الرياضيات · المسرد

ما معنى تشاكل ذاتي هرميتي؟

يُعرف أيضًا باسم: زمرة وحدوية

تعريف 13.5 الرياضيات الجامعية — السنة 2 · الفصل 13 — الصيغ الهرميتية

يُعرَّف المرافق uu^* للتشاكل uL(E)u \in \mathcal{L}(E) بالعلاقة u(x),y=x,u(y)\langle u^*(x), y\rangle = \langle x, u(y)\rangle؛ وفي أساس متعامد ممنظم، Mat(u)=AT=:A\operatorname{Mat}(u^*) = \conj{A}^{\mathsf T} =: A^{\dagger} (وهو المنقول المرافق) — فعلًا، إذا كانت B=(bij)B = (b_{ij}) مصفوفة uu^* في الأساس المتعامد الممنظم (ei)(e_i)، فإن bij=ei,u(ej)b_{ij} = \langle e_i, u^*(e_j)\rangle، وتعطي المتطابقة المعرِّفة

bij=u(ej),ei=ej,u(ei)=aji,ومنهB=AT.\conj{b_{ij}} = \langle u^*(e_j), e_i\rangle = \langle e_j, u(e_i)\rangle = a_{ji} , \qquad\text{ومنه}\qquad B = \conj{A}^{\mathsf T} .

ويكون uu هرميتيًا إذا كان u=uu^* = u (A=AA^\dagger = A)، ووحدويًا إذا كان uu=idu^*u = \mathrm{id} (AA=IA^\dagger A = I: أي الزمرة U(n)U(n))، وناظميًا إذا كان uu=uuu^*u = uu^*.

أمثلة

مثال 13.7 (مصفوفة ضدّ هرميتية، مقطَّرة)

A=(0220)A = \begin{pmatrix} 0 & -2\\ 2 & 0\end{pmatrix} تحقق A=AT=AA^\dagger = A^{\mathsf T} = -A: فهي ضدّ هرميتية (وهي أيضًا حقيقية ضدّ متماثلة — وعلى R\R ليست لها أي قيمة ذاتية إطلاقًا). وكثير الحدود المميز X2+4X^2 + 4: فالقيمتان الذاتيتان ±2i\pm2\iu، وهما تخيليتان محضًا، كما تتنبأ التمرين 13.9 عمومًا. والمتجهتان الذاتيتان: يعطي (A2iI)v=0(A - 2\iu I)v = 0 أن v1=12(1,i)v_1 = \frac{1}{\sqrt2}(1, \iu)، وv2=12(1,i)v_2 = \frac{1}{\sqrt2}(1, -\iu) من أجل 2i-2\iu؛ وهما متعامدتان:

v1,v2=12(11+i(i))=12(11)=0.\langle v_1, v_2\rangle = \tfrac12\bigl(\conj{1}\cdot1 + \conj{\iu}\cdot(-\iu)\bigr) = \tfrac12(1 - 1) = 0 .

ومنه A=Udiag(2i,2i)UA = U\operatorname{diag}(2\iu, -2\iu)\,U^\dagger مع U=(v1 v2)U = (v_1\ v_2) وحدوية. والفكرة الختامية: H=iA=(02i2i0)H = -\iu A = \begin{pmatrix} 0 & 2\iu\\ -2\iu & 0\end{pmatrix} هرميتية بالطيف الحقيقي {±2}\{\pm2\} وبالمتجهات الذاتية نفسها — أي التقابل uiuu \mapsto \iu u بين التشاكلات الهرميتية وضدّ الهرميتية (التمرين 13.9)، مرئيًا مصفوفةً مصفوفة؛ وعلى R\R تكون AA نفسها دورانًا مع تغيير سلّم بلا أي متجهة ذاتية إطلاقًا، ولا يكشف صورتها الطبيعية إلا الانتقال إلى C\C.

مثال 13.9

A=(0ii0)A = \begin{pmatrix} 0 & -\iu\\ \iu & 0\end{pmatrix} هرميتية (لأن A=AA^\dagger = A): والقيم الذاتية من χA=X21\chi_A = X^2 - 1: ±1\pm 1 (حقيقية، كما وُعد)، بمتجهتين ذاتيتين متعامدتين ممنظمتين 12(1,i)T\frac{1}{\sqrt2}(1, \iu)^{\mathsf T} و12(1,i)T\frac{1}{\sqrt2}(1, -\iu)^{\mathsf T}. (ويعرف الفيزيائيون AA بمصفوفة باولي؛ و حقيقيةُ الأطياف الهرميتية هي السبب في نمذجة المراقَبات الكمومية بمؤثرات هرميتية.)

مثال 13.10 (مصفوفة هرميتية معرَّفة موجبة، منفَّذة)

A=(21i1+i3)A = \begin{pmatrix} 2 & 1-\iu\\ 1+\iu & 3\end{pmatrix}: هرميتية، لأن القطر حقيقي والعناصر خارج القطر مترافقة. وكثير الحدود المميز:

(2λ)(3λ)1i2=λ25λ+4=(λ1)(λ4):(2-\lambda)(3-\lambda) - \abs{1-\iu}^2 = \lambda^2 - 5\lambda + 4 = (\lambda - 1)(\lambda - 4) :

والطيف {1,4}\{1, 4\}، وهو حقيقي وموجب — ومن ثم فإن AA معرَّفة موجبة. والمتجهات الذاتية: من أجل λ=4\lambda = 4، تعطي الجملة (A4I)v=0(A - 4I)v = 0 أن v4=(1i, 2)v_4 = (1 - \iu,\ 2) (وللتحقق من السطر الثاني: (1+i)(1i)2=0(1+\iu)(1-\iu) - 2 = 0)؛ ومن أجل λ=1\lambda = 1، v1=(1i, 1)v_1 = (1 - \iu,\ -1). والتعامد، مع المرافق في الخانة الأولى:

v4,v1=(1i)(1i)+2(1)=22=0.\langle v_4, v_1\rangle = \conj{(1-\iu)}\,(1-\iu) + \conj{2}\,(-1) = 2 - 2 = 0 . \checkmark

والتنظيم (v42=2+4=6\norm{v_4}^2 = 2 + 4 = 6، v12=2+1=3\norm{v_1}^2 = 2 + 1 = 3) يعطي المصفوفة الوحدوية U=(v46 v13)U = \bigl(\frac{v_4}{\sqrt6}\ \frac{v_1}{\sqrt3}\bigr) مع A=Udiag(4,1)UA = U\operatorname{diag}(4,1)U^\dagger. والفكرة الختامية: قراءة رايلي مباشرة — فعلى كرة الوحدة في C2\C^2، تجري x,Ax\langle x, Ax\rangle على [1,4]\intcc{1}{4}، وتُبلغ عند المتجهتين الذاتيتين؛ وهذه هي بذرة n=2n = 2 لنظرية كوران–فيشر المبنية في مسألة نهاية الأسبوع. وللتحقق من أن الصيغة حقيقية خارج المتجهات الذاتية أيضًا: عند x=(1,i)x = (1, \iu)،

Ax=(2+(1i)i, (1+i)+3i)=(3+i, 1+4i),Ax = \bigl(2 + (1-\iu)\iu,\ (1+\iu) + 3\iu\bigr) = (3 + \iu,\ 1 + 4\iu),
x,Ax=1(3+i)+i(1+4i)=(3+i)+(i)(1+4i)=3+ii+4=7R,\langle x, Ax\rangle = \conj{1}\,(3+\iu) + \conj{\iu}\,(1+4\iu) = (3 + \iu) + (-\iu)(1 + 4\iu) = 3 + \iu - \iu + 4 = 7 \in \R ,

كما تضمن آلية برهان القضية 13.6 (التماثل بالمرافقة في مقابل A=AA^\dagger = A) من أجل كل xx.

اقرأ في الفصل ←