はじめに
前回
に引き続き、この記事はスペクトル理論の基本的な内容に関するノートです。
自分が特に整理して理解したいと思った部分を中心にまとめているため、いくつかの重要な定理等を平気で飛ばしています (今回の場合、たとえばリースの表現定理についてまるごと飛ばしました)。詳細な内容は参考文献をはじめ、線形代数学・解析学・関数解析等の各教科書を参照してください。
前回の最後で「次回があった場合はスペクトル定理を中心にまとめることになると思います」などと言っていましたが、今回は射影演算子とスペクトル族についてまとめます。スペクトル定理は早くても次回です。
内容量の削減のため、前回定義した概念については前回の記述を参照してください。
用語と記号の定義
複素ヒルベルト空間, の間の線形演算子について、定義域はに対して稠密とする。
このとき、の共役演算子 (随伴演算子, adjoint) とは、次の条件を満たす線形演算子である。
が稠密な線形演算子とに対して、によって線形演算子を定めます。定義からの定義域はです。
定義域が稠密であるようなヒルベルト空間の有界線形演算子は、全域で定義されて作用素ノルムを保つような拡大をただ1つ持ちます (定理1.31, [新井])。が有界であるときにこれをで表すことにすると、ヒルベルト空間に関するリースの表現定理 (定理1.37, [新井], Theorem 2.28, [Bor]) によって、あるを用いて
と表せることが示されます。
が有界となるようなに対して、写像は線形演算子を定め、さらに定義から
が成り立ちます。従ってこれで定まる線形演算子がの随伴であり、さらにこれは一意に定まることがわかります。
- はヒルベルト空間上の線形演算子とする。このとき、全てのに対して
が成り立つならば、はエルミートであるという。 - エルミート演算子の定義域がで稠密であるとき、は対称であるという。
ヒルベルト空間の次元が有限であるとき、のエルミート性や対称性はの表現行列がエルミートや対称であることに対応します。
がエルミートであるための必要十分条件は、任意のに対してが実数となることである。
必要性はがエルミートであるときから明らかであるため、十分性を示す。
線形演算子とについて、次の恒等式が成り立つ:
任意の () が実数であるとき、恒等式の複素共役を考えると
を得る。従ってはエルミートである。
エルミート演算子に対して、
をの数域 (numerical range) という。
の数域が下に有界であるとき、すなわち、が成り立つとき、は下に有界であると言い、で表す。特に () であるとき、は非負 (正) であるという。上に有界であることも同様にで表す。
エルミート演算子, についてが成り立つことを、あるいはで表す。
直交補空間と正射影定理
ヒルベルト空間の部分集合に対して、
で定まるを、の直交補空間 (orthogonal complement) と言います。について、次の性質が成り立ちます。
- 内積の線形性から、に対してが成り立つ。
- 1.からはの部分空間である。が閉であることを示す。を上のコーシー列、をとする。内積の連続性から、に対してが成り立つため、。
従っては閉である。
定理1.13, [新井]
集合とベクトルの距離を
で定める。このとき、の閉部分空間と任意のに対して
を満たすがただ1つ存在する。
の定義から、 () となるが取れる。, とする。任意のとに対して、。従って、
特に、とおいたとき、
(この式はでも成立する。) ここから、
以上よりはコーシー列であり、従ってが存在して。仮定からは閉なので。
三角不等式よりが成り立つことから、。また、に対して
従ってが成り立つ。一意性はであることから従う。
命題3におけるをの正射影 (orthogonal projection) といいます。
正射影定理, 定理1.14, [新井]
をの閉部分空間とする。このとき、に対してとが一意に存在して
と表される。また、がこのように表されるとき
が成り立つ。
, とおく。このとき、等式を得る。
であることから、である。一方であり、さらにであることから、でなくてはならない。以上より、が従う。
一意性はであることから従う。
に対して、正射影定理によって定まるをのに関する直交分解 (orthogonal decomposition) といいます。
射影演算子
はヒルベルト空間の閉部分空間とします。このとき、写像を
で定義すると、直交分解の一意性から、この写像は線形演算子であることがわかります。を上への射影演算子と呼びます。をの完全正規直交基底とすると、は
と表すことができます。
は有界な自己共役作用素 (すなわち、が成り立つ) であり、が成り立つ。さらに、, が成り立つ。
任意のに対して, であることから、が成り立つ。従って。
任意のに対して、
従っては自己共役。
に対してであることから、であり、従ってである。
と自己共役性から、
従って。また、正射影定理からが成り立つため、が成り立つ。
以上より、を得る。
ヒルベルト空間上の有界演算子で、冪等 () かつ自己共役 () であるものを射影演算子という。
任意の射影演算子は、その値域への射影とみなせる (命題2.46 (iv), [新井])ことから、閉部分空間の間の関係は射影演算子の間の関係として表現できます。
- は明らか。であるとき、が成り立つことから。
- であるとき、であることから。この等式の共役を取ると。
逆にであるとき、からが従う。 - であるとき、
が成り立つ。左辺がに等しいことからを得るが、これはを意味する。従って、。
逆にであるとき、
より、が成り立つ。従っても成り立つ。
命題6に基づいて、射影演算子がを満たすとき、とは直交するといいます。
スペクトル族の導入
有限次元の複素ベクトル空間において、次エルミート行列は対角化可能であり、互いに相異なる固有値をとすると、対応する固有空間への射影を用いて
と表すことができます。これをのスペクトル分解と言います。
ヒルベルト空間上の一般の自己共役演算子に対しては、まずが固有値を持つかどうかすらわかりませんが、差し当たって
と書けることにします。ただしとは固有値を渡る総和です。固有値ごとに定まる値を足し合わせるため、なにか積分とのアナロジーがありそうに見えます。
実際、
(ただしとはを満たす固有値の全体を渡る) とおくと、これを使ってを
のように表せそうだという示唆を得ます。
最終的には、実数をパラメータに持つ特別な射影演算子の族とそれによるスティルチェス積分 (あるいは、さらに一般化したスペクトル測度) によるスペクトル分解が構成されることになりますが、本記事では最後にスペクトル族とスペクトル測度の定義を書いて半ばとしたいと思います。
定義2.50, [新井]
ヒルベルト空間上の射影演算子の族が以下の条件を満たすとき、はスペクトル族 (spectral family) であるという。
これはと同値である。- のとき、はに強収束する。すなわち、任意のにおいて、となる。
- のとき、はに強収束する。すなわち、任意のにおいて、となる。
- は右連続である。すなわち、任意のにおいて、が成り立つ。
(このとき、のでの強収束先をで表す。)
§2.7, [新井]
ヒルベルト空間上の射影演算子の全体をで表す。また、を上のボレル集合の全体とする。
写像が以下の条件を満たすとき、を次元のスペクトル測度という。
- ,
- のとき、
すなわち、はでに強収束する。 - 任意のに対して、。