Alex_B Цитата: Я понимаю, что этот вопрос сложный, поэтому разобьем его на два:
1) о понятии собственного вектора одного оператора в непрерывном спектре и
2) о совпадении собственных векторов для двух операторов.
Видимо, придётся говорить без обиняков и только правду.
К сожалению, точные определения понятий, имеющих отношение
к непрерывному спектру, не так-то просто сформулировать,
и было потрачено немало усилий, чтобы сделать эти определения
корректными. Полученная в результате теория не оперирует
с "собственными векторами непрерывного спектра" вообще.
Итак, любой самосопряжённый оператор A, действующий в
сепарабельном гильбертовом пространстве H однозначно
(с точностью до унитарной эквивалентности)
определяется счетно-аддитивной проекторозначной функцией
множеств E(), заданной на сигма-алгебре E-измеримых
подмножеств вещественой оси. Функция E() называется
спектральной мерой оператора A. Расшифровка здесь такова:
E() - есть отображение из множества E-измеримых подмножеств
вещественной оси в множество ортопроекторов, действующих
в пространстве H. Спектр оператора A совпадает с supp E -
- носителем меры E(). [supp E - носитель меры E, то есть
наменьшее (замкнутое) подмножество, дополнение к которому
имеет нулевую E-меру].
Зная спектральную меру, можно построить "функциональную модель"
оператора А. Такой моделью называют оператор умножения,
действующий в пространстве L2 вектор-функций,
квадратично суммируемых по мере Et, тесно
связанной с мерой E(). Её описание я дам позже.
Для иллюстрации можно представить себе ситуацию, когда
точка x0 e supp(E) является изолированнной
точкой (атомом) меры. Иначе говоря, x0 можно
окружить маленьким интервалом, в котором, кроме самой x0,
точек из supp(E) нет. В этом случае спектральный проектор,
отвечающий x0 - это в точности проектор E({x0})
на собственное подпространство, отвечающее собственному значению x0.
Обратите внимание на фигурные скобки, в которые я заключил точку x0.
Это - напоминание о том, что E() - не функция точки, а функция множества.
Почувствуйте разницу.
E({x0}) - есть "значение фунцкции E() при значении её аргумента,
равном множеству, сотоящему из точки x0".
В пространстве E({x0}) H, называемом "собственным подпространством
оператора A, отвечающим изолированной точке спектра x0", можно,
как и положено, выбрать базис "собственных векторов, отвечающих x0".
Для любого вектора из этого подпространства действие оператора A
сводится к умножению на число x0. То есть x0
- собственное значение. Заметьте также. что это подпространство инвариантно
относительно A, то есть оператор А переводит любой вектор из этого
подпространства в вектор снова принадлежащий этому подпространству.
Из самосопряженности легко видеть, что ортогональное дополнение
к этому подпространству также инвариантно относительно A (проверьте).
В этом случае говорят, что оператор A приводится этим подпространством.
Дальше - больше. Спектральная мера E() называется абсолютно непрерывной
(относительно меры Лебега), если для каждого множества d вещественной оси
такого, что mes(d) = 0 выполнено E(d) = 0 (здесь mes() - мера Лебега на оси).
Очевидно, если точка x0 - собственное значение из предыдущего
рассмотрения, то мера, сосредоточенная в ней (то есть проектор E({x0}))
не равен нулю, в то время как мера Лебега самОй точки x0
равна нулю mes({x0}) = 0. Поэтому при наличии собственных
значений мера E() не является абсолютно непрерывной.
Что делать? Давайте объединим все собственные подпространства
в подпространство Hd и рассмотрим сужение оператора A на
ортогональное дополнение Hd в пространстве H. Заметьте, что
такое дополнение может оказаться нулевым (в случае, когда спектр
оператора А состоит только из собственных чисел). В конечномерном
пространстве (в линейной алгебре) именно это мы и наблюдаем.
Часть оператора A в Hc := H - Hd
является самосопряженным оператором Ac, у которого нет собственных
чисел. Это ещё не всё.
Можно предположить, что оператор Ac имеет спектральную
меру, которая абсолютно непрерывна относительно меры Лебега, поскольку
у него нет собственных векторов. Это не так. Однако для простоты
предположим, что это правда и оператор Ac действительно имеет
абсолютно непрерывный спектр (то есть его спектральная мера Ec
абсолютно непрерывна). Именно такими являются оператор Лапласа и
оператор КГ (-Delta+m2). Само определение абсолютной
непрерывности теперь означает, что для любой точки x0
вещественной оси выполнено равенство Ec({x0}) = 0,
то есть "собственное подпространство" в указанном выше смысле равно нулю.
Соответственно, нет и собственных векторов, ни обычных, ни обобщенных.
Что делать? Понятно, что надо брать множества ненулевой Лебеговой меры,
чтобы надеяться получить что-то ненулевое. Пусть (a,b) - интервал
вещественной оси. Тогда проектор Ec({(a,b)}) не равен нулю
(то есть подпространство Ec({(a,b)})H ненулевое) только если
пересечение (a,b) и supp (Ec) имеют ненулевую (Лебегову) меру.
Пусть для простоты (a,b) целиком содержится в supp(Ec). Что Вы
можете сказать о соответствующем спектральном подпространстве Ec({(a,b)})H ?
Подумайте, почему выбор ортогонального базиса в нем ничего полезного
нам не даёт.
Теперь о функциональной модели. Как говорилось выше, оператор А
действует как оператор умножения в неком L2 пространстве
вектор-функций квадратично суммируемых по мере Et, которая
на деле есть функция распределения меры E(), то есть Et = E({(-infty, t]}).
"Модельное" гильбертово пространство устроено не вполне очевидно.
Оно представляет собой прямой интеграл (или интеграл фон Неймана)
гильбертовых пространств. Но это нам не понадобится, для наглядности
можно считать, что это просто некое L2 пространство. Оператор А
при этом представляется в виде интеграла по спектральной мере A = Int t dEt,
где интеграл берется по всей оси, а реально - по множеству supp E(). Отсюда
легко понять, что функции от оператора естественно определять в модельном
пространстве формулой f(A) = Int f(t) dEt,
это определение можно оправдать по крайней мере для ограниченных
функций f() и - предельным переходом - для некоторых неограниченных.
Вот и вся наука. "А что сверх этого - то от лукавого". Но вначале пример.
Для иллюстрации рассмотрим конечномерный случай, когда мы имеем
дело с матрицей А и, следовательно, спектр оператора А дискретен.
Пусть {ak} - его собственные числа и {фk}, k=1,...n -
соответсвующие собственные векторы, образующие ортонормированный
базис исходного пространства. Тогда любой вектор f можно разложить
по системе {фk}k=1,...n : f = Sum fk фk,
где fk = (f,фk) - "коэффициент Фурье" вектора f
относительно системы {фk}k=1,...n.
Действуя опратором А на это равенство,
получаем Аf = Sum ak fk фk.
Долго вглядываясь в эту формулу и припоминая сказаное выше,
несложно заключить, что отображение f -> {f1, f2, ... fn}
исходного пространства в L2 пространство
последовательностей n чисел - коэффициентов в разложении f
по системе {фk}k=1,...n - является спектральным.
Спектральная мера сосредоточена на множестве чисел
{ak}k=1,...n и оператор А действует как оператор
умножения на независимую переменную в нём. Подумайте подольше над
этим примером. Я сознательно не даю подробности в надежде,что Вы
разберётесь сами. Не жалейте времени, задача того стОит.
Теперь - от лукавого.
Все лукавые разговоры о "собственных функциях непрерывного спектра"
возникают, когда разговор заходит о дифференциальных операторах.
Заметьте, что обычно говорят о "функциях", а не о "векторах", понимая,
что мы имеем дело не с абстракным гильбертовым пространством, а с
функциональным, элементы которого - функции.
Встает естественный вопрос - поскольку наш оператор унитарно
эквивалентен оператору умножения в неком "модельном"
L2 пространстве, то как явно описать это пространство и как
по возможности найти формулу, переводящую функцию исходного
пространства в функцию модельного? Давайте для примера рассмотрим
оператор -i(d/dx) однократного диференцирования на всей оси, то есть
в пространстве L2(R). Что можно сказать о нем. Первое
наблюдение - это соотношение -i(d/dx)eitx = t eitx.
Похоже, что функции {eitx}t e R являются
собственными фукциями оператора -i(d/dx), отвечющими собственному
значению t e R. Однако они не являются квадратично суммируемыми.
Если действовать формально, то, копируя спектральное разложение
оператора А с дискретным спекторм (матрицы для простоты) в виде
Af = Sum ak(f,фk)фk, где суммирование
ведётся по всем собственным векторам {фk}и соответствующим
собственным числам {ak}, получаем вместо суммы интерграл
по спектральному параметру, то есть Af = Int at(f,фt)фt dt,
где, аналогично конечномерному случаю, ft = (f, фt) = Int f(x)фtdx.
Однако напомню, что фt не является квадратично суммируемой,
поэтому написанное выше скалярное призведение не имеет смысла.
Замечательным достижением является то, что в случае системы
экспонент {eitx}t e R этому выражение можно
придать точный смысл. Сначала определим интеграл Int f(x)eitxdx
для функций с ограниченным носителем (то есть таким, для которых f(x)= 0
при достаточно больших |x|), а затем распространим его по непрерывности
на всё L2(R). Замечательно то, что полученный таким образом
интеграл Фурье (обозначим этот интеграл, делённый для нормировки на
(2Pi)-1/2 через Ф) является изометрией, то есть
|f|L2 = |Фf|L2, где Фf понимается как функция переменной t e R.
При этом Ф-1 g = (2Pi)-1/2 Int g e-itxdt
Проверьте сами, что Ф(-i)(d/dx) = tФ, то есть (-i)(d/dx) = Ф-1 t Ф.
Иначе говря, преобразование Фурье и есть искомая изометрия, дающая
спектральное представление оператора дифференцирования. Ну, эти вещи
Вы должны знать - коррдинатное и импульсное представления.
А дальше всё понятно. В соответсвии с функциональным исчислением
(которое ещё надо обсуждать), для функции F(.) (вещественнозначной,
удовлетворяющей определённым условиям), функцию F(.) от оператора
дифференцирования можно определить через спектральное представлерие:
F(-i(d/dx)) = Ф-1 F(t) Ф. Для вещественнозначной F() этот оператор
самосопряжен, его спектр совпадает с образом функции F(.). Для него
тоже можно построить "систему собственных векторов непрерывного спектра"
(если его спектр непрерывен) - вся процедура сводится к "замене переменных"
в преобразовании фурье и её степень её трудности зависит от функции F().
Легко привести пример функции F(), для которых F(-i(d/dx)) спектр чисто
дискретен (приведите такой пример).
Итак, поскольку операторы (-Delta+m2), (-Delta+m2)1/2
есть функции x-> x2+ m2 и x-> (x2+ m2)1/2
соответственно от оператора диффернцирования, то выписать их действие
в "импульсном" представлении (спектральном представлении оператора
дифференцирования) я предоставляю Вам. Относительно систем "собств.
функций непрерывного спектра" для этих двух операторов легко видеть,
что они даются формулами exp((t-m2)1/2x), exp(-(t-m2)1/2x), t > m2 и
exp((t2-m2)1/2x), exp(-(t2-m2)1/2x), t > m,
где в показателях экспонент преобразований Фурье стоит ни что иное как
обратные функции к x-> x2+ m2 и x-> (x2+ m2)1/2.
Я на этом остановлюсь, так как не знаю, насколько Вам интересны детали.
добавлено Я поправил выражения дла собственных функций (-Delta+m2) и (-Delta+m2)1/2. Кажется, начинаю понимать Ваши сомнения насчет "лишнего" корня. Если до чего-нибудь дойду, напишу.
Спасибо.