Спектральная теорема для самосопряжённых операторов

Спектральная теорема - главный структурный результат теории операторов: она говорит, что самосопряжённый оператор устроен «диагонально», даже если в бесконечномерном пространстве у него нет ни одного собственного вектора. В конечной размерности это знакомое разложение симметричной матрицы по ортонормированному базису. В гильбертовом пространстве язык собственных векторов перестаёт работать, и на смену сумме приходит интеграл по спектральной мере. Ниже разберём обе формулировки, чем непрерывный спектр отличается от точечного и как теорема выглядит для неограниченных операторов. Если нужно применить её к конкретному оператору, соберите запрос в форме ниже.
Что утверждает спектральная теорема
Пусть - самосопряжённый оператор в гильбертовом пространстве , то есть для всех из области определения. Спектральная теорема утверждает: существует единственная спектральная мера (разложение единицы) на борелевских подмножествах вещественной прямой такая, что
Здесь - спектр оператора, всегда лежащий на вещественной оси, а - ортогональный проектор, отвечающий борелевскому множеству . Содержательно это значит, что оператор «диагонален» относительно семейства проекторов : каждый кусочек спектра вносит вклад через свой проектор, а собственное число играет роль координаты на оси.
Главная ценность формулировки - она не требует существования собственных векторов. У оператора умножения на координату в нет ни одного собственного вектора, но спектральная мера у него есть, и теорема описывает его полностью.
Конечномерный случай: знакомая диагонализация
В пространстве самосопряжённый оператор задаётся эрмитовой матрицей (), а в вещественном случае - симметричной (). Здесь спектральная теорема превращается в школьную диагонализацию:
где - вещественные собственные числа, а - ортогональные проекторы на собственные подпространства. Спектральная мера здесь дискретна: , то есть интеграл из общей формулы вырождается в конечную сумму.

Три свойства эрмитовой матрицы, которые ученик доказывает первыми, - это частный случай общей теоремы: собственные числа вещественны, собственные векторы при разных ортогональны, а из них собирается ортонормированный базис. Подробный разбор именно матричной версии с примерами есть в статье про спектральное разложение симметричной матрицы - она хороший трамплин перед бесконечномерным случаем.
Спектральная мера и разложение единицы
Спектральная мера - это отображение, которое каждому борелевскому множеству сопоставляет ортогональный проектор так, что выполнены аксиомы:
Последнее равенство понимается в смысле сильной сходимости. По сути - это «проекторнозначная вероятностная мера»: вместо чисел она присваивает множествам проекторы, а условие - аналог нормировки. Поэтому её ещё называют разложением единицы: тождественный оператор раскладывается по всему спектру.
Через спектральную меру определяется и скалярная мера. Для каждого вектора величина - обычная неотрицательная мера на прямой, а интеграл сводится к классическому:
Именно эти скалярные меры переводят операторную задачу в язык обычного интегрирования, который уже умеет анализ.
Типы спектра: точечный, непрерывный, остаточный
В бесконечной размерности спектр устроен богаче, чем набор собственных чисел. Его принято делить на части:
- Точечный спектр - собственные числа: , при которых не инъективен. Здесь спектральная мера даёт «атом», ненулевой проектор .
- Непрерывный спектр - , при которых инъективен и имеет плотный образ, но не обратим. Собственного вектора нет, мера , но окрестность несёт ненулевой проектор.
- Остаточный спектр для самосопряжённого оператора пуст - это важное следствие самосопряжённости.

Классический пример непрерывного спектра - оператор умножения в . Его спектр - весь отрезок , но ни одного собственного вектора нет: уравнение заставляет обращаться в ноль почти всюду. Спектральная мера здесь - это , умножение на индикатор множества .
Функциональное исчисление
Из спектральной меры рождается главный инструмент - функциональное исчисление: для любой ограниченной борелевской функции корректно определён оператор
Это превращает анализ функций в анализ операторов. Полагая , получаем ; полагая - унитарную группу , которая в квантовой механике описывает эволюцию во времени. Отображение сохраняет операции: сумме функций отвечает сумма операторов, произведению - произведение, комплексному сопряжению - сопряжённый оператор.
Именно функциональное исчисление объясняет, почему спектральная теорема так важна для приложений: квадратный корень из положительного оператора, экспонента, резольвента - всё это значения подходящих функций на спектре. Похожую идею «привести оператор к каноническому виду и работать с ним покомпонентно» использует LU-разложение матрицы - там разложение нужно уже для прикладного решения систем.
Неограниченные операторы
Многие операторы физики - импульс , гамильтониан, оператор Лапласа - не ограничены: они определены не на всём , а лишь на плотной области . Для них самосопряжённость требует тонкости: мало симметричности , нужно ещё совпадение областей определения и сопряжённого . Симметричный, но не самосопряжённый оператор спектральной теореме не подчиняется.
Если же в этом строгом смысле, теорема остаётся в силе: спектральная мера существует, и
причём область определения восстанавливается как . Эта аккуратность с областями - то, что отличает зрелую формулировку Стоуна и фон Неймана от наивного переноса матричной диагонализации.
Частые ошибки
- Считать, что у самосопряжённого оператора всегда есть собственные векторы. В бесконечной размерности их может не быть вовсе (непрерывный спектр) - но спектральная мера есть всегда.
- Путать симметричность и самосопряжённость для неограниченных операторов. Симметричность - лишь равенство скалярных произведений; самосопряжённость дополнительно требует .
- Думать, что спектр самосопряжённого оператора может быть комплексным. Он всегда лежит на вещественной оси - это прямое следствие .
- Забывать про остаточный спектр. Для самосопряжённого оператора он пуст, поэтому весь спектр исчерпывается точечным и непрерывным.
- Брать неограниченную функцию в функциональном исчислении без оговорок. Тогда снова неограничен, и нужно следить за областью определения.
FAQ
Чем спектральная теорема в гильбертовом пространстве отличается от диагонализации матрицы? Принципиально - заменой суммы на интеграл. В конечной размерности оператор раскладывается в сумму по собственным подпространствам. В бесконечной размерности собственных подпространств может не быть, и сумма заменяется интегралом по спектральной мере. Конечномерный случай - частный, когда мера дискретна.
Зачем нужна спектральная мера, если можно говорить о собственных числах? Потому что собственных чисел может не хватить. Оператор умножения на координату не имеет ни одного собственного вектора, но полностью описывается спектральной мерой. Мера - универсальный язык, который одинаково работает и для точечного, и для непрерывного спектра.
Любой ли симметричный оператор подчиняется спектральной теореме? Нет. Для ограниченных операторов симметричность и самосопряжённость совпадают, но для неограниченных - нет. Симметричному, но не самосопряжённому оператору спектральная теорема в полной форме не применима, пока не построено его самосопряжённое расширение.
Коротко
Спектральная теорема для самосопряжённых операторов утверждает, что любой такой оператор представляется интегралом по спектральной мере на вещественной оси. В конечной размерности это привычная диагонализация , в бесконечной - её обобщение, не требующее собственных векторов. Спектр распадается на точечную и непрерывную части, остаточный спектр пуст, а из спектральной меры вырастает функциональное исчисление - главный рабочий инструмент теории операторов и квантовой механики.
Читайте также

Самосопряжённый оператор: спектральная теорема
Самосопряжённый оператор и спектральная теорема простыми словами: почему собственные числа вещественны, собственные векторы ортогональны и оператор диагонализуется в ортонормированном базисе.

Теорема Рисса о представлении функционала: доказательство
Теорема Рисса о представлении функционала: каждый ограниченный линейный функционал в гильбертовом пространстве задаётся скалярным произведением с единственным вектором. Формулировка и доказательство.

Теорема Алаоглу-Банаха: слабая-* компактность шара
Теорема Алаоглу-Банаха простыми словами: единичный шар сопряжённого пространства слабо-* компактен. Формулировка, доказательство через теорему Тихонова, смысл слабой-* топологии и примеры применения.