← Bibliothèque d'exercices← Tous les exercices du thème
Thème 2 — Espaces de Hilbert et opérateurs linéaires

Adjoint et projecteurs

Mots-clés: adjoint · matrice hermitienne conjuguée · projecteur orthogonal · idempotent

Exercice 1 : Adjoint et projecteurs

Question 1
Soit HH un espace de Hilbert complexe (antilinéaire à gauche). Rappelons que l'adjoint A†A^\dagger d'un opérateur AA est défini par : ⟨u,A†v⟩=⟨Au,v⟩∀ u,v∈H.\langle u, A^\dagger v \rangle = \langle Au, v \rangle \qquad \forall\, u, v \in H.

Question 2
Montrer que si AA est représenté par une matrice (Aij)(A_{ij}) dans une base orthonormée, alors (A†)ij=Aji∗(A^\dagger)_{ij} = A_{ji}^*.

Solution
Soient ∣ei⟩|e_i\rangle une base orthonormée, Aij=⟨ei,Aej⟩A_{ij} = \langle e_i, A e_j\rangle. Par définition de l'adjoint :

(A†)ij=⟨ei,A†ej⟩=⟨Aei,ej⟩=⟨ej,Aei⟩∗=Aji∗.(A^\dagger)_{ij} = \langle e_i, A^\dagger e_j \rangle = \langle A e_i, e_j \rangle = \langle e_j, A e_i \rangle^* = A_{ji}^*.

Question 3
Soit ∣ψ⟩∈H|\psi\rangle \in H un vecteur normalisé. On définit P=∣ψ⟩⟨ψ∣P = |\psi\rangle\langle\psi|, c'est-à-dire l'opérateur P ⁣:∣v⟩↦⟨ψ,v⟩ ∣ψ⟩P \colon |v\rangle \mapsto \langle \psi, v\rangle\, |\psi\rangle. Montrer que PP est autoadjoint (P†=PP^\dagger = P) et idempotent (P2=PP^2 = P).

Solution
Autoadjonction. Pour tous ∣u⟩,∣v⟩∈H|u\rangle, |v\rangle \in H :

⟨u,P†v⟩=⟨Pu,v⟩=⟨⟨ψ,u⟩ψ, v⟩=⟨ψ,u⟩∗ ⟨ψ,v⟩=⟨u,ψ⟩ ⟨ψ,v⟩=⟨u,Pv⟩,\langle u, P^\dagger v \rangle = \langle Pu, v \rangle = \langle \langle \psi, u \rangle \psi,\, v \rangle = \langle \psi, u \rangle^*\, \langle \psi, v \rangle = \langle u, \psi \rangle\, \langle \psi, v \rangle = \langle u, Pv \rangle,

donc P†=PP^\dagger = P.

Idempotence.

P2∣v⟩=P(⟨ψ,v⟩∣ψ⟩)=⟨ψ,v⟩ P∣ψ⟩=⟨ψ,v⟩ ⟨ψ,ψ⟩ ∣ψ⟩=⟨ψ,v⟩ ∣ψ⟩=P∣v⟩,P^2|v\rangle = P\bigl(\langle\psi,v\rangle|\psi\rangle\bigr) = \langle\psi,v\rangle\, P|\psi\rangle = \langle\psi,v\rangle\,\langle\psi,\psi\rangle\,|\psi\rangle = \langle\psi,v\rangle\,|\psi\rangle = P|v\rangle,

où l'on a utilisé ⟨ψ,ψ⟩=1\langle\psi,\psi\rangle = 1.

Question 4
Montrer que 1−P\mathbf{1} - P est également un projecteur orthogonal, et interpréter géométriquement.

Solution
Posons Q=1−PQ = \mathbf{1} - P. Alors Q†=1−P†=QQ^\dagger = \mathbf{1} - P^\dagger = Q et Q2=1−2P+P2=1−P=QQ^2 = \mathbf{1} - 2P + P^2 = \mathbf{1} - P = Q. QQ est donc un projecteur orthogonal ; son image est le supplémentaire orthogonal (Im P)⊥={∣ψ⟩}⊥(\mathrm{Im}\, P)^\perp = \{|\psi\rangle\}^\perp.