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転置はどこへ行ったのか?ヒルベルト空間の随伴作用素

行列の転置は、内積の相手側へ移す操作として書ける。複素なら共役転置になる。

無限次元でも同じ式で決められる。この を随伴作用素という[1]。成分も基底も使わず、内積だけで定義できるところが利点である。

定義と存在

を複素ヒルベルト空間、 を有界線形作用素とする。 は次の等式で定まる[2]。

存在はリースの表現定理から出る。 を固定すると は線形汎関数になる。

有界性も確かめられる。コーシー・シュワルツの不等式から次が成り立つ。

だからこの汎関数は有界で、ノルムは 以下。リースの表現定理により、これを内積で表す元がただ つ決まる[1]。

その元を と書く。 を動かせば作用素になり、線形性も有界性も引き継がれる。

基本の性質

計算規則は転置とほぼ同じで、複素共役が入るところだけ違う[1]。

が成り立つ。
である。
となり、スカラーに共役がつく。
で、順序が入れかわる。
が成り立つ。
という等式もある。

順序が入れかわるところは行列の転置と同じである。 は 恒等式と呼ばれ、あとで代数の骨格になる。

例:行列で確かめる

次の行列で見よう。

転置してから各成分の共役をとる。 が に変わり、位置が入れかわった。

、 で等式を確かめる。 なので である。

いっぽう なので 。一致した。

、 でも見る。 で 、 で になる。

例:掛け算作用素

の上で、有界な関数 を掛ける作用素を考える。

内積を書き下すと随伴が見える。 である。

を 側へ移すには共役をつける。 だから、随伴は を掛ける作用素になる[2]。

自己共役になるのは 、つまり が実数値のときである。 ならユニタリになる。

例:積分作用素

核 をもつ作用素の随伴は、核の変数を入れかえて共役をとった形になる[2]。

自己共役になる条件は である。実数値なら対称核ということになる。

は実数値で対称なので自己共役。 も同じく自己共役である。

いっぽう は対称でない。随伴の核は になり、もとと違う作用素になる。

例:ずらす作用素

の上で、成分を つ後ろへずらす作用素を考える。

随伴は前へずらす作用素になる。内積を書けば分かる。

つまり である。先頭が捨てられる。

を計算すると恒等作用素になる。ずらして戻すと元へ帰るためである。

は違う。 を前へずらしてから後ろへずらすと になり、第 成分が消える。

は等長だがユニタリではない。片側だけ逆になっている作用素で、無限次元でしか起きない現象である。

自己共役

をみたす作用素を自己共役という[4]。行列ならエルミート行列にあたる。

このとき なので、 は実数になる。

固有値も実数である。、 とすると次のようになる。

で割れば 、つまり実数だと分かる。

ノルムも二次形式で測れる。自己共役なら が成り立つ[4]。

ユニタリ

をみたす作用素をユニタリという[1]。内積をそのまま保つ。

長さも角度も変わらない。有限次元なら回転や鏡映がこれにあたる。

の掛け算作用素、フーリエ変換、そして正規直交基底どうしを写す作用素がユニタリになる。

片側だけの等式では足りない。 をみたす は等長だが、 が崩れるのでユニタリではない。

正規

をみたす作用素を正規という[3]。自己共役もユニタリも、この条件をみたす。

同値な言いかえがある。定義域がそろっていれば、次の条件と同じになる[3]。

シフトで試すと崩れる。 に対し である。正規ではない。

正規なら固有値が違う固有ベクトルどうしは直交する。有限次元なら、ユニタリ行列で対角化できる[3]。

残留スペクトルが空になることも知られている。スペクトル定理が成り立つ範囲が、ちょうどこの枠になっている。

核と像の関係

随伴は核と像を結びつける[1]。

は、すべての で ということ。つまり が の像と直交する。

シフトで確かめよう。 は第 成分が の元全体である。その直交補空間は の張る空間になる。

いっぽう は をみたす元、つまり の定数倍である。一致した。

この等式があるので、方程式 が解けるかどうかを随伴側で判定できる。

が と直交していれば、像の閉包に入る。フレドホルムの理論の入口になる。

ここまでの道具がそろうと、シフトの性質はすべて随伴の計算から出てくる。積の順序を入れかえて確かめよう。

の片側シフト について、 と はそれぞれ何になるか。

  • どちらも恒等作用素
  • は恒等作用素、 は第 1 成分を落とす射影
  • は第 1 成分を落とす射影、 は恒等作用素
__RESULT__

は後ろへずらす作用素なので、ずらしてから戻すと元に帰る。よって である。逆順では先頭が捨てられ、 になる。どちらも恒等なら はユニタリだが、 は全射でないのでそうならない。

答えを確かめる

随伴を求めたら、 に基底ベクトルを入れて確かめる。

と の組で成分を比べれば、行列なら 成分と 成分の共役が一致するはずである。

正規かどうかは と を つの で比べると早い。 か所でも差が出れば正規ではない。

まちがえやすいところ

と書く。順序が入れかわって になる。
スカラー倍で共役を忘れる。 である。
等長ならユニタリだと考える。片側シフトが反例になる。
自己共役の固有値が複素数になりうると思う。かならず実数である。
正規でない作用素にスペクトル定理を当てる。枠の外では対角化できない。
と を混同する。像の直交補空間になるのは随伴の核である。
実数値でない核をもつ積分作用素を自己共役だとする。 が要る。

内積の相手側へ移す。この つの操作から、自己共役もユニタリも正規も、すべて条件として書き下せる。

出典

Hermitian adjoint - Wikipedia
Adjungierter Operator - Wikipedia
Normal operator - Wikipedia
Opérateur autoadjoint - Wikipédia
$\langle Tx, y \rangle = \langle x, T^{*}y \rangle$ という 1 本の等式で、転置の役割は無限次元へ持ち越せます。存在を保証するのはリースの表現定理。掛け算作用素なら共役を掛ける作用素、積分作用素なら核の変数を入れかえて共役をとった作用素になります。$\ell^2$ の片側シフトでは $S^{*}S = I$ なのに $SS^{*}$ が恒等にならず、等長でもユニタリでない例が出てくる。自己共役・ユニタリ・正規の関係と、$\ker T^{*}$ が像の直交補空間になる理由まで。