スペクトル理論

数学においてスペクトル理論は、単一の正方行列の固有ベクトル固有値の理論を、様々な数学的空間における演算子の構造に関するより広範な理論に拡張した理論を包括する用語である[1]これは、線型代数と線型方程式系の解とそ​​の一般化の研究の結果である[2]演算子のスペクトル特性はスペクトルパラメータの解析関数に関連しているため、この理論は解析関数の理論と関連している。[3]

数学的背景

スペクトル理論という名称は、無限変数の二次形式を用いてヒルベルト空間理論を定式化した際に、デイヴィッド・ヒルベルトによって導入された。したがって、元のスペクトル定理は、楕円体主軸に関する定理を無限次元の設定で表現したものとして考えられた。後に量子力学においてスペクトル理論が原子スペクトルの特徴を説明できるという発見は、まさに偶然産物であった。ヒルベルト自身もこの理論の予想外の応用に驚き、「私は純粋に数学的な関心から無限変数理論を展開し、『スペクトル解析』と名付けたが、後にそれが物理学の実際のスペクトルに応用されるとは予期していなかった」と述べている。[4]

スペクトル理論を定式化する主な方法は3つあり、それぞれ異なる分野で応用されています。ヒルベルトによる最初の定式化の後、抽象ヒルベルト空間とその上の単一正規作用素のスペクトル理論の発展は、フォン・ノイマン[5]の研究に代表されるように、物理学の要求によく適合しましたこの理論は、バナッハ代数一般を扱うために発展しました。この発展は、可換な場合をカバーするゲルファント表現につながり、さらに非可換な調和解析へと発展しました。

違いはフーリエ解析との関連で明らかになる実数直線上のフーリエ変換は、ある意味では微分作用素としての微分のスペクトル理論である。しかし、この理論で現象を扱うには、一般化された固有関数(例えば、リグド・ヒルベルト空間を用いて)を既に扱う必要がある。一方、フーリエ変換の基本的な性質をスペクトルに捉える群代数を構築するのは容易であり、これはポンチャギン双対性を用いて実現される

バナッハ空間上の作用素のスペクトル特性を調べることもできます。例えば、バナッハ空間上のコンパクト作用素は、行列のスペクトル特性に類似した多くのスペクトル特性を持ちます

身体的背景

振動物理学の背景は次のように説明されている。[6]

スペクトル理論は、化学における原子分子から音響導波路内の障害物に至るまで、様々な物体の局所振動の研究に関連しています。これらの振動は周波数を持ち、問題はそのような局所振動がいつ発生するか、そしてどのように周波数を計算するかを決定することです。これは非常に複雑な問題です。なぜなら、あらゆる物体は基音だけでなく、複雑な倍音列も持っており、倍音列は物体ごとに大きく異なるからです。

このような物理的な考え方は技術的なレベルでは数学理論とは何の関係もありませんが、間接的に関わっている例はあります(例えば、マーク・カックの質問「太鼓の形が聞こえますか? 」を参照)。 ヒルベルトが「スペクトル」という用語を採用したのは、1897 年にヴィルヘルム・ヴィルティンガーがヒル微分方程式ジャン・ディドゥドネ著)について発表した論文に由来するとされており、20 世紀の最初の 10 年間にヴィルティンガーの弟子たち、その中にはエアハルト・シュミットやヘルマン・ワイルもいました。ヒルベルト空間の概念的基礎は、ヒルベルトの考えからエアハルト・シュミットフリジェシュ・リースによって発展させられました[7] [8] ほぼ 20 年後、量子力学がシュレーディンガー方程式の観点から定式化され、原子スペクトルとの関連が確立されましたアンリ・ポアンカレが指摘したように、振動の数理物理学との関連は以前から疑われていたが、バルマー級数の説明がないため、単純な定量的な理由から否定された[9]後に量子力学においてスペクトル理論が原子スペクトルの特徴を説明できるという発見は、ヒルベルトのスペクトル理論の対象というよりは、偶然の産物であった。

スペクトルの定義

一般バナッハ空間上のあらゆる場所で定義された有界線型変換 Tを考える。以下の変換を立てる。

ここで、I恒等演算子、ζ は複素数です。演算子Tの逆演算子、すなわちT −1は次のように定義されます。

逆関数が存在する場合、Tは正則関数と呼ばれます。逆関数が存在しない場合、Tは特異関数と呼ばれます

これらの定義を用いると、T解決集合はR ζ が存在しかつ有界であるようなすべての複素数ζの集合となる。この集合はしばしばρ ( T )と表記される。TスペクトルはR ζ が存在しない、または有界ではないすべての複素数 ζ の集合となる。T のスペクトルはしばしばσ ( T )と表記される。ρ ( T )内のすべての ζ に対する関数R ζ (つまり、R ζ が有界演算子として存在するところ) はT解決集合と呼ばれる。したがって、 Tスペクトルは複素平面におけるT解決集合の補集合となる。 [10] Tすべての固有値はσ ( T )に属するが、σ ( T ) には固有値以外の値が含まれることもある。[11]

この定義はバナッハ空間に適用されるが、もちろん他の種類の空間も存在する。例えば、位相ベクトル空間はバナッハ空間を含むが、より一般化され得る。[12] [13]一方、バナッハ空間はヒルベルト空間を含み、これらの空間こそが最も広く応用され、最も豊富な理論的結果が得られている。[14]適切な制限を加えると、ヒルベルト空間における変換のスペクトルの構造について多くのことが言える。特に、自己随伴作用素の場合、スペクトルは実数直線上にあり、(一般に)離散固有値の点スペクトル連続スペクトルのスペクトル結合となる。[15]

スペクトル理論の概要

関数解析線型代数学において、スペクトル定理は、ある作用素をより単純な作用素の和として単純な形で表現できる条件を定めています。本稿では厳密な表現は適切ではないため、専門家以外の人にも理解しやすいように、形式的な扱いに伴う厳密さと満足感の多くを省略したアプローチを採用します。

この話題は、作用素に対するディラックブラケット記法を導入することで最も簡単に説明できる[16] [17]例えば、非常に特殊な線型作用素Lは、二項積として表される[18] [19]

ブラ⟨ b 1 | とケット | k 1 ⟩ を用いて表される。関数fはケットによって| f ⟩ と表される。座標上で定義された関数f ( x )は次のように表される 。

そしてfの大きさ

ここで、表記(*)は複素共役を表す。この内積の選択は非常に特殊な内積空間を定義し、以降の議論の一般性を制限している。[14]

Lが関数fに与える影響は次のように記述されます。

Lがfに及ぼす影響は、で表される内積を乗じた新しい関数を生成するという結果を表します

より一般的な線形演算子L は次のように表現されます。

ここで、はスカラー、は空間の基底、は基底です。基底と逆基底の関係は、部分的には次のように記述されます。

このような形式主義が適用される場合、 はL固有値であり、 はL固有関数である。固有値はLスペクトルに含まれる。[20]

当然次のような疑問が浮かびます。どのような状況下でこの形式論は機能するのか、また、どのような演算子Lに対して、このような他の演算子の級数展開が可能なのか。任意の関数fを固有関数で表現できるのか(Schauder 基底なのか)、また、どのような状況下で点スペクトルや連続スペクトルが生じるのか。無限次元空間と有限次元空間の形式論はどのように異なるのか、あるいは異なるのか。これらの考え方は、より広いクラスの空間に拡張できるのか。このような疑問に答えることはスペクトル理論の領域であり、関数解析行列代数のかなりの背景知識が必要です。

アイデンティティの解決

この節では、前節の大まかなやり方を踏襲しつつ、ブラケット記法を用いて厳密な扱いに関する多くの重要な詳細は省略する。[21]厳密な数学的扱いについては、様々な参考文献を参照のこと。[22]特に、空間の 次元nは有限である。

上のセクションのブラケット記法を使用すると、恒等演算子は次のように記述できます。

ここで、上式は基底であり空間の逆基底が次の関係を満たすと仮定する。

この恒等演算の表現は恒等式の表現または解決と呼ばれる。[21] [22]この形式表現は恒等式の基本的な性質を満たす。

すべての正の整数kに対して有効です。

空間内の任意の関数に恒等式の解決を適用すると、次の式が得られます。

これはψの基底関数{e i }による一般化フーリエ展開である 。[23]ここで

次の形式の演算子方程式が与えられたとします。

空間にhがある場合、この方程式は形式的な操作を通じて上記の基底で解くことができます。

これは、演算子方程式を、h一般化フーリエ係数と演算子Oの行列要素に基づいて未知の係数c jを決定する行列方程式に変換します。

スペクトル理論の役割は、基底と逆基底の性質と存在を確立することにある。特に、基底は何らかの線型作用素Lの固有関数から構成される可能性がある。

λ i } はLのスペクトルから得られるL の固有値である。そして、上記の恒等式の分解により、Lの2元展開が得られる。

解決演算子

スペクトル理論を用いると、レゾルベント演算子Rは次のようになる。

はLの固有関数と固有値を用いて評価することができ、 Lに対応するグリーン関数を求めることができます。

Rを空間内の任意の関数に適用すると

この関数は、Lの各固有値において複素λ平面に極を持つ。したがって、留数計算を用いると、

ここで線積分はLのすべての固有値を含む等高線C上で行われます。

関数がいくつかの座標 { x j } 上で定義されているとします。

表記法の導入

ここでδ(x − y) = δ(x 1 − y 1 , x 2 − y 2 , x 3 − y 3 , ...)はディラックのデルタ関数であり[24]次のように書くことができる。

それから:

関数G(x, y; λ)は次のように定義されます。

は演算子Lのグリーン関数と呼ばれ、次式を満たす: [25]

演算子方程式

次の演算子方程式を考えてみましょう。

座標に関して:

特殊なケースとしてはλ = 0 があります。

前のセクションのグリーン関数は次のとおりです。

そして以下を満たします:

このグリーン関数の特性を使用すると:

次に、この式の両辺にh ( z )を掛けて積分します。

解決策は次のようになります。

つまり、演算子方程式を満たす関数ψ ( x ) は、 Oのスペクトルを見つけてたとえば次のようにしてGを構築できれば見つかります。

もちろん、Gを求める方法は他にもたくさんあります。 [26]グリーン関数フレドホルム積分方程式に関する論文を参照してください。上記の数学は純粋に形式的なものであり、厳密な扱いには、関数解析ヒルベルト空間超関数などに関する十分な背景知識を含む、かなり高度な数学が必要となることを念頭に置いてください。詳細については、これらの論文と参考文献を参照してください。

スペクトル定理とレイリー商

最適化問題は、対称行列の固有値と固有ベクトルの組み合わせの重要性、特に行列Mに関するレイリー商に関する最も有用な例である可能性があります

定理 Mを対称行列とし、 x をMに関してレイリー商を最大化する非零ベクトルとする。このとき、xはMの固有ベクトルであり、その固有値はレイリー商に等しい。さらに、この固有値はMの最大固有値である 

証明 スペクトル定理を仮定する。Mの固有値を とする直交基底を形成するので、任意のベクトルxはこの基底で次のように表される。

この式を証明する方法は非常に簡単です。つまり、

レイリー商をxに関して評価します

最後の行ではパーセヴァルの恒等式を使っています。最終的に次の式が得られます。

したがってレイリー商は常に より小さくなる[27]

参照

注記

  1. ^ ジャン・アレクサンドル・デュドネ (1981)。機能解析の歴史。エルゼビア。ISBN 0-444-86148-3
  2. ^ ウィリアム・アーヴェソン (2002). 「第1章 スペクトル理論とバナッハ代数」. スペクトル理論短期講座. シュプリンガー. ISBN 0-387-95300-0
  3. ^ Viktor Antonovich Sadovnichiĭ (1991). 「第4章 ヒルベルト空間の幾何学:作用素のスペクトル理論」. 『作用素の理論』 . Springer. p. 181 et seq . ISBN 0-306-11028-8
  4. ^ スティーン、リン・アーサー. 「スペクトル理論の歴史におけるハイライト」(PDF) .セント・オラフ大学. 2016年3月4日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年12月14日閲覧
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  6. ^ E. Brian Davies、キングス・カレッジ・ロンドン分析グループのウェブサイト「分析グループの研究」より引用。
  7. ^ ニコラス・ヤング (1988). ヒルベルト空間入門. ケンブリッジ大学出版局. p. 3. ISBN 0-521-33717-8
  8. ^ Jean-Luc Dorier (2000). 線形代数の教授法について; 数学教育ライブラリー第23巻. Springer. ISBN 0-7923-6539-9
  9. ^ Cf. Spectra in math and in physics Archived 2011-07-27 at the Wayback Machine by Jean Mawhin、p.4 および pp. 10-11。
  10. ^ エドガー・レイモンド・ローチ (2003). スペクトル理論 (オックスフォード1962年版の再版). 教科書出版社. p. 89. ISBN 0-7581-7156-0
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参考文献

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