2. Эвклидовы и унитарные пространства

Определение 9. Симметрическая билинейная форма A(x, y) на вещественном пространстве (эрмитово-симметрическая форма на комплексном пространстве) называется положительно определенной, если A(x, x)>0 для любого, отличного от нуля вектора x из рассматриваемого пространства.

Определение 9¢. Квадратичная форма (эрмитова квадратичная форма) называется положительно определенной, если для любого вектора x¹0 она принимает положительное значение.

Определение 10. n-мерным эвклидовым (унитарным) пространством называется n-мерное вещественное (комплексное) векторное пространство с положительно определенным симметрическим (эрмитовым) скалярным произведением.

Все вводимые далее понятия пригодны как для эвклидовых, так и для унитарных пространств.

Определение 11. База e1, e2, …, en эвклидова (унитарного) пространства называется ортогональной, если (ei, ej)=0, i¹j, i, j=1, 2, …, n, и ортонормированной, если она ортогональна и длина всех векторов равны единице.

3. Изометрия эвклидовых и унитарных пространств

Определение 12. Взаимно однозначное отображение f модуля М на модуль М¢ над одним и тем же кольцом K называется изоморфизмом, если выполняются следующие условия:

1. f(x, y)=f(x)+f(y)=x¢+y¢; x¢=f(x); y¢=f(y);

"x, yÎM;

2. f(ax)=af(x)=ax¢; "xÎK; "xÎM; x¢=f(x)ÎM¢.

Определение 13. Два векторных пространства W и W¢ над полем Р называются изоморфными, если они изморфны как модули над кольцом, которым является поле Р.

Пусть теперь даны два векторных пространства W и W¢ со скалярными произведениями A(x, y) и A¢(x¢, y¢) над полем Р.

Определение 14. Изометрией векторных пространств W и W¢ называется любой их изморфизм, который сохраняет значения всех скалярных произведений, т. е.

A(x, y)= A¢(f(x), f(y))= A¢(x¢, y¢); "x, yÎW;

f(x)=x¢; f(y)=y¢.

В эвклидовом пространстве из определения длины вектора и угла между двумя векторами следует, что при изометрии сохраняются длины векторов и углы между ними, т. е. сохраняются метрические соотношения, чем и объясняется название «изометрия». В унитарном пространстве при изометрии сохраняются длины векторов, ортогональные векторы переходят в ортогональные векторы.

2.3 Матрицы

1. Линейные отображения, операторы и матрицы

Определение 1. Отображение f: V®W векторного пространства V в векторное пространство W над полем Р называется линейное отображение, если для всех v, v1, v2ÎV, aÎP выполняются условия:

1) f(v1+v2)=f(v1)+f(v2);

2) f(av)=af(v).

Если V=W, то линейное отображение называется линейным оператором или линейным преобразованием пространства V.

Пусть e1, e2, …, en – базис пространства V, а e1¢, e2¢, …, en¢ - базис пространства W. Образы базисных векторов пространства V в базисе пространства W можно записать в виде

(i=1, 2, …, m) (1)

Коэффициенты в выражении (1) запишем в виде матрицы, которая называется матрицей линейного отображения f.

.

В случае линейных операторов, т. е. линейных отображений векторного пространства в себя, операторы удобно обозначать , а матрицу оператора в фиксированном базисе – в виде А.

2. Унитарные, ортогональные, эрмитовы операторы и матрицы

Определение 2. Линейные операторы эвклидова (унитарного) пространства, которые сохраняют скалярное произведение векторов этого пространства, называется ортогональными (унитарными) операторами.

Пусть e1, e2, …, en – ортонормированная база унитарного (эвклидова) пространства. Если - унитарный (ортогональный) оператор, то согласно его определению

(ei, ej)= (ei, ei)=1, i=1, 2, …, n;

(ei, ej)= (ei, ej)=0, i¹y. (2)

Это означает, что система векторов e1, e2, …, en сама составляет ортонормированную базу в соответствующем пространстве.

Пусть А – матрица унитарного (ортогонального) оператора. Тогда можно записать . Из выражения (2) следует, что в матрице А скалярные произведения векторов-столбцов на себя равны единице, а скалярное произведение различных векторов-стобцов равно нулю. Такая матрица называется унитарной (ортогональной). Унитарность (ортогональность) матрицы А означает, что сумма произведений элементов, стоящих в любом столбце этой матрицы, на сопряженные (на те же самые) к ним элементы равны единице, а сумма произведений элементов любого столбца на сопряженные к ним (на соответственные к ним) элементы другого столбца равна нулю.

Определение 3. Матрица А* называется эрмитово сопряженной (или просто сопряженной) по отношению к матрице А, если А*=, т. е. для того, чтобы из матрицы А получить эрмитово сопряженную матрицу, ее надо транспонировать и заменить элементы транспонированной матрицы комплексно-сопряженными элементами.

Определение 4. Матрица А называется самосопряженной или эрмитовой матрицей, если A=A*; в том же случае, если элементы матрицы вещественны, A*=At=A и матрица А называется симметрической матрицей.

Определение 5. Матрица А называется унитарной (ортогональной) матрицей, если A*=A-1 (если At=A-1). Операторы, соответствующие эрмитовым матрицам, будем называть эрмитовыми.

2.4 Представления групп

1. Определение представлений

Определение 1. Представлением группы, действующим в n-мерном векторном пространстве V, называется гомоморфизм этой группы в группу невырожденных линейных операторов пространства V.

Невырожденным называется такой оператор , который имеет обратный оператор , дающий по определению в произведении с единичный оператор : ==.