กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 12 นาที

คลาสติดตาม

ใน ทางคณิตศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในการวิเคราะห์เชิงฟังก์ชัน ตัว ดำเนินการประเภทร่องรอย ( trace-class operator) คือตัวดำเนินการเชิงเส้นที่ สามารถกำหนด ร่องรอย ได้...

คลาสติดตาม

ในทางคณิตศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวิเคราะห์เชิงฟังก์ชันตัว ดำเนินการประเภทร่องรอย ( trace-class operator) คือตัวดำเนินการเชิงเส้นที่ สามารถกำหนด ร่องรอยได้ โดยที่ร่องรอยนั้นเป็นจำนวนจำกัดที่ไม่ขึ้นอยู่กับการเลือกฐานที่ใช้ในการคำนวณร่องรอย ร่องรอยของตัวดำเนินการประเภทร่องรอยนี้เป็นการขยายความหมายของร่องรอยของเมทริกซ์ที่ศึกษาในพีชคณิตเชิงเส้น ตัวดำเนินการประเภทร่องรอยทั้งหมดเป็นตัวดำเนินการกระชับ (compact operator )

ในกลศาสตร์ควอนตัมสถานะควอนตัมจะถูกอธิบายโดยเมทริกซ์ความหนาแน่นซึ่งเป็นตัวดำเนินการคลาสร่องรอยบางอย่าง[ 1 ]

ตัวดำเนินการชั้นร่องรอย (Trace-class operators) โดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับตัวดำเนินการนิวเคลียร์ (nuclear operators ) แม้ว่าผู้เขียนหลายคนจะสงวนคำว่า "ตัวดำเนินการชั้นร่องรอย" ไว้สำหรับกรณีพิเศษของตัวดำเนินการนิวเคลียร์บน ปริภูมิฮิลเบิร์ต ( Hilbert spaces ) และใช้คำว่า "ตัวดำเนินการนิวเคลียร์" ในปริภูมิเวกเตอร์เชิงทอพอโลยี ทั่วไป (เช่น ปริภูมิ บานาค (Banach spaces ))

คำนิยาม

ให้เป็นปริภูมิฮิลเบิร์ตที่แยกได้เป็นฐานออร์โทนอร์มอลและเป็นตัวดำเนินการเชิงเส้นบวกที่มีขอบเขตบน ร่องรอยของจะถูกแทนด้วยและกำหนดเป็น[ 2 ] [ 3 ]

โดยไม่ขึ้นอยู่กับการเลือกฐานออร์โทนอร์มอล ตัวดำเนินการเชิงเส้นที่มีขอบเขต (ไม่จำเป็นต้องเป็นบวก) เรียกว่าคลาสเทรซก็ต่อเมื่อ

โดยที่ หมายถึง ราก ที่สอง ของเฮอร์มิเชียน บวก กึ่งบวก[ 4 ]

นอร์มร่องรอยของตัวดำเนินการคลาสร่องรอยTถูกกำหนดดังนี้ สามารถแสดงได้ว่านอร์มร่องรอยเป็นนอร์มบนปริภูมิของตัวดำเนินการคลาสร่องรอยทั้งหมดและเมื่อมีนอร์มร่องรอยแล้ว จะกลายเป็นปริภูมิบานาค

เมื่อเป็นมิติจำกัด ตัวดำเนินการทุกตัว (บวก) จะเป็นคลาสร่องรอย เนื่องจากคำจำกัดความนี้ตรงกับร่องรอยของเมทริกซ์ถ้าเป็นจำนวนเชิงซ้อน จะ เป็น ตัวดำเนินการสมมาตรในตัวเองเสมอ(เช่น) แม้ว่าในทางกลับกันจะไม่จำเป็นต้องเป็นจริงเสมอไป[ 5 ]

สูตรที่เทียบเท่ากัน

เมื่อกำหนดตัวดำเนินการเชิงเส้นที่มีขอบเขตแล้วข้อความต่อไปนี้แต่ละข้อเทียบเท่ากับการอยู่ในคลาสร่องรอย (trace class):

  • มีค่าจำกัดสำหรับฐานออร์โทนอร์มอล ทุก ฐานของH [ 2 ]
  • Tเป็น ผู้ปฏิบัติ งานด้านนิวเคลียร์[ 6 ] [ 7 ]
    มีลำดับเชิงตั้งฉาก สองลำดับ และในและจำนวนจริง บวก ในเช่นนั้นและ
    โดยที่ค่าเอกลักษณ์ของT (หรือเทียบเท่ากับค่าลักษณะเฉพาะของ) จะถูกทำซ้ำโดยแต่ละค่าเท่ากับจำนวนครั้งที่ปรากฏ[ 8 ]
  • Tเป็นตัวดำเนินการขนาดกะทัดรัดที่มี
    ถ้าTเป็นคลาสการติดตามแล้ว[ 9 ]
  • Tเป็นตัวดำเนินการอินทิกรั[ 10 ]
  • Tเท่ากับการประกอบกันของ ตัวดำเนินการฮิล เบิร์ต-ชมิดท์ สองตัว [ 11 ]
  • เป็นตัวดำเนินการฮิลเบิร์ต-ชมิดต์[ 11 ]

ตัวอย่าง

ทฤษฎีบทสเปกตรัม

ให้เป็นตัวดำเนินการสมมาตรในขอบเขตบนปริภูมิฮิลเบิร์ต จากนั้นจะเป็นคลาสร่องรอยก็ต่อเมื่อมีสเปกตรัมจุดบริสุทธิ์ที่มีค่าลักษณะเฉพาะที่[ 12 ]

ทฤษฎีบทของเมอร์เซอร์

ทฤษฎีบทของเมอร์เซอร์ให้ตัวอย่างอีกประการหนึ่งของตัวดำเนินการคลาสร่องรอย กล่าวคือ สมมติว่าเป็นเคอร์เนลสมมาตรบวกแน่นอน ต่อเนื่อง บนซึ่งกำหนดโดย

ดังนั้นตัวดำเนินการอินทิกรัลฮิลเบิร์ต-ชมิดต์ ที่เกี่ยวข้อง จึงอยู่ในกลุ่มร่องรอย (trace class) กล่าวคือ

ตัวดำเนินการอันดับจำกัด

ตัวดำเนินการอันดับจำกัดทุกตัวเป็นตัวดำเนินการคลาสร่องรอย ยิ่งไปกว่านั้น พื้นที่ของตัวดำเนินการอันดับจำกัดทั้งหมดเป็นพื้นที่ย่อยหนาแน่นของ(เมื่อกำหนดบรรทัดฐานร่องรอย) [ 9 ]

กำหนด ตัวดำเนินการใดๆ โดยกำหนดตัวดำเนินการ จาก นั้นจะเป็นตัวดำเนินการเชิงเส้นต่อเนื่องที่มีอันดับ 1 และดังนั้นจึงเป็นคลาสร่องรอย ยิ่งไปกว่านั้น สำหรับตัวดำเนินการเชิงเส้นที่มีขอบเขตใดๆAบนH (และเข้าไปในH ) [ 9 ]

คุณสมบัติ

  1. ถ้า เป็น ตัวดำเนินการสมมาตรในตัวเองที่ไม่เป็นลบแล้ว จะเป็นตัวดำเนินการระดับร่องรอย (trace-class) ก็ต่อเมื่อดังนั้น ตัวดำเนินการสมมาตรในตัวเองจะเป็นตัวดำเนินการระดับร่องรอยก็ต่อเมื่อส่วนบวกและส่วนลบ ของตัวดำเนินการนั้น เป็นตัวดำเนินการระดับร่องรอยทั้งคู่ (ส่วนบวกและส่วนลบของตัวดำเนินการสมมาตรในตัวเองได้มาจากการคำนวณเชิงฟังก์ชันต่อเนื่อง )
  2. ร่องรอย (Trace) คือฟังก์ชันเชิงเส้นบนปริภูมิของตัวดำเนินการชั้นร่องรอย กล่าวคือ แผนที่ทวิเชิงเส้น (Bilinear map) คือผลคูณภายในบนชั้นร่องรอย บรรทัดฐานที่สอดคล้องกันเรียกว่า บรรทัดฐาน ฮิลเบิร์ต-ชมิดต์ (Hilbert–Schmidt norm ) การเติมเต็มของตัวดำเนินการชั้นร่องรอยในบรรทัดฐานฮิลเบิร์ต-ชมิดต์เรียกว่าตัวดำเนินการฮิลเบิร์ต-ชมิดต์ (Hilbert–Schmidt operators)
  3. เป็นฟังก์ชันเชิงเส้นบวกที่ถ้าเป็นตัวดำเนินการคลาสร่องรอยที่สอดคล้องกับ[ 11 ]
  4. ถ้าเป็น trace-class แล้วและ[ 11 ]
  5. ถ้าถูกจำกัด และอยู่ในคลาสร่องรอย แล้วและก็อยู่ในคลาสร่องรอยเช่นกัน (กล่าวคือ พื้นที่ของตัวดำเนินการคลาสร่องรอยบนH เป็น อุดมคติสองด้านในพีชคณิตของตัวดำเนินการเชิงเส้นที่ถูกจำกัดบนH ) และ[ 11 ] [ 13 ] ยิ่งไปกว่านั้น ภายใต้สมมติฐานเดียวกัน[ 11 ]และ ข้อความสุดท้ายยังคงใช้ได้ภายใต้สมมติฐานที่อ่อนกว่าที่ว่าAและTเป็น Hilbert–Schmidt
  6. ถ้าและเป็นฐานออร์โทนอร์มอลสองฐานของHและถ้าTเป็นคลาสร่องรอยแล้ว[ 9 ]
  7. ถ้าAเป็นคลาสเทรซแล้ว เราสามารถกำหนดดีเทอร์มิแนนต์เฟรดโฮล์มของได้ดังนี้: โดยที่คือสเปกตรัมของเงื่อนไขคลาสเทรซบนรับประกันว่าผลคูณอนันต์เป็นค่าจำกัด: อันที่จริงแล้ว มันยังหมายความว่าก็ต่อเมื่อสามารถผกผันได้
  8. ถ้าเป็นคลาสร่องรอยแล้วสำหรับฐานออร์โทนอร์มอล ใดๆ ผลรวม ของเทอมบวกจะมีค่าจำกัด[ 11 ]
  9. ถ้าสำหรับตัวดำเนินการ Hilbert-Schmidt บางตัว และสำหรับเวกเตอร์ปกติใดๆ เป็นจริง[ 11 ]

ทฤษฎีบทของลิดสกี้

ให้เป็นตัวดำเนินการชั้นร่องรอยในปริภูมิฮิลเบิร์ตที่แยกได้และให้เป็นค่าลักษณะเฉพาะของสมมติว่ามีการแจงนับโดยคำนึงถึงความซ้ำซ้อนเชิงพีชคณิต (นั่นคือ ถ้าความซ้ำซ้อนเชิงพีชคณิตของคือแล้วจะซ้ำกันครั้งในรายการ) ทฤษฎีบทของลิดสกี้ (ตั้งชื่อตามวิกเตอร์ โบรีโซวิช ลิดสกี้ ) กล่าวว่า

โปรดทราบว่าอนุกรมทางด้านขวาจะลู่เข้าอย่างสมบูรณ์เนื่องจากความไม่เท่าเทียมกันของ Weyl ระหว่างค่าลักษณะเฉพาะและค่าเอกลักษณ์ของตัวดำเนินการกระชับ[ 14 ]ดูทฤษฎีบทร่องรอยของ Grothendieckด้วย

ความสัมพันธ์ระหว่างคลาสตัวดำเนินการทั่วไป

เราสามารถมองตัวดำเนินการแบบจำกัดบางประเภทว่าเป็นอนาล็อกแบบไม่สลับที่ของปริภูมิของลำดับ แบบคลาสสิก โดยมีตัวดำเนินการแบบร่องรอยเป็นอนาล็อกแบบไม่สลับที่ของปริภูมิของลำดับ

อันที่จริง เป็นไปได้ที่จะใช้ทฤษฎีบทสเปกตรัมเพื่อแสดงว่าตัวดำเนินการชั้นร่องรอยปกติทุกตัวบนปริภูมิฮิลเบิร์ตที่แยกได้ สามารถสร้างขึ้นได้ในบางวิธีในรูปของลำดับโดยสัมพันธ์กับการเลือกฐานฮิลเบิร์ตคู่หนึ่ง ในทำนองเดียวกัน ตัวดำเนินการที่มีขอบเขตเป็นเวอร์ชันที่ไม่สลับที่ของตัวดำเนินการกระชับซึ่งก็คือ(ลำดับที่ลู่เข้าสู่ 0) ตัวดำเนินการฮิลเบิร์ต-ชมิดท์สอดคล้องกับและตัวดำเนินการอันดับจำกัดสอดคล้องกับ(ลำดับที่มีพจน์ที่ไม่เป็นศูนย์เพียงจำนวนจำกัด) ในระดับหนึ่ง ความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มของตัวดำเนินการเหล่านี้คล้ายคลึงกับความสัมพันธ์ระหว่างคู่ของตัวดำเนินการที่สลับที่กันได้

โปรดจำไว้ว่าตัวดำเนินการกระชับทุกตัวบนปริภูมิฮิลเบิร์ตมีรูปแบบมาตรฐานดังต่อไปนี้: มีฐานเชิงตั้งฉากปกติและและลำดับของจำนวนที่ไม่เป็นลบ โดยที่ เมื่อ ทำให้คำอธิบายเชิงอนุมานข้างต้นมีความแม่นยำมากขึ้น เราจะได้ว่าเป็นตัวดำเนินการระดับร่องรอยก็ต่อเมื่ออนุกรมลู่เข้า เป็นตัวดำเนินการฮิลเบิร์ต-ชมิดต์ก็ต่อเมื่ออนุกรมลู่เข้า และเป็นตัวดำเนินการระดับจำกัดก็ต่อเมื่อลำดับมีพจน์ที่ไม่เป็นศูนย์เพียงจำนวนจำกัดเท่านั้น สิ่งนี้ทำให้สามารถเชื่อมโยงตัวดำเนินการเหล่านี้ได้ การรวมต่อไปนี้เป็นจริงและเหมาะสมทั้งหมดเมื่อเป็นมิติอนันต์:

ตัวดำเนินการในกลุ่มร่องรอยจะได้รับบรรทัดฐานร่องรอยบรรทัดฐานที่สอดคล้องกับผลคูณภายในของฮิลเบิร์ต-ชมิดท์คือ นอกจากนี้ บรรทัดฐานตัวดำเนินการ ปกติคือโดยอาศัยอสมการแบบคลาสสิกเกี่ยวกับลำดับ สำหรับค่าที่เหมาะสม

นอกจากนี้ ยังเห็นได้ชัดว่าตัวดำเนินการที่มีอันดับจำกัดนั้นมีความหนาแน่นทั้งในคลาสร่องรอยและฮิลเบิร์ต-ชมิดต์ในบรรทัดฐานของแต่ละคลาส

คลาส Trace เป็นส่วนกลับของตัวดำเนินการแบบกะทัดรัด

ปริภูมิคู่ของคือในทำนองเดียวกัน เรามีว่าปริภูมิคู่ของตัวดำเนินการกระชับ ซึ่งแทนด้วยคือตัวดำเนินการชั้นร่องรอย ซึ่งแทนด้วยข้อโต้แย้งที่เราจะกล่าวถึงต่อไปนี้ ชวนให้นึกถึงข้อโต้แย้งสำหรับปริภูมิของลำดับที่สอดคล้องกัน ให้เราระบุกับตัวดำเนินการที่กำหนดโดย โดย ที่คือตัวดำเนินการอันดับหนึ่งที่กำหนดโดย

การระบุตัวตนนี้ใช้ได้ผลเพราะตัวดำเนินการอันดับจำกัดมีความหนาแน่นของบรรทัดฐานในกรณีที่เป็นตัวดำเนินการบวก สำหรับฐานเชิงตั้งฉากใดๆจะมี โดยที่เป็นตัวดำเนินการเอกลักษณ์:

แต่สิ่งนี้หมายความว่าเป็นคลาสร่องรอย การใช้การแยกส่วนเชิง ขั้ว ขยายสิ่งนี้ไปสู่กรณีทั่วไป ซึ่งไม่จำเป็นต้องเป็นค่าบวก

การใช้เหตุผลเชิงจำกัดโดยใช้ตัวดำเนินการอันดับจำกัดแสดงให้เห็นว่าดังนั้นจึงสมมาตรกับ

ในฐานะที่เป็นพรีดวลของตัวดำเนินการที่มีขอบเขต

โปรดจำไว้ว่าปริภูมิคู่ของคือในบริบทปัจจุบัน ปริภูมิคู่ของตัวดำเนินการระดับร่องรอยคือตัวดำเนินการที่มีขอบเขตกล่าวให้แม่นยำยิ่งขึ้น เซต คือ ไอเดียลสองด้านในดังนั้น เมื่อกำหนดตัวดำเนินการใดๆเราสามารถกำหนดฟังก์ชันเชิงเส้นต่อเนื่องบนโดยความสัมพันธ์ระหว่างตัวดำเนินการเชิงเส้นที่มีขอบเขตและองค์ประกอบของปริภูมิคู่ของคือไอโซมอร์ฟิซึมแบบไอโซเมตริกดังนั้นคือปริภูมิคู่ของสิ่งนี้สามารถใช้เพื่อกำหนดโทโพโลยีแบบอ่อน*บน

ดูเพิ่มเติม

บรรณานุกรม

  • คอนเวย์, จอห์น บี. (2000). หลักสูตรทฤษฎีตัวดำเนินการ . พรอวิเดนซ์ (โรดไอส์แลนด์): สมาคมคณิตศาสตร์อเมริกัน. ISBN 978-0-8218-2065-0.
  • คอนเวย์, จอห์น บี. (1990). หลักสูตรการวิเคราะห์เชิงฟังก์ชัน . นิวยอร์ก: สปริงเกอร์-เวอร์แลก. ISBN 978-0-387-97245-9. OCLC  21195908 .
  • ดิกมีเออร์ เจ. (1969) Les Algebres d'Operateurs และ Espace Hilbertien โกติเยร์-วิลลาร์ส
  • Mittelstaedt, Peter (2009). "สถานะผสม". สารานุกรมฟิสิกส์ควอนตัม . เบอร์ลิน, ไฮเดลเบิร์ก: Springer Berlin Heidelberg. หน้า  389–390 . doi : 10.1007/978-3-540-70626-7_120 . ISBN 978-3-540-70622-9.
  • รีด, เอ็ม. ; ไซมอน, บี. (1980). วิธีการของฟิสิกส์คณิตศาสตร์สมัยใหม่: เล่ม 1: การวิเคราะห์เชิงฟังก์ชัน . สำนักพิมพ์ Academic Press. ISBN 978-0-12-585050-6.
  • Schaefer, Helmut H. (1999). ปริภูมิเวกเตอร์เชิงทอพอ โล ยีGTMเล่ม 3 นิวยอร์ก, NY: Springer New York Imprint Springer. ISBN 978-1-4612-7155-0. OCLC  840278135 .
  • ไซมอน, แบร์รี (2010). ทฤษฎีบทของเซโกและทฤษฎีบทที่สืบทอดมา: ทฤษฎีสเปกตรัมสำหรับการรบกวน L² ของพหุนามเชิงตั้งฉากสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันISBN 978-0-691-14704-8.
  • เทรฟส์, ฟรองซัวส์ (2549) [2510] สเปซเวกเตอร์ทอพอโลยี การแจกแจง และเคอร์เนล Mineola, NY: สิ่งพิมพ์โดเวอร์ไอเอสบีเอ็น 978-0-486-45352-1. OCLC  853623322 .
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Trace_class&oldid=1354562143 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ คลาสติดตาม

ใน ทางคณิตศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในการวิเคราะห์เชิงฟังก์ชัน ตัว ดำเนินการประเภทร่องรอย ( trace-class operator) คือตัวดำเนินการเชิงเส้นที่ สามารถกำหนด ร่องรอย ได้...

คำนิยาม

ให้เป็น ปริภูมิ ฮิลเบิร์ต ที่แยกได้ เป็น ฐานออร์โทนอร์มอล และเป็นตัว ดำเนินการเชิงเส้นบวกที่มีขอบเขตบน ร่องรอย ของ จะ ถูกแทนด้วยและกำหนดเป็น [ 2 ] [ 3 ] ชม {\displaystyle H} { อี เค } เค = 1 ∞ {\displaystyle \left\{e_{k}\right\}_{k=1}^{\infty }} เอ : ชม → ชม...

สูตรที่เทียบเท่ากัน

เมื่อกำหนดตัวดำเนินการเชิงเส้นที่มีขอบเขตแล้วข้อความต่อไปนี้แต่ละข้อเทียบเท่ากับการอยู่ในคลาสร่องรอย (trace class): ที : ชม → ชม {\displaystyle T:H\to H} ที {\displaystyle T}

ทฤษฎีบทสเปกตรัม

ให้เป็นตัวดำเนินการสมมาตรในขอบเขตบนปริภูมิฮิลเบิร์ต จากนั้นจะเป็นคลาสร่องรอย ก็ต่อเมื่อ มี สเปกตรัมจุดบริสุทธิ์ ที่มีค่าลักษณะเฉพาะที่ [ 12 ] T {\displaystyle T} T 2 {\displaystyle T^{2}} T {\displaystyle T} { λ i ( T ) } i = 1 ∞ {\displaystyle \left\{\lambda...