Поскольку λ 1 ≠ λ 2 то из последнего равенства следует равенство нулю скалярного произведения (x 1* х 2), т.е. ортогональность собственных векторов x 1 и х 2 Теорема доказана.

3. Норма линейного оператора. Пусть А - линейный оператор, отображающий евклидово пространство V в это же пространство. Введем понятие нормы оператора А.
Определение 3 . Нормой || A|| линейного оператора А называется число, определяемое соотношением 1)

1) Напомним, что Отсюда следует, что представляет собой непрерывную функцию х, которая на замкнутом множестве ||х|| = 1 достигает конечного наибольшего значения.

Из определения нормы линейного оператора вытекает следующее очевидное неравенство:

(для доказательства достаточно воспользоваться соотношением Ах =

Из соотношения E.54) следует, что если ||А|| = О, то оператор А является нулевым.

Норму самосопряженного оператора А можно определить и другим способом. Именно, справедливо утверждение:

Если А - самосопряженный оператор, то введенная выше норма ||А|| оператора А равна

Доказательство. Для любого х из V справедливо неравенство Коши-Буняковского (см. п. 2 §3 гл.4)

Из него и из неравенства (5.54) получаем следующее неравенство:

Поэтому число

удовлетворяет соотношению

Отметим, что из равенства

и определения числа μ (см. 5.56)) вытекает следующее неравенство:

Обратимся теперь к следующему очевидному тождеству:

(в этом тождестве символ Re (Ax, у) обозначает действительную часть комплексного числа (Ах, у), само тождество легко вытекает из свойств скалярного произведения, см. п. 1 §3 гл.4). Беря левую и правую
части этого тождества по модулю, используя свойство модуля суммы и неравенство E.58), получим следующие соотношения 1) :

1 ) Мы использовали при этом определение нормы элемента в комплексном евклидовом пространстве.

Отсюда при ||х|| = ||у|| = 1 получаем неравенство

Полагая в этом неравенстве (очевидно, ||у|| = 1) и учитывая, что число (Ах, Ах) = ||Ах|| 2 является вещественным (поэтому получим

Отсюда, согласно неравенству (5.53), найдем

Для завершения доказательства остается сравнить полученное неравенство с неравенством (5.57) и воспользоваться определением числа µ (см. 5.56)).

4. Дальнейшие свойства самосопряженных операторов. В этом пункте мы докажем ряд важных свойств линейных операторов, связанных с понятием нормы. Сначала мы установим необходимое и достаточное условие самосопряженности оператора. Докажем следующую теорему.
Теорема 5.18. Для того чтобы линейный оператор А был самосопряженным, необходимо и достаточно, чтобы 2)

2 ) Символ Im (Ax, х) обозначает мнимую часть комплексного числа (Ах, х). Равенство Im (Ах, х) = 0 означает, что число (Ах, х) является вещественным.

Доказательство. По теореме 5.13 произвольный линейный оператор А может быть представлен в виде

самосопряженные операторы. Поэтому

причем, согласно теореме 5.15, для любого х числа и - вещественные. Следовательно, эти числа соответственно равны действительной и мнимой частям комплексного числа (Ах, х):

Допустим, что А - самосопряженный оператор. По теореме 5.15 в этом случае (Ах, х) - вещественное число,
и поэтому Im (Ax, х) = 0. Необходимость условия теоремы доказана.

Докажем достаточность условия теоремы.

Пусть Im(Ax, х) = (А I х, х) = 0. Отсюда следует, что ||А I || = 0, т. е. А I = 0. Поэтому А = А R , где А R -самосопряженный оператор.
Теорема доказана.
В следующих утверждениях выясняются некоторые свойства собственных значений самосопряженных операторов.

Лемма. Любое собственное значение X произвольного линейного самосопряженного оператора А в евклидовом пространстве равно скалярному произведению (Ах, х), где х - некоторый вектор, удо-
влетворяющий условию ||х|| = 1:

Доказательство. Так как λ - собственное значение оператора А, то существует такой ненулевой вектор z, что

Полагая x = z/||z|| (очевидно, ||х|| = 1), перепишем 5.60) следующим образом: Ах = λ х, ||х|| = 1. Отсюда получаем соотношения т.е. 5.59) имеет место. Лемма доказана.
Cледствие. Пусть А - самосопряженный оператор и λ - любое собственное значение этого оператора. Пусть далее

Справедливы следующие неравенства:

Замечание 1. Так как скалярное произведение (Ах, х) представляет собой непрерывную функцию от х, то на замкнутом множестве ||х|| = 1 эта функция ограничена и достигает своих точных граней m и М.
Замечание 2 . Согласно теореме 5.16 собственные значения самосопряженного оператора вещественны. Поэтому неравенства 5.62) имеют смысл.
Доказательство следствия. Так как любое собственное значение λ удовлетворяет соотношению (5.59), то, очевидно, каждое собственное значение заключено между точными гранями m и М скалярного произведения (Ах, х). Поэтому неравенства (5.62) справедливы.
Мы докажем, что числа т и М, определенные соотношениями (5.61) являются соответственно наименьшим и наибольшим собственными значениями самосопряженного оператора А. Предварительно убедимся в справедливости следующего утверждения.

Теорема 5.19. Пусть А - самосопряженный оператор и, кроме того, (Ах, х) ≥ О для любого х. Тогда норма ||А|| равна наибольшему собственному значению этого оператора 1)

1 ) Так как собственных значений конечное число и они вещественны, то из них можно указать наибольшее.

Доказательство. Мы уже отмечали (см. утверждение предыдущего пункта), что

Так как (Ах, х) ≥ О, то Согласно замечанию 1 этого пункта для некоторого

Обращаясь к определению нормы и используя только что написанные равенства, получим соотношения 2)

Таким образом, или, иначе, - собственное значение оператора А. То, что λ - наибольшее собственное значение, вытекает из только что установленного следствия из леммы этого пункта. Теорема доказана.

Докажем теперь, что числа m и М (см. 5.61)) являются наименьшим и наибольшим собственными значениями самосопряженного оператора А.

Теорема 5.20. Пусть А - самосопряженный оператор, а m и М - точные грани (Ах, х) на множестве ||х|| = 1. Эти числа представляют собой наименьшее и наибольшее собственные значения оператора А.
Доказательство . Очевидно, достаточно доказать, что числа m и М - собственные значения оператора А. Тогда из неравенств 5.62) сразу же следует, что т и М являются соответственно наименьшим и наибольшим собственными значениями.
Докажем сначала, что М - собственное значение. Для этого рассмотрим самосопряженный оператор В = А - mI. Так как

то оператор В удовлетворяет условиям теоремы 5.19, и поэтому норма ||В|| этого оператора равна наибольшему собственному значению. С другой стороны,

Таким образом, (М - m) - наибольшее собственное значение оператора В. Следовательно, существует такой ненулевой вектор х 0 , что

Так как

Подставляя это выражение Вх 0 в левую часть равенства (5.63), получим после несложных преобразований соотношение Ах 0 = Мх 0 - Таким образом, М - собственное значение оператора А. Убедимся теперь, что число m также является собственным значением оператора А.
Рассмотрим самосопряженный оператор В = -А. Очевидно, что

Согласно только что проведенному доказательству число - m представляет собой собственное значение оператора В. Так как В = -А, то т будет являться собственным значением оператора А. Теорема доказана.

В следующей теореме выясняется важное свойство собственных векторов самосопряженного оператора.

Теорема 5.21. У каждого самосопряженного линейного оператора А, действующего в n-мерном евклидовом пространстве V, существует n линейно независимых попарно ортогональных и единичных собственных векторов.

Доказательство . Пусть λ 1 - максимальное собственное значение оператора

Обозначим через e 1 собственный вектор, отвечающий λ 1 и удовлетворяющий условию ||e 1 || = 1 (возможность его выбора следует из доказательства леммы этого пункта).
Обозначим через V 1 (n - 1)-мерное подпространство пространства V, ортогональное к е 1 Очевидно, V 1 - инвариантное подпространство оператора А (т. е. если х ϵ V 1 , то и Ах ϵ V 1 . Действительно, пусть х ϵ V 1 (т. е. (х,е 1 =0). Тогда 1 )

1 ) Мы использовали свойство самосопряженности оператора (Ах, e 1 ) = (х, Ае 1 ) и то обстоятельство, что e 1 - собственный вектор оператора:

Следовательно, Ах - элемент V 1 , и поэтому V 1 - инвариантное подпространство оператора А. Это дает нам право рассматривать оператор А в подпространстве V 1 . В этом подпространстве А будет представлять собой самосопряженный оператор. Следовательно, имеется максимальное собственное значение А 2 этого оператора, которое можно найти с помощью соотношения 1 )

1 ) Символ обозначает ортогональность векторов e 1 и e 2

Кроме того, можно указать такой вектор что

Обращаясь далее к (n - 2)-мерному подпространству V 2 , ортогональному векторам e 1 и е 2 , и повторяя проведенные выше рассуждения, мы построим собственный вектор е з, ||е з || = 1, ортогональный e 1 и е 2. Рассуждая и далее таким же образом, мы последовательно найдем n взаимно ортогональных собственных векторов е 1 , е 2 ,..., е n , удовлетворяющих условию
Замечание 1. Договоримся в дальнейшем нумеровать собственные значения самосопряженного оператора в порядке убывания с учетом повторяющихся, т. е. кратных собственных значений. При этом

и отвечающие им собственные векторы е 1 , е 2 ,..., е n можно считать взаимно ортогональными и удовлетворяющими условию

Таким образом,

Замечание 2 . Из рассуждений в доказательстве теоремы следует соотношение

Это соотношение можно также записать в виде

линейная оболочка векторов е 1 , е 2 ,..., е m . Справедливость замечания вытекает из того, что (х, х) = ||х|| 2 , и поэтому

причем норма элемента х/||х|| равна 1.

Пусть ∑ m - множество всех m-мерных подпространств пространства V. Справедливо следующее важное минимаксное свойство собственных значений.
Теорема 5.22. Пусть А - самосопряженный оператор и - его собственные значения, занумерованные в порядке, указанном в замечании 1. Тогда

ЛЕКЦИЯ 9

Операторы в евклидовых пространствах

Линейные операторы, действующие в евклидовых пространствах, обладают рядом специальных свойств, которые весьма важны для приложений линейной алгебры в различных предметных областях. Мы остановимся только на основных вопросах этой теории, в частности, будем изучать теорию линейных операторов исключительно в вещественных пространствах с ортонормированными базисами, а именно в пространстве . Причём операторы будем считать преобразованиями, то есть будем изучать операторы
.

Сопряжённый оператор . Рассмотрим понятие оператора, сопряжённого к оператору , действующему в евклидовом пространстве
.

Определение 9.1. Пусть
– некоторый линейный оператор. Оператор
называется сопряжённым к оператору , если
выполняется условие

. (9.1)

Теорема 9.1. Для любого линейного оператора
существует единственный сопряжённый оператор
, который также является линейным.

Д о к а з а т е л ь с т в о. 1) Пусть оператор существует, докажем его единственность. Для этого предположим, что этот оператор не единственный, то есть существуют, например, два оператораи, удовлетворяющих определению 9.1. Тогда по формуле (9.1) имеем:

,
, (9.2)

откуда получаем

В силу того, что в определении 9.1 (в формуле (9.1)) вектор
произволен, положим в равенстве (9.3)

Так как скалярное произведение удовлетворяет аксиоме невырожденности, из последнего равенства имеем

откуда в силу произвольности вектора следует, что
и единственность сопряжённого оператора доказана.

2) Докажем линейность сопряжённого оператора. Используя определение (9.1) и свойства скалярного произведения, получаем:

,
и

а)
;

Из сравнения формул а) и б) следует линейность сопряжённого оператора , а именно:

3) Докажем теперь существование сопряжённого оператора. Зафиксируем в пространстве
канонический базис
, и запишем векторы
и
в виде их разложений по каноническому базису:

;
. (9.4)

Рассмотрим вычисление левой и правой частей (9.1):

;

Сравнивая два последних равенства с учётом (9.1), получаем:

. (9.5)

Итак, если матрица оператора имеет вид

то матрица сопряжённого оператора имеет вид

. (9.6)

Из (9.6) следует, что матрица сопряжённого оператора в любом ортонормированном базисе
находится путем транспонирования матрицы оператора, что и доказывает существование сопряжённого оператора.

Докажем теорему о свойствах оператора, сопряжённого линейному оператору.

Теорема 9.2. Справедливы следующие свойства сопряжённого оператора :
и

1)
; 2)
;

3)
; 4)
; (9.7)

5)
.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Докажем первое соотношение. Пусть – произвольный линейный оператор. Для сопряжённого операторасопряжённым будет оператор. Тогда:

Последнее равенство выполняется при любом векторе , то есть,

откуда следует доказательство первого свойства.

Докажем второе соотношение. Для этого рассмотрим следующую цепочку преобразований:

Из сравнения левой и правой частей равенства (9.8) следует доказательство второго свойства.

Остальные свойства доказываются аналогично.

Самосопряжённые операторы . В приложениях большое значение имеют самосопряжённые операторы .

Определение 9.2. Линейный оператор
называется самосопряжённым , если
.

Из определения следует, что для самосопряжённого оператора справедливо соотношение

. (9.9)

Так как матрица сопряжённого оператора равна транспонированной матрице оператора, то у самосопряжённого оператора элементы матрицы удовлетворяют равенству
, то естьэлементы матрицы самосопряжённого оператора, симметричные относительно главной диагонали, равны . Такая матрица называется симметрической . По этой причине самосопряжённые операторы
часто называютсясимметрическими .

Самосопряжённые операторы обладают рядом свойств, которые нетрудно доказать, используя определение и свойства сопряжённого оператора.

1. Единичный оператор является самосопряжённым.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Очевидно,

2. Сумма самосопряжённых операторов является самосопряжённым оператором.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Если
и
, то

3. Композиция самосопряжённых операторов является самосопряжённым оператором в том и только в том случае, если эти операторы коммутативны.

Д о к а з а т е л ь с т во. Напомним, что операторы называются коммутативными, если

где – нулевой оператор. Если
,
, то

что равно в том и только в том случае, если операторы коммутативны.

4. Оператор , обратный к невырожденному самосопряжённому оператору
также самосопряжённый оператор.

Д о к а з а т е л ь с т во. Действительно, если
, то

5. Если – самосопряжённый оператор, то произведение этого оператора на некоторое вещественное число
является самосопряжённым оператором.

Д о к а з а т е л ь с т во. Из третьего свойства (9.7), имеем:

Теорема 9.3. Собственные векторы самосопряжённого оператора , действующего в пространстве
, соответствующие попарно различным собственным значениям, взаимно ортогональны.

:
и
, причём
. Так как оператор самосопряжённый, то
. Поэтому в левой и правой частях, соответственно, имеем:

;

Откуда в силу
получаем:
.

Для самосопряжённых операторов справедлива следующая важная теорема.

Теорема 9.4. Все корни характеристического многочлена самосопряжённого оператора
вещественные и различные.

Д о к а з а т е л ь с т в о. В общем случае доказательство теоремы достаточно громоздкое. По этой причине приведём доказательство для случая оператора
. Итак, пусть дан некоторый линейный оператор
с матрицей. Тогда характеристическое уравнение этого оператора имеет вид:

Раскрывая определитель, получаем характеристическое уравнение:

Решение этого уравнения находим по известной формуле:

Дискриминант имеет вид:

Первое слагаемое, очевидно, всегда положительно, а второе положительно, так как
. Поэтому корни характеристического уравнения вещественные и различные.

Теорема 9.5. Пусть
– самосопряжённый оператор. Тогда в пространстве
можно выбрать ортонормированный базис

так, чтобы матрица оператора в этом базисе была диагональной .

Д о к а з а т е л ь с т в о. По теореме 9.4 все корни характеристического многочлена самосопряжённого оператора вещественные и различные, а следовательно, по теореме 9.3 собственные векторы самосопряжённого оператора взаимно ортогональны. Систему собственных векторов, очевидно, можно нормировать. Но тогда эти векторы образуют базис пространства
, в котором оператор является оператором простой структуры, то есть имеет диагональную матрицу.

Ортогональные операторы и их свойства, геометрическая интерпретация . Рассмотрим определение и свойства важного класса операторов, действующих в пространстве
.

Определение 9.3. Оператор , действующий в пространстве
, называется ортогональным , если он сохраняет скалярное произведение, то есть

.(9.10)

Из определения следует, что ортогональный оператор сохраняет нормы (длины) векторов и углы между ними .

Лемма 9.1. Оператор

.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Пусть

откуда имеем:
. Полагая
, получаем:

Пусть
. Тогда имеем:

Очевидно, что ортогональный оператор невырожден , то есть, его матрица имеет обратную матрицу.

Теорема 9.6 (о свойствах ортогональных операторов). Ортогональные операторы
обладают следующими свойствами:

1) единичный оператор является ортогональным;

2) композиция ортогональных операторов также является ортогональным оператором;

3) оператор, обратный ортогональному оператору, также является ортогональным;

4) если
– ортогональный оператор, то оператор
является ортогональным в том и только в том случае, если
.

Д о к а з а т е л ь с т в о. 1. Доказательство этого свойства почти очевидно:

2. Пусть
и
– ортогональные операторы. Тогда:

3. Пусть ортогональный оператор. Рассмотрим
:

4. Пусть – ортогональный оператор. Тогда

Теорема 9.7 (критерий ортогональности оператора). Оператор , действующий в пространстве
, является ортогональным в том и только в том случае, если он переводит хотя бы один ортонормированный базис в ортонормированный базис .

Д о к а з а т е л ь с т в о. Пусть
– ортогональный оператор. Тогда он, сохраняя скалярное произведение, переводит ортонормированный базис в ортонормированный базис.

Пусть теперь оператор
переводит ортонормированный базис

в новый ортонормированный базис

Тогда

Рассмотрим свойства матрицы ортогонального оператора.

Теорема 9.8. Система векторов-столбцов (строк) матрицы ортогонального оператора
в любом ортонормированном базисе

является ортонормированной .

Д о к а з а т е л ь с т в о. Пусть
– некоторый ортогональный оператор и
– некоторый ортонормированный базис. По теореме 9.9 система образов базисных векторов сама является ортонормированной, то есть
. Поэтому для столбцов матрицы оператора

(как векторов арифметического пространства
) имеем:

. (9.11)

Аналогичное свойство справедливо и для строк матрицы :

.
(9.12)

Теорема 9.9. Матрица ортогонального оператора
в любом ортонормированном базисе удовлетворяет условию

. (9.13)

Д о к а з а т е л ь с т в о. Пусть
– ортогональный оператор. Так как матрицы операторовисвязаны соотношениями

откуда для матрицы оператора получаем (9.11).

Обратно, пусть выполнено соотношение (9.11). Тогда
, откуда и следует, что операторявляется ортогональным.

Определение 9.4. Матрица , для которой выполняется свойство (9.13), называется ортогональной .

Приведём некоторые теоремы о свойствах ортогонального оператора.

Теорема 9.10. Собственные значения ортогонального оператора действующий в пространстве
, равны
.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Пусть
. Тогда

Так как по определению
, то
.

Теорема 9.11. Определитель ортогональной матрицы равен

Д о к а з а т е л ь с т в о. Для ортогональной матрицы выполняется равенство
. Поэтому
. Тогда

Пусть линейный оператор А действует в евклидовом пространстве E n и преобразует это пространство само в себя.

Введем определение : оператор А * назовем сопряженным оператору А , если для любых двух векторов x,y из Е n выполняется равенство скалярный произведений вида:

(Ax,y ) = (x,A * y )

Еще определение : линейный оператор называется самосопряженным, если он равен своему сопряженному оператору, т. е. справедливо равенство:

(Ax,y ) = (x,Ay )

или, в частности (Ax,x ) = (x,Ax ).

Самосопряженный оператор обладает некоторыми свойствами. Упомянем некоторые из них:

Собственные числа самосопряженного оператора - вещественны (без доказательства);

Собственные векторы самосопряженного оператора ортогональны. Действительно, если x 1 и x 2 – собственные векторы, а  1 и  2 – их собственные числа, то: Ax 1 =  1 x ; Ax 2 =  2 x ; (Ax 1 ,x 2 ) = (x 1 ,Ax 2 ), или  1 (x 1 ,x 2 ) =  2 (x 1 ,x 2 ). Поскольку  1 и  2 различны, то отсюда (x 1 ,x 2 ) = 0, что и требовалось доказать.

В евклидовом пространстве существует ортонормированный базис из собственных векторов самосопряженного оператора А . Т. е. матрицу самосопряженного оператора всегда можно привести к диагональному виду в некотором ортонормированном базисе, составленном из собственных векторов самосопряженного оператора.

Еще одно определение : назовем самосопряженный оператор, действующий в евклидовом пространстве симметричным оператором. Рассмотрим матрицу симметричного оператора. Докажем утверждение: чтобы оператор был симметричным, необходимо и достаточно, чтобы в ортонормированном базисе его матрица была бы симметричной.

Пусть А – симметричный оператор, т. е.:

(Ax,y ) = (x,Ay )

Если А – матрица оператора А, а x и y – некоторые векторы, то запишем:

координаты x и y в некотором ортонормированном базисе

Тогда: (x,y ) = X T Y = Y T X и имеем (Ax,y ) = (AX) T Y = X T A T Y

(x,Ay ) = X T (AY) = X T AY,

т.е. X T A T Y = X T AY. При произвольных матрицах-столбцах X,Y это равенство возможно только при А Т = А, а это означает, что матрица А – симметричная.

Рассмотрим некоторые примеры линейных операторов

Оператор проектирования. Пусть требуется найти матрицу линейного оператора, осуществляющего проектирование трехмерного пространства на координатную ось е 1 в базисе е 1 , е 2 , е 3 . Матрица линейного оператора – это матрица, в столбцах которой должны стоять образы базисных векторов е 1 = (1,0,0), е 2 = (0,1,0), е 3 = (0,0,1). Эти образы, очевидно, есть: Ае 1 = (1,0,0)

Ае 2 = (0,0,0)

Ае 3 = (0,0,0)

Следовательно, в базисе е 1 , е 2 , е 3 матрица искомого линейного оператора будет иметь вид:

Найдем ядро этого оператора. Согласно определению ядро – это множество векторов х , для которых АХ = 0. Или

Т. е. ядро оператора составляет множество векторов, лежащих в плоскости е 1 , е 2 . Размерность ядра равна n – rangA = 2.

Множество образов этого оператора – это, очевидно, множество векторов, коллинеарных е 1 . Размерность пространства образов равна рангу линейного оператора и равна 1 , что меньше размерности пространства прообразов. Т. е. оператор А – вырожденный. Матрица А тоже вырождена.

Еще пример : найти матрицу линейного оператора, осуществляющего в пространстве V 3 (базис i , j , k ) линейное преобразование – симметрию относительно начала координат.

Имеем: Ai = -i

Т. е. искомая матрица

Рассмотрим линейное преобразование – симметрию относительно плоскости y = x .

Aj = i (1,0,0)

Ak = k (0,0,1)

Матрица оператора будет:

Еще пример – уже знакомая матрица, связывающая координаты вектора при повороте осей координат. Назовем оператор, осуществляющий поворот осей координат, - оператор поворота. Допустим, осуществляется поворот на угол :

Ai ’ = cosi + sinj

Aj ’ = -sini + cosj

Матрица оператора поворота:

Ai ‘ Aj ‘

Вспомним формулы преобразования координат точки при смене базиса – замена координат на плоскости при смене базиса:

Эти формулы можно рассматривать двояко. Ранее мы рассматривали эти формулы так, что точка стоит на месте, поворачивается координатная система. Но можно рассматривать и так, что координатная система остается прежней, а перемещается точка из положения М * в положение М. Координаты точки М и М* определены в той же координатной системе.

Все сказанное позволяет подойти к следующей задаче, которую приходится решать программистам, занимающимся графикой на ЭВМ. Пусть необходимо на экране ЭВМ осуществить поворот некоторой плоской фигуры (например треугольника) относительно точки О’ с координатами (a,b) на некоторый угол . Поворот координат описывается формулами:

Параллельный перенос обеспечивает соотношения:

Для того, чтобы решить такую задачу, обычно применяют искусственный прием: вводят так зазываемые “однородные” координаты точки на плоскости XOY: (x, y, 1). Тогда матрица, осуществляющая параллельный перенос, может быть записана: