埃尔米特伴随

• 数学主题

提示：此条目的主题不是伴隨矩陣。

数学上，特别是泛函分析中，希尔伯特空间中的每个线性算子有一个相应的伴随算子（adjoint operator）。算子的伴随将方块矩阵共轭转置推广到（可能）无穷维情形。如果我们将希尔伯特空间上的算子视为“广义复数”，则一个算子的伴随起着一个复数的共轭的作用。

一个算子A的伴随常常也称为埃尔米特伴随（Hermitian adjoint，以夏尔·埃尔米特命名），记作A^*或A^†（后者尤其用于狄拉克符号记法）。

有界算子

假設H是一個希爾伯特空間，帶有內積 ${\displaystyle \langle \cdot ,\cdot \rangle }$ 。考慮連續線性算子A : H → H（這與有界算子相同）。

利用里斯表示定理，我們可以證明存在唯一的連續線性算子

A* : H → H具有如下性質：

${\displaystyle \langle Ax,y\rangle =\langle x,A^{*}y\rangle }$ ，对所有${\displaystyle x,y\in H}$ 。

這個算子A* 是A的伴隨。

這可以視為一個方塊矩陣的轉置共軛或伴隨矩陣推廣，在標準（復）內積下具有相似的性質。

性质

马上可得的性质

1. A** = A
2. 如A可逆，则A* 也可逆，且 (A*)⁻¹ = (A⁻¹)*
3. (A + B)* = A* + B*
4. (λA)* = λ* A*，这里λ* 表示复数λ的复共轭
5. (AB)* = B* A*

如果我们定义A的算子范数为

${\displaystyle \|A\|_{op}:=\sup\{\|Ax\|:\|x\|\leq 1\}}$ 

则

${\displaystyle \|A^{*}\|_{op}=\|A\|_{op},}$ 

而且有

${\displaystyle \|A^{*}A\|_{op}=\|A\|_{op}^{2}}$ 。

希尔伯特空间H上有界线性算子与伴随算子以及算子范数给出一个C*代数例子。

A的像与它的伴随的核的关系为

${\displaystyle \ker A^{*}=\left(\operatorname {im} \ A\right)^{\bot },}$ 

${\displaystyle \left(\ker A^{*}\right)^{\bot }={\overline {\operatorname {im} \ A}}}$ 。

第一个等式的证明：

${\displaystyle {\begin{aligned}A^{*}x=0&\iff \langle A^{*}x,y\rangle =0\quad \forall y\in H\\&\iff \langle x,Ay\rangle =0\quad \forall y\in H\\&\iff x\ \bot \ \operatorname {im} \ A\end{aligned}}}$ 

第二个等式由第一个推出，于两边取正交空间即可。注意到一般地，像未必是闭的，但连续算子的核总是闭的。

埃尔米特算子

有界算子A: H → H称为埃尔米特或自伴如果

A = A*

这等价于

${\displaystyle \langle Ax,y\rangle =\langle x,Ay\rangle ,\forall x,y\in H}$ 。

在某种意义下，这种算子起着实数（等于他们的复共轭）的作用。他们在量子力学中作为实值可观测量的模型。更多细节参见自伴算子一文。

无界算子的伴随

许多重要的算子不是连续的或只定义在希尔伯特的一个子空间上。在这种情形，我们仍然能定义伴随，在自伴算子一文有解释。

其他伴随

范畴论中，方程

${\displaystyle \langle Ax,y\rangle =\langle x,A^{*}y\rangle }$ 

形式上类似地定义了伴随函子偶性质，这也是伴随函子得名之由来。

又见

• 数学概念
  • 线性代数
  • 内积
  • 希尔伯特空间
  • 埃尔米特算子
  • 范数
  • 算子范数
  • 线性映射的转置
• 物理应用
  • 对偶空间
  • 狄拉克符号
  • 量子力学
  • 可观测量

参考文献

• Walter Rudin. Functional Analysis(2nd ed.), China Machine Press, 2006