In matematica, in particolare in algebra lineare, un operatore autoaggiunto è un operatore lineare su uno spazio di Hilbert che è uguale al suo aggiunto. In letteratura si usa talvolta chiamare operatore simmetrico un operatore definito in un sottospazio di uno spazio vettoriale, il cui aggiunto non è in generale simmetrico, e operatore hermitiano un operatore densamente definito in tale spazio. Nel caso di uno spazio reale finito-dimensionale, alcuni autori chiamano operatore simmetrico un operatore autoaggiunto.[1]
Per il teorema di Hellinger-Toeplitz un operatore simmetrico definito ovunque è anche limitato, e se il suo aggiunto è definito ovunque ed è limitato allora l'operatore è limitato. In particolare, se un operatore simmetrico limitato non è definito su tutto lo spazio allora può essere esteso in modo unico ad un operatore definito ovunque.
Si definisce operatore autoaggiunto o hermitiano un operatore tale che , ovvero:[4]
Se si esprime un operatore autoaggiunto in termini della matrice che lo rappresenta, tale matrice è uguale alla sua trasposta complessa coniugata. Questo implica in particolare che gli autovalori di tali operatori sono reali.
Nel caso di un operatore non limitato è necessario tenere conto dei domini. Il dominio dell'operatore aggiunto di è:
Per ogni elemento si ponga:
Un operatore non limitato è quindi detto autoaggiunto se:
In modo equivalente, è detto simmetrico se l'aggiunto estende , ovvero se:[5]
e un operatore autoaggiunto è un operatore simmetrico tale che:
Un operatore simmetrico è sempre chiudibile in quanto è denso in .
In particolare:
Se è simmetrico, estende che a sua volta estende .
Se è simmetrico e chiuso, estende .
Se è autoaggiunto .
Da questo segue che se è simmetrico e chiuso, esso è anche autoaggiunto se e solo se è simmetrico.[6]
Inoltre, un operatore simmetrico è autoaggiunto se e solo se è chiuso e . In modo equivalente, l'operatore simmetrico è autoaggiunto se e solo se l'immagine di è l'intero spazio .[7]
Un operatore simmetrico si dice essenzialmente autoaggiunto se la sua chiusura è autoaggiunta. In particolare, l'estensione autoaggiunta di un operatore essenzialmente autoaggiunto è unica, e si ha . Inoltre, un operatore simmetrico è essenzialmente autoaggiunto se e solo se . In modo equivalente, è essenzialmente autoaggiunto se e solo se il rango di è denso in .[7]
Un operatore si dice limitato relativamente all'operatore , o -limitato, se:
Il più grande limite inferiore dell'insieme dei possibili valori che può assumere è detto -limite di . Si dimostra che se è autoaggiunto e è simmetrico e -limitato con -limite minore di 1, allora l'operatore è autoaggiunto. Inoltre, se è essenzialmente autoaggiunto allora è essenzialmente autoaggiunto e si ha:
Siano operatori autoaggiunti, e numeri reali. Dalla linearità del prodotto scalare si ottiene
e quindi lo spazio degli operatori autoaggiunti è uno spazio lineare sui reali.
Dalla relazione:
si ottiene che è un operatore autoaggiunto se e solo se e commutano.
L'insieme degli autovalori di un operatore autoaggiunto giace sull'asse reale. Per vederlo, si consideri un autovettore dell'operatore autoaggiunto associato all'autovalore . Allora da:
segue che o . Dato che la seconda possibilità è esclusa in quanto è un autovettore, ne segue che è reale.
Lo spettro è un sottoinsieme di ,ovvero gli autovalori sono reali.
Autovettori relativi ad autovalori distinti sono ortogonali.
Un operatore autoaggiunto di una C*-algebra è detto positivo se il suo spettro contiene soltanto numeri non negativi reali. Inoltre è positivo se e solo se esiste un elemento dell'algebra tale che . Un operatore positivo in uno spazio di Hilbert (dunque sul campo complesso) è autoaggiunto, ed in particolare normale.[8] Questo non vale su uno spazio vettoriale reale.
Si dimostra che se è operatore autoaggiunto definito su , allora esiste un'unica mappa definita sullo spazio delle funzioni di Borel su ed a valori nello spazio degli operatori limitati su che gode delle seguenti proprietà:[9]
è un *-omomorfismo algebrico, ossia:
è continua, ossia:
Se allora
Se:
e la norma è limitata, allora:
e la convergenza è forte.
Grazie alle proprietà mostrate attraverso il calcolo funzionale continuo è possibile associare ad un operatore autoaggiunto un'unica famiglia di proiezioni ortogonali, che costituiscono una misura a valori di proiettore. Tale famiglia di proiettori permette, grazie al teorema spettrale, di diagonalizzare un operatore autoaggiunto, come si mostra nel seguito.
il cui dominio è lo spazio delle funzioni per le quali il membro di destra della precedente relazione è in è un operatore di moltiplicazione.
Il teorema spettrale afferma che ogni operatore di moltiplicazione è un operatore autoaggiunto (densamente definito), e ogni operatore autoaggiunto è unitariamente equivalente a un operatore di moltiplicazione.
Il caso infinito-dimensionale costituisce una generalizzazione del caso precedente. Nel caso di operatori limitati, il teorema spettrale afferma che un operatore limitato e autoaggiunto definito su uno spazio di Hilbert è un operatore di moltiplicazione.
Nel caso in cui è un operatore non limitato e autoaggiunto su uno spazio di Hilbert separabile con dominio , il teorema afferma che esistono uno spazio di misura , dove è una misura finita, un operatore unitario:
se e solo se dove è il prodotto tra funzioni indotto dal codominio .
Se allora
Molti operatori lineari importanti che si incontrano in analisi, come gli operatori differenziali, non sono limitati. In particolare, ogni operatore differenziale a coefficienti costanti è unitariamente equivalente a un operatore di moltiplicazione, e l'operatore unitario che implementa questa equivalenza è la trasformata di Fourier.
Il problema di determinare se un operatore è autoaggiunto non è di facile risoluzione, di seguito si riporta un teorema che caratterizza gli operatori autoaggiunti.
Come conseguenza del teorema spettrale, sia nel caso reale che nel caso complesso, il teorema di decomposizione spettrale afferma che gli autospazi di sono ortogonali e in somma diretta:
Equivalentemente, se è la proiezione ortogonale su , si ha:
definita sullo spettro di , in cui è la funzione indicatrice. Tale misura può essere associata ad nel seguente modo:
per ogni funzione misurabile limitata , e in tal caso si ha:
La formula a sinistra è detta diagonalizzazione di .[18]
Se da un lato è possibile definire univocamente un operatore autoaggiunto (o, più in generale, un operatore normale) a partire da una misura a valori di proiettore, dall'altro se è possibile diagonalizzare tramite una misura a valori di proiettore limitata allora è la misura a valori di proiettore associata univocamente ad . Ogni operatore limitato autoaggiunto può dunque essere messo in corrispondenza biunivoca con una misura a valori di proiettore limitata .
(EN) Michael Reed, Barry Simon, Methods of Modern Mathematical Physics, Vol. 1: Functional Analysis, 2ª ed., San Diego, California, Academic press inc., 1980, ISBN0-12-585050-6.
(EN) Lazar A. Lyusternik e Vladimir I. Sobolev, Elements of functional analysis, Wiley, 1974.